駐極母粒駐極的原理

時(shí)間：2020-06-29作者：蘇州億嘉源新材料有限公司瀏覽：447

一般來(lái)講，絕緣性越好的材料越*產(chǎn)生靜電。

靜電可以是正電荷也可以是負(fù)電荷，毛皮摩擦橡膠棒，橡膠棒所帶的靜電電荷為負(fù)電荷，毛皮上所帶的靜電電荷為正電荷。正負(fù)是同時(shí)存在的，因?yàn)椋阂环蕉嗔穗娮樱ㄘ?fù)電），負(fù)電荷多了，所以對(duì)外顯負(fù)電；一方少了電子（負(fù)電），負(fù)電荷少了，所以對(duì)外顯正電。










目前電氣石駐極體是熱門(mén)的研究對(duì)象

電氣石產(chǎn)生負(fù)離子多少與自身的自發(fā)較化效應(yīng)強(qiáng)弱有關(guān)系，跟周?chē)h(huán)境的濕度、氧氣有關(guān)系。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題也日益**。“霧霾”天氣的產(chǎn)生，使得廣大人民群眾以及國(guó)家對(duì)大氣污染問(wèn)題也日益關(guān)注。PM2.5、亞微米級(jí)別病毒以及化學(xué)物質(zhì)等在空氣中擴(kuò)散、傳播，較大地危害了人民的身體健康。因此，有效的控制空氣中的細(xì)微顆粒物以及有毒有害的化學(xué)、生物物質(zhì)至關(guān)重要?？諝膺^(guò)濾材料的應(yīng)用是凈化空氣的重要手段。普通空氣過(guò)濾材料對(duì)于細(xì)小微粒的去除不夠徹底，而且過(guò)濾材料上*滋生有害微生物，存在二次污染的可能。駐極體空氣過(guò)濾材料為解決這一難題提供了可能。駐極體空氣過(guò)濾材料具有高效、低阻、節(jié)能、抗菌等優(yōu)點(diǎn)，是一類(lèi)非常有應(yīng)用前景的新型空氣過(guò)濾材料。

一、駐極體

駐極體是指那些能夠長(zhǎng)期儲(chǔ)存空間電荷和偶較電荷的電介質(zhì)材料, 即從時(shí)間跨度上來(lái)看,它們是電荷衰減時(shí)間常數(shù)比形成周期大得多的材料。具有在無(wú)外電場(chǎng)的條件下能自身產(chǎn)生靜電作用力的特性。根據(jù)駐極體電荷的來(lái)源和性質(zhì)，駐極體材料中的電荷可分為空間電荷和較化電荷兩類(lèi)?？臻g電荷主要是從介質(zhì)外面經(jīng)施加的電場(chǎng)推斥，沉積到介質(zhì)表面或注入到介質(zhì)表層一定深度，被介質(zhì)表面或內(nèi)部的各種陷阱捕獲的帶電粒子(如電子、離子等)，也稱(chēng)為駐極體的捕獲電荷。較化電荷是通過(guò)凍結(jié)取向偶較子和界面較化而形成的，這種電荷被束縛在分子內(nèi)，不能脫離分子轉(zhuǎn)移到其他部位，故也被稱(chēng)為束縛電荷。

二、駐極體材料

駐極體材料被廣泛應(yīng)用于高效低阻空氣過(guò)濾材料領(lǐng)域。駐極體空氣過(guò)濾材料要求材料儲(chǔ)存電荷的密度大、壽命長(zhǎng)及穩(wěn)定性高。主要影響因素是材料性質(zhì)、充電方法、電荷分布狀態(tài)、儲(chǔ)存的環(huán)境條件等。相關(guān)文獻(xiàn)表明,駐極體過(guò)濾材料過(guò)濾效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)**常規(guī)過(guò)濾材料。眾所周知, 常用的纖維過(guò)濾材料, 其捕塵機(jī)理主要依靠直接攔截、布朗擴(kuò)散、慣性碰撞和重力沉積等機(jī)械阻擋作用, 過(guò)濾材料和粒子之間靜電吸附作用甚弱, 對(duì)粒徑小于1 μm 的粒子過(guò)濾效果很差。如果在空氣過(guò)濾過(guò)程中增強(qiáng)靜電吸附, 除原有的機(jī)械阻擋作用外, 依靠庫(kù)侖力直接吸引氣相中的帶電微粒并將其捕獲, 或誘導(dǎo)中性微粒產(chǎn)生極性再將其捕獲, 過(guò)濾效率無(wú)疑將大大增強(qiáng),且過(guò)濾阻力也有所下降。

用作駐極體的原材料需要優(yōu)異的介電性能，如高體電阻和表面電阻、高介電擊穿強(qiáng)度、低吸濕性和透氣率等。駐極體材料可分為無(wú)機(jī)駐極體、**駐極體和生物駐極體。

2.1 無(wú)機(jī)駐極體材料

二氧化硅是國(guó)內(nèi)外研究比較多的無(wú)機(jī)駐極體材料，特別是它經(jīng)過(guò)化學(xué)表面處理，可以制備高穩(wěn)定性駐極體。鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(PZT)、氧化鋅(ZnO)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鋁(A12O3 )和氧化鈦(TiO2 )等氧化物，以及氮化硅(Si3N4 )等都是已研究的無(wú)機(jī)駐極體材料。黃志強(qiáng)等通過(guò)離子摻雜對(duì)二氧化硅進(jìn)行改性，以提高其正電荷駐極性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性，從而獲取所期望的正駐極體材料。他運(yùn)用溶凝工藝在非晶態(tài)SiO2 薄膜駐極體中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2的A12O3和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4的PbO。高溫恒柵壓正電暈充電及等溫電荷衰減等實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)Al3+和Pb2+離子摻雜改性的SiO2 薄膜具備較好的正極性駐極體性能，其正電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性在210 d 后**95%。另外還可用B3+、Zn2+摻雜對(duì)SiO2 薄膜駐極體改性。

**礦物中，也有具有*極性的材料，而其中電氣石是*極性自發(fā)電極性較強(qiáng)的，其較化矢量不會(huì)受到外部電場(chǎng)的影響。1993年日本學(xué)者中村輝太郎發(fā)表了一篇《關(guān)于電氣石性能》的報(bào)告，許多學(xué)者對(duì)此產(chǎn)生興趣，并且研制出了電氣石駐極體纖維。Takahashi等將電氣石細(xì)微粉末加入到合成纖維中，并將這種纖維制成非織造布，然后將其用于空氣過(guò)濾材料。研究表明，加入電氣石后，過(guò)濾材料不僅提高了對(duì)灰塵的過(guò)濾效率，而且能夠殺菌和凈化空氣。

2.2 **駐極體材料

以氟碳聚合物為代表的高絕緣性氟聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE )、氟化乙丙烯共聚物(PFA)、聚全氟乙丙烯(Teflon-FEP)、可溶性聚乙烯(PFA) 、聚偏氟乙烯(PVDF)等都是性能優(yōu)良的**駐極體材料。國(guó)內(nèi)外這方面駐極體文獻(xiàn)報(bào)道很多，Reinhard等探討了聚四氟乙烯納米材料比常規(guī)聚四氟乙烯高的壓電性能和電荷存儲(chǔ)能力，在300時(shí)仍保持較好的電荷穩(wěn)定性。夏鐘福等利用在室溫和高溫下的柵控恒壓電暈充電，探討了聚四氟乙烯多孔膜形成的正、負(fù)極性?xún)深?lèi)駐極體都表現(xiàn)出較好的電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性。聚丙烯是一種典型的非極性、疏水性高聚物，并且它的電阻率高，也是一種性能較好的駐極體材料，通常用作駐極體過(guò)濾材料。G. M. Sessler等分析了充電后的多孔聚丙烯膜所具有的很好的壓電性和電荷存儲(chǔ)能力。趙惠娟等用低溫等離子體對(duì)聚丙烯薄膜進(jìn)行表面處理來(lái)提高聚丙烯薄膜的駐極體性能。Bozena等研究了高壓電暈放電駐極體丙綸織物的性能，研究表明：細(xì)而柔軟卷曲的纖維以及面密度較大的織物具有很好的駐極效果，其過(guò)濾效率和抗?jié)裥阅茌^好。但**駐極體材料電荷儲(chǔ)存性能比無(wú)機(jī)駐極體材料差，特別是在溫度較高或潮濕的環(huán)境下電荷很*衰減， 影響產(chǎn)品的使用壽命。為了提高**駐極體材料電荷存儲(chǔ)能力，許多學(xué)者將礦物駐極體與**材料復(fù)合。例如聚偏氟乙烯和陶瓷鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛的復(fù)合(PVDF /BaTiO3 ，PVDF /PZT)、PVDF和壓電橡膠的復(fù)合，國(guó)內(nèi)都已有研究成果和開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

2.3 生物駐極體材料

生物駐極體包括**生物駐極體和人工生物駐極體。巴西棕櫚蠟是**個(gè)人工生物駐極體，它是一種蜂蠟、松香和樹(shù)脂的共混體的極性材料，用熱較化方法將它制成駐極體。

三、駐極體過(guò)濾材料的特點(diǎn)

3.1 高效性和低阻性

普通的纖維過(guò)濾材料主要依靠布朗擴(kuò)散、截留、慣性碰撞、重力沉降等機(jī)械阻擋作用來(lái)過(guò)濾空氣中的微粒，因此對(duì)粒徑小于1 μm的粒子過(guò)濾效果不理想。多數(shù)細(xì)菌、病毒微生物的大小都是微米級(jí)和亞微米級(jí)，例如SARS 冠狀病毒只有約100 nm。只有當(dāng)過(guò)濾材料纖維十分細(xì)小和密實(shí)時(shí)才能高效地捕獲這些微小的顆粒，這導(dǎo)致過(guò)濾材料空氣阻力增大，進(jìn)而導(dǎo)致空氣過(guò)濾器運(yùn)行能耗和成本增加；應(yīng)用于呼吸防護(hù)則使呼吸負(fù)擔(dān)增加。

駐極體纖維通常帶有幾百至上千伏電壓，而纖維的間隙非常小，從而形成了無(wú)數(shù)個(gè)無(wú)源電極，電極間電場(chǎng)達(dá)幾十MV/m 甚至較高，等效面電荷密度高達(dá)90 nC/cm2。因此，駐極體空氣過(guò)濾材料除原有的機(jī)械阻擋作用外，還依靠靜電力直接吸引空氣中的帶電微粒并將其捕獲，或誘導(dǎo)空氣中的中性微粒產(chǎn)生極性 再將其捕獲，從而較有效地過(guò)濾空氣中的亞微米粒子，在不增加空氣阻力的情況下顯著提高過(guò)濾效率。許多學(xué)者的研究結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)，例如某熔噴聚丙烯材料的過(guò)濾效率可由未駐極時(shí)的58.1%提高到駐極后的93.8%。

由于電場(chǎng)力是長(zhǎng)程力，在同樣的過(guò)濾效率時(shí)，駐極過(guò)濾材料空隙的幾何尺寸可以大于普通纖維或多孔材料，使駐極過(guò)濾器的氣流阻力比傳統(tǒng)過(guò)濾器顯著降低，因此可大幅度地節(jié)約能源。例如，在同等過(guò)濾效率條件下，某高效玻纖過(guò)濾器與駐極體過(guò)濾器的氣流阻力分別為118.6 Pa 和10.8 Pa。

3.2 抗菌性能

駐極體材料不僅過(guò)濾性能優(yōu)良，而且對(duì)微生物還有抑制和殺滅作用。研究者將表面電位為-300～-1 500 V 的聚四氟乙烯駐極體對(duì)金黃色葡萄球菌分別作用1～24 h。結(jié)果顯示，不同駐極電位的駐極體對(duì)金黃色葡萄球菌有6%至97%的殺滅率。駐極體的表面電位越高，對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌效果越好。

研究者認(rèn)為駐極體抑制細(xì)菌繁殖和滅菌作用的原理可能是靜電場(chǎng)和微電流刺激細(xì)菌，使細(xì)菌的蛋白質(zhì)、核酸等變異，損傷細(xì)菌的細(xì)胞壁及細(xì)胞膜，破壞細(xì)菌的表面結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞膜內(nèi)外的生物駐極態(tài)受到破壞，從而抑制細(xì)菌繁殖和殺滅細(xì)菌。研究者選用表面電位為-300、-500 和-1000 V 的聚四氟乙烯駐極體作用于成纖維細(xì)胞24、48和72h，利用流式細(xì)胞儀和透射電子顯微鏡研究負(fù)極性駐極體對(duì)成纖維細(xì)胞凋亡的影響。結(jié)果顯示，駐極體作用成纖維細(xì)胞以后，與對(duì)照組相比，成纖維細(xì)胞的凋亡率從0.5%增至10%（部分可達(dá)15%）；駐極體作用成纖維細(xì)胞48～72 h 后，出現(xiàn)細(xì)胞凋亡特有的形態(tài)學(xué)特征，研究者得出負(fù)極性駐極體有促進(jìn)成纖維細(xì)胞凋亡的作用。

四、駐極體過(guò)濾材料的不足

（1）駐極體材料帶電量以及電荷衰減快慢。

駐極體材料帶電量的多少和電荷衰減快慢在很大程度上影響產(chǎn)品的性能和使用壽命, 將無(wú)機(jī)或**添加劑加入駐極體過(guò)濾材料中能改善駐極體的帶電能力, 提高駐極體過(guò)濾材料的過(guò)濾性能。熱刺激放電法（Thermally Stimulated Discharge，TSD）是研究駐極體電荷存儲(chǔ)和衰減過(guò)程的重要方法。

駐極體電荷衰減有兩條途徑：一是空氣中的離子被駐極體電荷吸至駐極體, 與駐極體的電荷中和；二是駐極體內(nèi)的傳導(dǎo)電流的載流子與駐極體電荷的中和。

（2）駐極體過(guò)濾材料的靜電電勢(shì)。

我們知道在電廠、水泥廠、鋼鐵廠等高溫及高腐蝕煙氣的工況中，由于粉塵相互摩擦*產(chǎn)生靜電，導(dǎo)致粉塵附著在濾袋上，加大了清灰難度；并且一些易燃易爆性粉塵在有靜電情況下會(huì)發(fā)生劇烈的爆炸和燃燒，從而產(chǎn)生巨大的破壞性。

駐極體過(guò)濾材料的靜電電勢(shì)能不能引起火災(zāi)，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并結(jié)合使用中的情況而定。

五、駐極工藝

空氣過(guò)濾材料的靜電駐極方法主要有電暈放電、摩擦起電、靜電紡絲、熱較化和低能電子束轟擊。其駐極機(jī)制如表1所示。除了上述方法，有研究者采用陰離子表面活性劑預(yù)處理的方法來(lái)制備駐極體過(guò)濾材料。采用油酸鈉或十二烷基硫酸鈉處理聚丙烯纖維過(guò)濾材料使其帶上負(fù)電荷，處理后的過(guò)濾材料相比未處理過(guò)濾材料過(guò)濾效率提高了30%。

Peter等研究了用電暈放電、摩擦起電及靜電紡絲三種充電技術(shù)給不同聚合物類(lèi)型的纖維或織物充電。其中聚丙烯熔噴和紡粘非織造布采用電暈放電方式施加電荷，聚丙烯和改性聚丙烯腈纖維混合織物利用纖維梳理過(guò)程摩擦靜電充電，并且用靜電紡絲方法紡出了聚氯化乙烯、聚碳酸酯和聚氨酯纖維。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明摩擦充電僅適合于具有不同電負(fù)性的纖維充電， 兩種電負(fù)性不同的纖維混合在一起, 采用摩擦起電充電，其過(guò)濾材料的過(guò)濾效率比電暈放電處理的好，但電暈放電適用范圍較廣，且面密度大的織物充電效果要**面密度小的織物。而靜電紡絲優(yōu)點(diǎn)在于它的電荷儲(chǔ)存能力比其他兩者強(qiáng)。

5.1 電暈放電法

電暈放電的常用三種放電形式為：黑暗放電、發(fā)光放電和電弧放電, 其中以黑暗放電方式進(jìn)行的電暈放電可被用于介電材料的靜電充電，得到駐極體。通常在一個(gè)大氣壓下，發(fā)光放電不會(huì)在空氣中發(fā)生，而如果對(duì)空氣施加較高的電場(chǎng)(對(duì)于空氣約30kV/cm)，就能產(chǎn)生電暈放電，但過(guò)高的電壓又會(huì)導(dǎo)致電弧放電的產(chǎn)生，因此常采用高電流低電壓的方式得到電暈放電。Ando Katsutoshi等用電暈放電的方式給多層非織造布充電，通過(guò)比較各層表面電荷密度、熱刺激放電曲線以及過(guò)濾效率來(lái)分析電暈充電的內(nèi)部充電效果。結(jié)果表明，非織造布內(nèi)部具有較好的帶電性能。M.Nifuku等用交流、直流以及交流加上直流等三種方式給熔噴聚丙烯非織造布充電。結(jié)果表明，慢速的交變電流充電后，再給熔噴非織造布表面充一次直流電能夠獲得較好的充電效果。

5.2 靜電紡絲

靜電紡絲設(shè)備主要由一根移液管(將蓄液器中的聚合物溶液移至紡絲板上)、一個(gè)落地接受器和一個(gè)高壓動(dòng)力發(fā)送裝置組成，在紡絲過(guò)程中施加靜電。靜電紡絲工藝適合多種聚合物纖維的生產(chǎn)，可生產(chǎn)出微米級(jí)的纖維, 其直徑可達(dá)熔噴纖維直徑的十分之一至百分之一，這類(lèi)纖維具有良好的電荷儲(chǔ)存性能，可用于各類(lèi)空氣過(guò)濾器。這里需要說(shuō)明的一點(diǎn)就是電荷儲(chǔ)存的能力主要取決于聚合物的電性能、纖維直徑和介質(zhì)結(jié)構(gòu)，而非施加電荷的技術(shù)。靜電紡絲可生產(chǎn)較細(xì)的纖維, 但生產(chǎn)速度較慢。

5.3 摩擦起電法

由摩擦起電產(chǎn)生的帶電介質(zhì)有較高的電荷密度和過(guò)濾效率, 并且不同纖維制成的氈較*摩擦起電，但該技術(shù)只適用于梳理工序,并且需要兩種不同負(fù)電性的纖維, 通常是聚丙烯和改性聚丙烯腈。I.Krucinska研制了聚丙烯和聚酰胺混合針刺非織造布，這種非織造布由于在纖維梳理和針刺過(guò)程中的摩擦作用而產(chǎn)生靜電，并儲(chǔ)存在織物中，形成了一種駐極體非織造布；還分析了纖維的線密度、針刺密度、針刺深度以及樣品面密度對(duì)駐極效果的影響。摩擦起電產(chǎn)生的靜電荷也會(huì)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，影響梳理和鋪網(wǎng)工藝，而且改性聚丙烯腈價(jià)格昂貴。

六、總結(jié)

（1）對(duì)于濾料纖維的處理

我們可以將礦物粉粒（常用的無(wú)機(jī)礦物有SiO2、氧化鋁(A12O3 )、氧化鈦(TiO2 )以及電氣石等）加入到纖維中，將細(xì)微粉?；烊爰徑z液共混進(jìn)行紡絲（共混紡絲法、復(fù)合熔噴法）。

（2）PTFE后處理方面

我們可以將礦物粉粒（常用的無(wú)機(jī)礦物有SiO2、氧化鋁(A12O3 )、氧化鈦(TiO2 )以及電氣石等）加入到PTFE乳液中，并通過(guò)浸漬、涂層的方法加入到濾料表面或滲透到內(nèi)部，然后通過(guò)電暈放電、摩擦起電、靜電紡絲、熱較化和低能電子束轟擊等駐極工藝的處理，使得濾料表面具有儲(chǔ)存電荷的能力，從而達(dá)到濾料具有靜電吸附粉塵的能力。

（3）PTFE覆膜駐極處理

首先，將聚丙烯薄膜和PTFE薄膜加熱熱壓復(fù)合膜；其次，利用直流電暈放電使得共聚物薄膜駐極法；然后，將獲得的膜駐極體在覆膜工藝粘附在濾料表面，形成覆膜濾料。同時(shí)，在覆膜工藝，為了增加其與濾料的粘合性能，我們使用粘合劑進(jìn)行粘合處理。

為了使得膜具有較多的穩(wěn)定電荷，在電暈放電之前，需對(duì)膜進(jìn)行兩次加熱處理，以使得材料表面具有較大的電荷密度。





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