纤维过滤材料之驻极体浅析

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2020-05-09    环球过滤分离技术网 FFiltration6
“驻极体过滤材料”可能了解的并不多，那么驻极体过滤材料是一种什么材料呢？它的过滤机理及应用有哪些？而它与静电纺丝过滤又有哪些异同？在未来的市场竞争中，谁又更具前景与优势？

问题一：什么是驻极体？

驻极体是指那些能够长期储存空间电荷和偶极电荷的电介质材料，即从时间跨度上来看，它们的电荷衰减时间常数比驻极体形成的周期长得多。驻极体的电荷可以是真实电荷（或称空间电荷），也可以是偶极电荷，或者两种电荷兼有。

问题二：驻极体材料主要包括什么？

驻极体材料包括无机驻极体材料、有机驻极体材料以及生物驻极体材料。

无机驻极体材料：二氧化硅是国内外研究比较多的无机驻极体材料, 特别是它经过化学表面处理, 可以制备高稳定性驻极体。钛酸钡(BaTiO3 )、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO )、氧化钽(Ta2O5 )、氧化铝(A12O3 )和氧化钛(TiO2 )等氧化物, 以及氮化硅(S i3N4 )等都是已研究的无机驻极体材料。

有机驻极体材料：以氟碳聚合物为代表的高绝缘性氟聚合物,如聚四氟乙烯(PTFE )、氟化乙丙烯共聚物(PFA)、聚全氟乙丙烯(Te flon-FEP)、可溶性聚乙烯(PFA) 、聚偏氟乙烯(PVDF)等都是性能优良的有机驻极体材料。但有机驻极体材料电荷储存性能要差, 特别是在温度较高或潮湿的环境下电荷很容易衰减, 影响产品的使用寿命。

生物驻极体材料：包括天然生物驻极体和人工生物驻极体。巴西棕榈蜡是第一个人工生物驻极体,它是一种蜂蜡、松香和树脂的共混体的极性材料,用热极化方法将它制成驻极体。

问题三：驻极体材料的有哪些应用领域？

驻极体是指能够“长期”储存空间电荷和偶极电荷的电介质材料，其中高分子驻极体因其具有材料来源广，加工性能优异，性能可调等特点，同时由于材料本身具有电极性，能够在周围形成电场，使其具有一些特殊的性质，如热电性、压电性、铁电性等，所以广泛应用在过滤材料、生物医用材料，微电子、传感器、航空航天等领域，特别在过滤材料领域具有很大的应用前景。

问题四：驻极体过滤材料及其机理

驻极体用作过滤材料，最初在1976年由Tumb等人将切割成小条状的聚丙烯薄膜制成，将这种带电小条加工折皱状态形成驻极体纤维。驻极体过滤材料是利用电荷的静电力作用捕集尘粒。通常人们将传统熔喷或纺粘方法得到的纤维经过电晕处理或者摩擦起电等方法使纤维带上静电，最终形成驻极体过滤材料。

驻极体材料除了具有一般的机械拦截作用，还利用了本身带电的特点，通过带电纤维产生的库伦力实现对灰尘的捕获，能够大幅度提高对细小微粒的扑集作用。在空气中的微尘或多或少带有正电荷或负电荷，这些带电粒子在经过驻极体时，被强烈地吸附在驻极纤维上;而空气中不带电的微尘会在驻极体形成的电场，亦被吸附在纤维上。驻极体材料不仅过滤性能优良，而且对微生物还有捕集、抑制和杀灭作用。许多研究者认为驻极体抑制细菌繁殖和灭菌作用的原理是静电场和微电流刺激细菌，使细菌的蛋白质、核酸等变异，破坏细菌的表面结构，从而抑制细菌繁殖和杀灭细菌。

驻极体过滤材料由于利用了静电捕集，其捕集效率比普通纤维过滤材料的捕集效率要高得多，尤其是对于机械捕集效率低的亚微细数量级的粒子，捕集效果更加明显。各种过滤材料的捕集效率和压力损失的关系如图1所示，可以看出，在同样的捕集效率下，驻极纤维滤材的压力损失只有普通滤材1/3左右。



问题五：驻极体过滤材料在过滤性能方面有哪些表现？

过滤材料主要有以下几方面的性能要求:①过滤效率高、气流阻力小;②容尘量大和使用寿命长;③稳定性好。

从过滤效率和气流阻力来看，过滤材料倾向于追求高过滤效率，但是就现有技术水平而言，空气过滤效率越高，滤材的压降越大，压降损失没有有效的解决办法。驻极体过滤材料是一种高效率的过滤材料，尤其是气流阻力很小。这主要是由于驻极熔喷非织造纤维细度低、结构蓬松、而且纤维间容量大。驻极体空气过滤材料对0.12um粒子的过滤效率可达99.999%，在风速0-1.2m/s的范围内，气流阻力也控制在200 Pa以下。而传统过滤材料在相同过滤效率的范围内，阻力至少都在700Pa以上，所以与传统的空气滤材相比，驻极体过滤材料的过滤效率和压降有较大优势。

从容尘量和使用寿命来看，容尘量是过滤材料的一个要的性能指标，容尘量越大，滤料的使用寿命越长。容尘量一般以在发尘后当阻力是初阻力2倍以上时滤料上增加的质量来确定。由于熔喷驻极体过滤材料结构蓬松、孔隙多、孔隙尺寸小、而且纤维间容量大。在其积留一定量的颗粒物且仍能保持较低的阻力，从而大大延长滤材的使用寿命。与传统的空气滤材相比，驻极体空气过滤材料的容尘量大，使用寿命长。

从过滤性能稳定性来看，对不同的静电驻极方法，驻极体空气滤材的性能差别较大。由于它带有较多的静电荷，使得滤材的综合过滤机理十分复杂，有研究表明，对纤维过滤器随粉尘的过滤效率逐渐上升，而驻极体过滤器却是随着粉尘的沉淀过滤率逐渐下降，但仍能维持在99.97以上，并且此后效率无明显下降趋势。


问题六、驻极体过滤材料驻极方法对比

由于材料的静电驻极方法工艺不同，所形成的驻极体的性质亦大不相同。驻极体过滤材料要求材料的储存电荷密度大，其电荷密度的储存寿命长及储存电荷稳定性强等。而储存电荷的稳定性主要取决于材料性质、充电方法、电荷分布状态、储存的环境条件等。就静电驻极体方法进行对比，从表1中可得，电晕放电法是目前最佳的静电驻极方法；热极化法在环境相对稳定时也是一种较好的静电驻极方法；摩擦起电法要在试验中进一步完善；低能电子束轰击法需要改进和简化静电驻极的工艺。



问题七、驻极体过滤材料与静电纺过滤材料对比

驻极体纤维材料是将传统熔喷或纺粘方法得到的纤维经过电晕处理或者摩擦起电等方法使纤维带上静电，驻极体纤维过滤材料相比于传统纤维有优点当然也有缺点，优点是在物理过滤原理的基础上增加了静电吸附灰尘，使滤材的初始过滤效率提高，同时由于带电纤维间静电排斥，空隙增大，从而导致降低能耗。缺点在于静电会随着时间的延长而逐渐消失，尤其是在高温高湿条件下以及吸附某些灰尘后，静电会快速消失，导致过滤效率下降，甚至会释放部分已经吸附的灰尘。静电纺丝得到的纳米纤维则不存在效率下降的问题，它是纯粹的物理过滤原理，包括碰撞、拦截、扩散等过程起过滤作用，通常会随着吸附灰尘的增多，吸附效率有所提高。

同时随着过滤材料应用的场所和条件的不同，对过滤材料的各方面性能要求变得越来越高，一般的空气过滤材料不具有耐高温、耐酸碱、阻燃等性能，这极大地限制了过滤材料的应用领域。相比于传统的滤材, 静电纺丝法制备的纳米纤维在过滤领域具有不可比拟的优势。由于静电纺丝纤维膜具备的特殊性质, 能够过滤1um 及以下的颗粒, 拓宽了过滤的应用范围。通过物理及化学方法, 如交联、接枝改性、复合、表面涂覆等, 改变电纺膜的力学、表面形态和表面亲水性, 使电纺纤维功能化、特异化, 实现电纺纤维在过滤上的功能化应用。

目前既能很好地满足空气过滤要求又符合我国经济技术条件的驻极方法是熔喷电晕放电法，但静电纺丝法则是在过滤材料领域最有前途的方法。而驻极体过滤与静电纺过滤谁会占领未来的过滤市场还有待漫长的时间去检验.

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