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驻极材料在除尘滤料的应用

摘要:随着社会经济的不断发展,空气环境问题也日益突出。空气过滤材料的应用是净化空气的重要手段。普通空气过滤材料对于细小微粒的去除不够彻底,而且过滤材料上容易滋生有害微生物,存在二次污染的可能。驻极体空气过滤材料为解决这一难题提供了可能。驻极体空气过滤材料具有高效、低阻、节能、抗菌等优点,是一类非常有应用前景的新型空气过滤材料。

关键词:驻极体,电荷,排放浓度,过滤精度。

作者:徐辉 刘江峰 周冠辰 计冉冉 杨东(元琛科技)

一、驻极体材料

驻极体材料被广泛应用于高效低阻空气过滤材料领域。驻极体空气过滤材料要求材料储存电荷的密度大、寿命长及稳定性高。用作驻极体的原材料需要优异的介电性能,如高体电阻和表面电阻、高介电击穿强度、低吸湿性和透气率等。驻极体材料可分为无机驻极体、有机驻极体和生物驻极体。

二、驻极工艺

空气过滤材料的静电驻极方法主要有电晕放电、摩擦起电、静电纺丝、热极化和低能电子束轰击。

Peter等研究了用电晕放电、摩擦起电及静电纺丝三种充电技术给不同聚合物类型的纤维或织物充电。其中聚丙烯熔喷和纺粘非织造布采用电晕放电方式施加电荷,聚丙烯和改性聚丙烯腈纤维混合织物利用纤维梳理过程摩擦静电充电,并且用静电纺丝方法纺出了聚氯化乙烯、聚碳酸酯和聚氨酯纤维。实验结果表明摩擦充电仅适合于具有不同电负性的纤维充电,两种电负性不同的纤维混合在一起,采用摩擦起电充电,其过滤材料的过滤效率比电晕放电处理的好,但电晕放电适用范围较广,且面密度大的织物充电效果要优于面密度小的织物。而静电纺丝优点在于它的电荷储存能力比其他两者强。

三.驻极滤料的性能

3.1对于滤料纤维的处理:

我们将矿物粉粒(常用的无机矿物有SiO2、氧化铝(A12O3)、氧化钛(TiO2)以及电气石等)加入到纤维中,将细微粉粒混入纺丝液共混进行纺丝(共混纺丝法、复合熔喷法)。

3.2PTFE后处理方面:

我们将矿物粉粒(常用的无机矿物有SiO2、氧化铝(A12O3)、氧化钛(TiO2)以及电气石等)加入到PTFE乳液中,并通过浸渍、涂层的方法加入到滤料表面或渗透到内部,然后通过电晕放电、摩擦起电、静电纺丝、热极化和低能电子束轰击等驻极工艺的处理,使得滤料表面具有储存电荷的能力,从而达到滤料具有静电吸附粉尘的能力。

3.3PTFE覆膜驻极处理:

首先,将聚丙烯薄膜和PTFE薄膜加热热压复合膜;其次,利用直流电晕放电使得共聚物薄膜驻极法;然后,将获得的膜驻极体在覆膜工艺粘附在滤料表面,形成覆膜滤料。同时,在覆膜工艺,为了增加其与滤料的粘合性能,我们使用粘合剂进行粘合处理。

为了使得膜具有较多的稳定电荷,在电晕放电之前,需对膜进行两次加热处理,以使得材料表面具有较大的电荷密度。

充电电压对PP、PTFE表面电位的影响

在用界面夹层极化对PP和PTFE膜极化时,为了更加充分的了解充电时传导电流与电荷积聚过程的关系以及充电温度和充电电压对传导电流的影响,对充电时流经材料体内的微电流进行了测量。测量装置如图3.1所示。试验时,先将样品加热到设定的温度,然后对样品施加充电电压。在输出电压时,高压电源可以同时采集回路中的微电流。在充电的同时,用示波器将电流信号输出。通过观测充电时传导电流的变化,可以分析充电过程中的电荷积聚过程,以及不同的充电电压和充电温度对传导电流的影响。

由图(3.2a)可以看出,如果PP一侧接正电极,PTFE一侧接负电极,当充电电压低于1kV时,两种薄膜经充电后的电位都很低。且PP膜带正电荷,PTFE膜带负电荷。当充电压高于2kV时,两种材料的表面都表现为正电位,且随着充电电压的升高而不断升高。但是PTFE膜的表面电位一直低于PP膜的表面电位。在PP一侧接负极,PTFE一侧接正极的情况下(3.2b),PP和PTFE表面都带有负电荷,且两种薄膜的表面点位都会随着充电电压的升高而升高。但是在这种充电条件下,PTFE膜的表面电位会一直高于PP膜的表面电位。

表面电位稳定性

表面电位的稳定性是衡量驻极体性能的重要指标之一。良好的表面电位稳定性可以反映出驻极体具有良好的电荷存储能力。由以上两节的结果可以看出,在界面夹层极化时,当充电电压为3kV、充电温度为150℃时,得到的PP和PTFE驻极体具有较高的表面电位。对这一充电条件下的PP和PTFE膜的表面电位进行跟踪测量,所得实验结果如图3.3所示。其中,a为PP膜一侧接正电极使得实验结果,b为PP膜一侧接负电极时的实验结果。

由以上结果可以看出,当PP和FEP驻极体膜的表面电位都为正极性时,在充电完成后的几个小时内,表面电位衰减较快,而后趋于稳定。并且,PP膜的表面电位一直高于FEP膜。当两种膜的表面电位都为负极性时,充电完成后,表面电位的衰减速度都比较慢,基本能够保持稳定。并且FEP膜的表面电位一直高于PP膜。

由以上分析可知,在充电电压为3kV,充电温度为150℃的充电条件下,界面夹层极化PP膜和FEP膜可以获得较高的表面电位,且具有良好的稳定性。这是因为,在3kV的高压下,材料内部具有较强的电场,促使电荷在材料的表面处聚积,从而产生较高的电荷密度。而150℃的高温也使得材料表面的陷阱捕获电荷的能力增强,并且促进了电荷由浅阱向深阱的移动。而深阱电荷不容易脱阱,所以使驻极体存储电荷的能力增强,稳定性提高。

实际过滤性能

实际过滤性能通过德国进口的TOPASAFC-133动态滤料测试仪进行测试。该设备通过模拟实际除尘工况,通过30次1000pa定压调试过程,10000次5秒定时喷吹的老化规程。在经过20次定压1000pa喷吹的稳定过程。最终在进行30次1000pa定压喷吹的测量过程。

驻极处理滤料30个周期的过滤时间为14143s,而普通处理滤料30个周期的过滤时间为13783s,在清灰周期方面驻极滤料为471.43s,非驻极滤料的清灰周其459.43s。通过以上数据可以看出,驻极滤料在清灰周期一定优势。

驻极处理滤料老化过程开始时初始阻力为200Pa,老化过程结束时残余阻力为360Pa。普通处理滤料老化过程开始时初始阻力为230Pa,老化过程结束时残余阻力为360Pa。残余阻力驻极滤料比普通滤料对粉尘的收集能力更强所以阻力上升幅度更大。

驻极处理滤料30个周期的过滤时间为11127s,30个周期的粉尘排放浓度为0.2909mg/m3,30个周期后过滤效率为99.4350%。普通滤料30个周期的过滤时间为11329s,30个周期的粉尘排放浓度为0.5229mg/m3,30个周期后过滤效率为99.0002%

通过以上实验参数对比,经过驻极处理的滤料。在过滤效率以及排放浓度优于普通滤料。所以在今后具有更广阔开发利用前景。

参考文献:

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