熔噴聚丙烯駐極體空氣過濾材料對不同氣溶膠的過濾性能研究

1非駐極體空氣過濾材料眾所周知，低粘度和高可接近的空氣過濾材料具有特殊的靜電作用，表現(xiàn)出低流動強度和高效率的優(yōu)點，尤其是對0.05.3m大小的顆粒有很強的捕獲能力。熔噴聚丙烯駐極體空氣過濾材料的另一個特點是其最易透過粒徑(mostpenetratingparticlesize,MPPS)與傳統(tǒng)的非駐極體空氣過濾材料不同。根據傳統(tǒng)過濾機理,非駐極體空氣過濾材料的MPPS值大約在0.3μm左右,但Eninger為了更全面了解氣溶膠性質對駐極體空氣過濾材料過濾性能的影響,本文以熔噴聚丙烯駐極體空氣過濾材料為研究對象,測定了其暴露在離子型氣溶膠(KCl)和極性非離子型氣溶膠DEHS(diethylhexylsebacate,二乙基己醇癸二酸酯)兩種不同氣溶膠氣氛下的過濾特性,比較了氣溶膠粒子粒徑、荷電特性及流動速率對過濾性能的影響規(guī)律,分析了慣性效應、擴散效應和靜電效應對氣溶膠捕獲能力的貢獻,并據此進一步推斷出不同性質氣溶膠的過濾機理。2氣溶膠及濃度測量本文所用熔噴聚丙烯駐極體空氣過濾材料來自浙江朝暉過濾技術股份有限公司。駐極態(tài)的獲得采用線對面電暈充電的方法。過濾效率測試在自行設計的試驗臺上進行,其流程如圖1所示。該試驗臺針對不同性質的氣溶膠采用不同的氣溶膠發(fā)生器,并采用相同的空氣稀釋器。氣溶膠的荷電特性采用Kr-85型靜電中和器控制(Model3054,TSIInc.,USA)。離子型氣溶膠粒徑分布采用撞擊器控制。氣溶膠流動速率通過變頻器控制抽風機風量進而控制管道中氣溶膠流量的大小來實現(xiàn)。除非特別指出,氣溶膠流動速率為5.3cm/s,粒徑分布測量采用WPS寬范圍顆粒粒徑譜儀(1000XP,MSPCorp.,USA),測量的氣溶膠粒徑范圍為10~1000nm。氣溶膠濃度采用激光粒子計數器測量。當實驗氣溶膠上下游濃度分別為C3結果和討論3.1過濾性能與比為了研究熔噴聚丙烯駐極體空氣過濾材料對不同性質氣溶膠粒子的捕獲特性,測定了氣溶膠為DEHS和KCl時不同單位質量的樣品(20、40和60g/m由圖2和3可見,對兩種氣溶膠其過濾效率變化趨勢相同,即隨著樣品單位質量的增加,過濾效率增加;隨著粒徑的增大,過濾效率上升。但通過比較圖2和3還可以看出如下兩點明顯的差異:(1)過濾性能不同。單位質量20g/m為了進一步考察上述兩種不同性質實驗氣溶膠對過濾性能的影響,測試了單位質量40g/m3.2實驗氣溶膠中和器的作用為了考察實驗氣溶膠荷電特性對過濾效率測定結果的影響,表1列出了KCl和DEHS用作實驗氣溶膠時,加中和器和不加中和器時過濾效率的差異。眾所周知,氣溶膠粒子在產生過程中會隨機帶有不同的電荷,引起氣溶膠顆粒的團聚,難以獲得具有一定粒徑分布的實驗氣溶膠。氣溶膠中和器的作用是利用放射源所產生的β粒子與氣溶膠中帶電粒子發(fā)生碰撞,使氣溶膠粒子粒徑符合波茲曼分布。結果表明,KCl用作實驗氣溶膠時,不加中和器時的過濾效率大于加中和器,而DEHS用作實驗氣溶膠時,結果則剛好相反。顯然,這一結果與KCl和DEHS的荷電特性有關。前已指出,KCl粒子是離子型化合物,不加中和器時,離子間的相互作用易使離子聚集,大粒徑顆粒濃度高;加了中和器后小粒徑粒子濃度增加進而使過濾效率測定值降低。DEHS是極性非離子型化合物,在中和器的作用下,氣溶膠粒子荷電量增加,與駐極體靜電場之間的庫侖相互作用增強,更易被駐極體空氣過濾材料捕獲,因而加中和器時的過濾效率大于不加中和器。3.3采用極體激勵法對過濾性能的影響為了論證熔噴聚丙烯駐極體空氣過濾材料駐極體電場對過濾行為的影響,測試了相同熔噴工藝條件下生產的單位質量為20g/m3.4氣溶膠粒子流動速率氣溶膠DEHS在不同流動速率(5.3、10及15cm/s)下熔噴聚丙烯駐極體空氣過濾材料的過濾效率與粒子粒徑的關系如圖4所示。從圖4可以看出,隨著流動速率的增加,過濾效率下降。流動速率為5.3cm/s時,過濾效率最高,10cm/s次之,而流動速率為15cm/s時過濾效率最低。其原因與氣溶膠粒子在空氣過濾材料中的滯留時間有關。流動速率越慢,滯留時間越長,粒子就有更多的機會撞擊纖維,因此過濾效率就更高。由圖4還可看出,不管流動速率是快還是慢,最易透過粒徑(MPPS)值都在0.08μm附近,小于經典過濾理論0.3μm,而且流動速率越快,MPPS現(xiàn)象越明顯。在經典單纖維過濾理論中,最易透過粒徑現(xiàn)象的產生是由于小粒徑粒子的擴散效應引起的3.5dehs和kcl氣溶膠的相互作用眾所周知,氣溶膠的過濾機理有慣性效應、擴散效應、重力效應、攔截效應和靜電效應等。重力效應、攔截效應主要針對大粒徑氣溶膠,本文所涉及的粒子粒徑<0.5μm,重力和攔截效應可忽略,因此,過濾效率可表示為:其中,f將圖5與2所示的DEHS為實驗氣溶膠時粒徑與過濾效率的關系進行比較可看出,兩者的變化趨勢相似。隨著氣溶膠粒子粒徑的減小,過濾效率降低,并出現(xiàn)MPPS現(xiàn)象。主要差別在于MPPS值不同,圖5在0.3μm附近,而圖2在0.08μm處。前面分析已經指出,MPPS值的減小是由于靜電效應所致。當實驗氣溶膠為DEHS時,過濾機理中慣性效應、擴散效應和靜電效應同時存在,以慣性效應、擴散效應為主,而靜電效應則起輔助作用。圖3的實驗氣溶膠為KCl,在粒徑測試范圍內未出現(xiàn)MPPS現(xiàn)象,而且大粒徑和小粒徑的過濾效率變化不大,這說明此時過濾機理中靜電效應大于慣性效應和擴散效應,靜電效應成為主要的過濾機理。DEHS和KCl氣溶膠之間的這種差別,可從兩者性質的不同得到解釋。KCl是離子型化合物,其氣溶膠粒子可用如圖6所示的膠團結構來描述。由圖6可見,無論粒子大小如何,氣溶膠粒子都是荷電的。因此,氣溶膠與駐極體纖維之間始終存在著強烈的靜電相互作用,因此過濾機理以靜電效應為主。而DEHS是極性非離子型化合物,溶膠分子團聚成溶膠粒子時,由于分子間的庫侖作用,溶膠粒子通常是電中性的。當與駐極體空氣過濾材料接觸時,在駐極體靜電場的作用下,溶膠粒子因極化而帶電。粒子隨粒徑的減小表面能增加,就更容易荷電。因此,駐極體過濾材料對DEHS小粒徑顆粒的過濾效率其提高幅度大于大粒徑,其過濾機理中慣性效應、擴散效應和靜電效應同時存在。4駐極體空氣過濾材料過濾機理熔噴聚丙烯駐極體空氣過濾材料對不同氣溶膠粒子捕獲能力差別較大,對離子型氣溶膠KCl的捕獲能力明顯優(yōu)于極性非離子型氣溶膠DEHS。其原因與駐極體空氣過濾材料所具有的特殊過濾機理有關。KCl用作實驗氣溶膠時,過濾機理以靜電效應為主