呼吸道防護(hù)基礎(chǔ)理論及非織造布的生產(chǎn)技術(shù)

1從日?；顒?dòng)到污染活動(dòng)的污染從古代到今天，污染嚴(yán)重影響了人類的健康，伴隨著人類文明的進(jìn)程?，F(xiàn)在污染來(lái)自我們的日?；顒?dòng)。很多個(gè)世紀(jì)以來(lái),礦工都使用特殊的服裝來(lái)覆蓋他們的鼻子和嘴以保護(hù)他們的呼吸道系統(tǒng)人們對(duì)于使用紡織品來(lái)進(jìn)行呼吸道保護(hù)的過(guò)濾機(jī)理也從一開(kāi)始的模糊不清逐漸形成了科學(xué)系統(tǒng)的解釋,其中阿爾布雷其特2分散介質(zhì)過(guò)濾“過(guò)濾”可以被形容為顆粒在開(kāi)孔物質(zhì)中以分散的方式進(jìn)行沉積的過(guò)程,被過(guò)濾的物質(zhì)可以是固體或液體,分散介質(zhì)可以是氣體(大多數(shù)是空氣)或液體。在需要進(jìn)行呼吸道防護(hù)的情況下,我們面臨的最為主要的問(wèn)題是凝膠過(guò)濾,主要是由于在這種過(guò)濾情況下固體物質(zhì)或液體顆粒會(huì)分散至空氣中去。在過(guò)濾過(guò)程中所使用的過(guò)濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)可以分為纖維束狀、顆粒狀和毛細(xì)管狀,以下章節(jié)所考慮的因素都與過(guò)濾材料的結(jié)構(gòu)有關(guān)。2.1關(guān)于流場(chǎng)的定義過(guò)濾理論可以通過(guò)將一個(gè)圓柱體垂直位于一股凝膠流中進(jìn)行闡釋,我們通過(guò)這種方法可以確定不同尺寸顆粒在圓柱體上的過(guò)濾效果,其中確定圓柱體周圍的速度場(chǎng)是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。我們通常采用流體函數(shù)Ψ來(lái)描述二維狀態(tài)下穩(wěn)定流體的行為。根據(jù)1993年布朗(Brown)的定義,流體函數(shù)Ψ的值可以在流體上取任意兩點(diǎn)被定義,或者取當(dāng)Ψ=0時(shí)的任意另一點(diǎn)進(jìn)行定義。將Ψ取常數(shù)值時(shí)的兩點(diǎn)結(jié)合起來(lái),我們便可以獲得一條流線體,且無(wú)橫向的流體與其交織交錯(cuò)。從一條流線體的描述中,我們可以知道流體的形狀、流體的方向以及流體的速度。如果兩股流線體非?？拷鼊t意味著流體速度很快,如圖1所示。流場(chǎng)中任意一點(diǎn)的速度向量都與這一點(diǎn)的流線體相切。流體速度與流線體函數(shù)可以在如下苗卡爾坐標(biāo)系中表示:實(shí)驗(yàn)表明纖維附件的流線體的形狀取決于雷諾值(Reynold’snumber)對(duì)公式(2)進(jìn)行分析后我們可以看出雷諾值取決于流體的性質(zhì)、過(guò)濾材料的結(jié)構(gòu),主要受障礙物直徑的影響。一些雷諾值的計(jì)算案例羅列詳見(jiàn)表1,其中空氣的密度設(shè)定為大約1.20kg/m針對(duì)不同的過(guò)濾結(jié)構(gòu),文獻(xiàn)中通常會(huì)出現(xiàn)不同的公式以定義流線函數(shù)Ψ1959年,卡瓦巴(Kuwabara)也對(duì)那維爾·斯多克斯(Navier-Stokes)公式進(jìn)行了修正以求解流體流過(guò)一排平行排列的圓柱體時(shí)所具有的邊界條件。2.2單纖維過(guò)濾機(jī)理單纖維是過(guò)濾用纖維束材料的基礎(chǔ)單元,在呼吸道防護(hù)中我們通常將纖維束疊層排列制成最終產(chǎn)品?；谶@個(gè)原因,對(duì)過(guò)濾機(jī)理的解釋應(yīng)該從對(duì)單纖維上物質(zhì)的分散相開(kāi)始。當(dāng)纖維位于流體中且垂直于液體的流動(dòng)方向時(shí),單纖維的過(guò)濾效率可定義為所有被隔離物質(zhì)的橫截面占流體介質(zhì)的橫截面的比值過(guò)濾的效率可以表達(dá)如下:當(dāng)纖維遠(yuǎn)離這股流體,其流體函數(shù)可定義為y=vy,公式(4)則調(diào)整為:厚度為h的過(guò)濾材料中細(xì)分顆粒的沉淀值為:過(guò)濾的效率可以表達(dá)如下:2.3單纖維細(xì)胞菌件的機(jī)械捕獲過(guò)濾現(xiàn)象是在空氣中傳播的顆粒機(jī)械和電子的作用下共同產(chǎn)生的,機(jī)械捕獲并不受空氣中顆粒和過(guò)濾纖維的吸引力的影響。1993年布朗(Brown)(1)空氣顆粒的重力根據(jù)布朗(Brown)1993年所提出的理論,對(duì)顆粒直接的攔截發(fā)生在空氣中傳播的顆?；蛱幱趹T性運(yùn)動(dòng)的作用下或處于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的作用下,這些顆粒不受任何外部作用力的影響,包括重力的作用。(2)顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律任何流體的聚合、分散或彎曲都會(huì)引起空氣加速度,鑒于此,如圖2所示,顆粒將不能沿著氣流的軌跡運(yùn)動(dòng)。顆粒所遵循的運(yùn)動(dòng)曲線是由其質(zhì)量和慣性決定的,符合斯多克斯(Stokes’)氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。1969年斯捷奇娜(Stechkina)等人采用卡瓦巴(Kuwabara)理論描述了單纖維在直接攔截和慣性作用下的過(guò)濾效率(3)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)根據(jù)1905年愛(ài)因斯坦(Einstein)(4)重力作用斯克科娜(5)非織造過(guò)濾材料的分類纖維束過(guò)濾材料和凝聚顆粒通常都會(huì)攜帶特殊的電荷,這種電荷會(huì)增加過(guò)濾的效率?？茖W(xué)家們根據(jù)靜電力的作用發(fā)明了許多方法來(lái)決定顆粒的捕獲機(jī)理當(dāng)纖維上分散介質(zhì)顆粒產(chǎn)生靜電沉積時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種非常顯著的現(xiàn)象:第一種現(xiàn)象發(fā)生在帶有靜電的顆粒和纖維之間,在這種情況下,單纖維的過(guò)濾效率是由布朗(Brown,1993)定律決定的,第二種現(xiàn)象發(fā)生在當(dāng)纖維所產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)對(duì)不帶有電荷的顆粒產(chǎn)生影響,在這種情況下,顆粒材料會(huì)被電場(chǎng)極化。由電極化力對(duì)顆粒的捕獲效率也可以通過(guò)布朗以下的3個(gè)參數(shù)對(duì)材料的過(guò)濾效率起到了重要的影響:1)過(guò)濾材料的厚度、纖維的直徑、過(guò)濾材料的多孔性及纖維所攜帶的電荷量;2)顆粒的直徑、顆粒所攜帶的電荷量及顆粒的介電常數(shù);3)氣流的速度、溫度及空氣的黏度。非織造布是用于過(guò)濾固體和液體凝膠雜質(zhì)的基礎(chǔ)材料,它能滿足呼吸道防護(hù)的要求主要是由于其較小的氣流阻力和較大的灰塵吸附能力所產(chǎn)生的高過(guò)濾效率。非織造布的生產(chǎn)技術(shù)工藝和過(guò)濾現(xiàn)象有關(guān)的理論知識(shí)是成功設(shè)計(jì)過(guò)濾系統(tǒng)的必要基礎(chǔ)。3.1非織造過(guò)濾材料的分類在氣溶膠過(guò)濾的裝備中,非織造布是基材。非織造布可以通過(guò)不同的工藝獲取,但以原材料來(lái)進(jìn)行劃分是對(duì)非織造布分類的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn),非織造布可以分為纖維類和聚合物類。詳細(xì)的有關(guān)非織造布的生產(chǎn)技術(shù)細(xì)分如圖3所示。根據(jù)過(guò)濾類型的不同,為了滿足特定的功能,多層非織造布的設(shè)計(jì)也各不相同。以下是在過(guò)濾材料中最為常用的非織造布的種類:(1)針刺非織造布,起初這種類型的非織造布被用來(lái)吸收較為粗大的凝膠顆粒雜質(zhì),通常應(yīng)用于過(guò)濾器和半遮蓋面部的面罩中;(2)熔噴非織造布,主要作為過(guò)濾裝置的基礎(chǔ)層被使用;(3)類紙質(zhì)的非織造布,通常被折疊后作為基礎(chǔ)層和連接接頭固裝在一起;(4)紡粘非織造布,通常作為過(guò)濾材料的外層被使用,以保護(hù)內(nèi)層過(guò)濾材料不受到機(jī)械破壞。如果從呼吸道過(guò)濾裝置的總體設(shè)計(jì)來(lái)考慮,其分類如下:(1)全覆蓋面部的過(guò)濾裝置(面罩、半面罩、1/4面罩、帶有過(guò)濾嘴的面罩);(2)半覆蓋面部的過(guò)濾裝置。如果從過(guò)濾器本身的設(shè)計(jì)來(lái)考慮,其分類如下:(1)平面狀的過(guò)濾器:是指將非織造布疊層后,邊緣通過(guò)焊接技術(shù)固裝;(2)封裝的過(guò)濾器:是指將疊層后的非織造布封裝在一個(gè)開(kāi)口的容器中,允許氣流的通過(guò);(3)同連接頭整體封裝的過(guò)濾器:是指將起褶的非織造布封裝在一個(gè)盒子中,一側(cè)具有出口,另一側(cè)具有連接頭。理論已經(jīng)證明,如果在非織造布內(nèi)部產(chǎn)生靜電場(chǎng),纖維將大量吸附灰塵雜質(zhì)。根據(jù)這一理論,非織造布可以進(jìn)行額外的改良以提高其過(guò)濾效果,根據(jù)其積聚電荷的能力,纖維狀的靜電材料可分為3類:(1)成網(wǎng)后材料通過(guò)電暈放電積聚電荷;(2)材料在靜電場(chǎng)中紡紗時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)作用積聚電荷;(3)材料通過(guò)摩擦起電積聚電荷。3.2用于非織布生產(chǎn)技術(shù)的非竹布保護(hù)(1)影響過(guò)濾效率的因素針刺非織造布是通過(guò)梳理機(jī)首先成網(wǎng),然后通過(guò)鉤針穿刺進(jìn)行加固。針刺可以將纖維緊密交織在一起、壓縮作用會(huì)增加纖維間的摩擦力。理論研究表明:纖維厚度、纖維密度、過(guò)濾網(wǎng)的厚度以及纖維的混合成分將直接影響其過(guò)濾效率,這些因素也是導(dǎo)致摩擦起電后電荷積聚現(xiàn)象的必要成因?？唆斔箍?2)功能單元的技術(shù)參數(shù)熔噴非織造布是濾材的基材之一,熔噴技術(shù)是通過(guò)氣流將纖維噴射在條帶上,然后經(jīng)過(guò)冷卻、沉積成網(wǎng),所形成的非織造布由極細(xì)、非連續(xù)的纖維構(gòu)成。熔噴非織造布的性能與它的技術(shù)參數(shù)緊密相關(guān),而這些技術(shù)參數(shù)是由在生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)功能單元的技術(shù)參數(shù)來(lái)決定的同針刺非織造布相類似,我們也可以通過(guò)在凝膠顆粒和非織造布之間引入靜電荷來(lái)增加熔噴非織造布的過(guò)濾效率,常用的方法是涂覆駐電極膜靜電荷誘導(dǎo)是過(guò)濾技術(shù)中所采用的一種方法誘導(dǎo)包括將導(dǎo)電材料置于靜電場(chǎng)中,使其積聚電荷。在靜電荷擠壓過(guò)程中,通過(guò)導(dǎo)電溶液或通電熔融產(chǎn)生的超細(xì)纖維便屬于這一大類。通過(guò)靜電紡技術(shù)獲得的納米纖維便是將聚合物溶劑滴入外電場(chǎng)中獲得的,這種方法可以制備截面尺寸為納米級(jí)別的纖維,因而,這項(xiàng)技術(shù)被重視并得以快速發(fā)展2000年,美國(guó)多納森(Donaldson)公司制備出納米纖維膜,用于灰塵的過(guò)濾。通過(guò)靜電紡技術(shù)我們也可以制備多層濾材。有關(guān)通過(guò)熔噴技術(shù)、紡粘技術(shù)和靜電紡技術(shù)制備濾材的信息可參考相關(guān)文獻(xiàn)4凝膠防護(hù)性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)正在歐洲執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為EN143-2000和EN149-2001,且這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)主要涉及凝膠顆粒滲透防護(hù)濾材和半遮蓋過(guò)濾面罩。這些標(biāo)準(zhǔn)都是較寬泛的文件,對(duì)整套測(cè)試方法進(jìn)行了描述,其中以下所提到的這些方法比較重要,對(duì)凝膠顆粒的防護(hù)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià):(1)測(cè)試凝膠顆粒滲透性的評(píng)價(jià)方法;(3)空氣阻力的評(píng)價(jià)方法;(4)灰塵吸附性能的評(píng)價(jià)方法。濾材可以通過(guò)其過(guò)濾效果進(jìn)行分類,但半遮蓋式的過(guò)濾面罩還需要添加其總滲漏量指標(biāo)進(jìn)行分類,如果有其他的需求,其余的參數(shù)還可以被