复合功能空气过滤材料的制备

复合功能空气过滤材料的制备

中国公共建筑中的微颗粒含量通常超过gb3045-2012年环境相对湿度标准规定的浓度限制要求。这些颗粒的过滤是解决这个问题的有效方法，由具有抗衰减性能的高效低阻检测器、寿命长纤维过滤材料和灰烬过滤材料制成。目前,国内舒适性空调采用的过滤材料存在着过滤效率低、过滤阻力高以及使用寿命短等问题。因此,研究国内舒适性空调常用的针刺和熔喷非织造过滤材料的性能,在发挥其自身过滤机理的基础上,开发附加或强化某种过滤机理的复合功能过滤材料就显得尤为重要本文参照国际和国家相关标准,建立过滤材料性能的测试系统,通过对熔喷和针刺非织造过滤材料的面密度、过滤效率、过滤阻力、容尘量以及纤维线密度等指标进行测试与分析,阐述了不同过滤材料的结构特点和过滤性能1气溶胶一体化过滤材料性能测试系统参照GB/T6165—2008《高效空气过滤器性能试验方法效率和阻力》、EN779∶2012《一般通风用空气微粒过滤器过滤性能的测定》、ANSI/ASHRAE52.1—1992《一般通风用空气净化装置试验方法》、ANSI/ASHRAE52.2—2007《一般通风用空气净化装置计径效率方法》和JG/T404—2013《空气过滤器用滤料》标准,建立过滤材料性能测试系统,见图1如图1所示,利用CABR-EMCSO-P015A型气溶胶发生器制备粒径和质量浓度不同的气溶胶。动力由无油真空泵提供,玻璃钢风道直径为80mm,采用阀门和转子流量计控制和调节风速,用TSI8530型气溶胶监测仪测试微细颗粒物质量浓度,用电子微压计测量过滤材料的过滤阻力,用电子天平测量过滤材料的质量以确定其容尘量。2过滤效率和过滤阻力参照舒适性空调过滤器的使用条件,过滤风速定为0.2m/s。以环境气溶胶中PM2.5为测试对象,采用图1所示系统对丙纶针刺过滤试样1由图2可见,针刺和熔喷过滤材料的过滤效率及过滤阻力均随面密度的增加而上升。针刺过滤材料的过滤阻力低于20Pa,过滤效率小于30%;熔喷过滤材料过滤阻力在80~120Pa,过滤效率在70%~90%。针刺过滤材料过滤阻力低,但其过滤效率也低,不能对环境空气中的PM2.5进行有效过滤;而熔喷过滤材料过滤效率高,但其过滤阻力也高,不能满足国家标准对空调系统高效节能的要求。为了提高过滤效率,对丙纶针刺过滤试样33材料的制备和性能采用电晕放电的方法使丙纶针刺过滤材料带上一定量的静电,以加强其静电捕集效应,达到过滤效率增加而过滤阻力不上升的效果。3.1驻极过滤材料的制备采用恒博高压电源厂生产的HB-F603-2AC型直流电源(-60~+60kV)和日本SIMCO公司生产的FMX-003型静电测试仪,在相对湿度为30%的环境下,利用电晕放电的方法对丙纶针刺过滤材料进行驻极处理,充电电压为10kV、时间为5min、距离为5cm。3.2滤料过滤阻力的影响利用图1所示的系统对驻极前后的针刺过滤材料的过滤效率、过滤阻力和容尘量进行测试,结果见表1。由表1可知,驻极后材料的过滤效率显著上升,容尘量也有所增加,但过滤阻力变化不大。可见,驻极使过滤材料的过滤性能得到明显改善。考虑到过滤初期,细微颗粒进入并停留在过滤材料内部,形成的粉尘层会对含尘空气形成深层过滤,这样就会增大过滤阻力;同时,随着过滤过程的进行,滤料中的空隙会被微细颗粒物堵塞,导致滤料容尘量变小,使用寿命变短。为了克服这些不足,首先尝试利用静电纺制成的微孔薄膜对驻极后的材料进行覆膜处理,以增加其表面的过滤效应,提高滤料的容尘量和使用寿命。4为静膜过滤材料的制备和性能4.1纤维复合膜的制备采用太仓凯尔达有限公司生产的粉磨级(120目)分析纯聚丙烯腈(PAN,分子量为150000)和天津市标准科技有限公司生产的分析纯二甲基甲酰胺(DMF,分子量为73.09)制备静电纺丝液。设备为大连鼎通科技有限公司生产的DT-1003型静电纺丝机和HJ-4A型恒温磁力加热搅拌器。将一定量的PAN粉末加入到DMF溶液中,使用磁力搅拌器,在40℃下制成PAN质量分数分别为9%、11%、13%的纺丝液。接收装置为放有驻极丙纶针刺过滤材料的圆盘(直径80mm),喷头末端电压15kV,接收距离15cm,注射泵注射速度1mL/h,环境温度(25±1)℃,相对湿度为(45±5)%。控制不同质量分数的PAN纺丝液喷射时间,以获得面密度相近的纤维膜。纤维膜的电镜照片见图3。通过图像处理软件ImageJ测得的纤维平均直径依次为:253、198、382nm。可见,PAN质量分数为11%时,纤维直径最小且最均匀。3种薄膜的面密度依次为5.9×104.2覆膜前后过滤性能和容尘量制备的静电纺覆膜复合过滤材料在不同风速下的过滤性能见表2。由表2可见,对比表1数据,覆膜后过滤材料的过滤效率和容尘量显著增加,过滤效率在96%以上,但同时其过滤阻力显著增加,不符合国家对舒适性空调用过滤材料高效低阻的要求。因此,本文又尝试利用PE/PP双组分纺粘膜对驻极后的丙纶针刺过滤材料进行覆膜处理。5由聚氟复合材料制成和性能5.1黏膜的复合处理利用大连华纶化纤工程有限公司生产的双组分纺粘系统制备PE/PP双组分纺粘膜(皮芯层复合比为50∶50),薄膜面密度10g/m在驻极丙纶针刺过滤材料上铺设纺粘膜。利用德国DILO公司的DI-LOOM型通用系列针刺设备进行复合处理。预刺针深11~12mm,针刺密度20刺/cm5.2过滤性能制备的针刺覆膜复合过滤材料在不同风速下的过滤性能见表3。由表3可见,针刺覆膜复合过滤材料在过滤风速低于0.17m/s时,过滤效率可达99%以上。过滤效率随风速增大而减小,但均高于覆膜前,且过滤阻力较覆膜前并没有明显变化;容尘量较未覆膜前显著提高。可见,针刺覆膜复合过滤材料能够满足舒适性空调系统对环境空气中微细颗粒物的过滤要求。6驻极过滤材料过滤效率(1)普通熔喷和针刺过滤材料不适用于对环境空气中的微细颗粒物进行过滤,不能满足国家标准对空调系统的过滤要求。(2)驻极处理可以显著提高丙纶针刺过滤