一种熔喷聚丙烯驻极体过滤材料的制备方法 技术领域 本发明涉及一种熔喷聚丙烯驻极体过滤材料的制备方法， 属于净化工程和空气过 滤领域， 具体包括熔喷聚丙烯原料的改性、 熔喷生产工艺过程控制及驻极体形成工艺控制。
技术背景 普通的空气过滤材料一般都仅仅依赖于机械阻挡作用， 即通过惯性沉积、 重力沉 积、 扩散效应等机理， 对气体中流动粉尘进行拦截作用， 以达到过滤目的。
驻极体是指具有长期储存电荷能力的介电材料。与传统的过滤材料相比， 驻极体 空气过滤材料具有独特的滤尘机理。驻极体滤材采用的是被极化了的驻极体纤维， 纤维上 存在着与气流方向垂直的静电场 ( 通常具有几百伏的电压 )， 在纤维的间隙之间形成了无 数个无源集尘电极。 当气流中的带电微粒、 尤其是亚微米级粒子 ( 往往是带电的 ) 通过这些 空隙时， 就在电场力的作用下被捕获。 气流中的中性微粒因感应或极化而成为偶极子， 从而 也可有效地被捕获。由于电场力是长程力， 滤材空隙的几何尺寸可以比普通纤维或多孔材 料的几何尺寸大得多， 使过滤器的压差比传统的过滤器降低约 2-4 倍， 明显地减少了流阻， 可大大地节省能源 ； 另外细菌和病毒具有天然的驻极态 ( 带负电 )， 通常依附于粉尘上， 而 驻极体电场对常见的细菌和病毒有明显的抑制和杀灭作用。 正是由于驻极体过滤器所具有 的低流阻、 高效率、 除尘灭菌多功能及对亚微米级粒子突出的捕获能力， 使其在医疗设施洁 净、 制药工业和生物制品洁净、 高新科技产业洁净及旅馆酒店、 家庭和公共场所洁净等方面 的应用上显示出了独特的优势， 驻极体技术已成为新一代高效空气过滤材料开发中的主导 技术， 其应用前景不可估量。
聚丙烯熔喷非织造布由于具有纤维超细， 比表面积大， 孔隙率高， 高效的深层过滤 性能， 低空气阻力以及良好的加工性能， 被认为是目前最为理想的过滤材料。 尤其是通过一 定的物理化学方法形成具有稳定电场的驻极体后， 效率可提高 30％～ 40％。然而， 由于工 艺技术的问题， 聚丙烯熔喷非织造布过滤材料在产品的均匀性和驻极体电场的稳定性等方 面还不能达到实用的要求， 过滤材料的品种单一， 其应用仍受到限制。
发明内容 本发明所要解决的技术问题是提供一种熔喷聚丙烯驻极体过滤材料的制备方法， 具体地是提供一种熔喷聚丙烯原料的改性、 熔喷生产工艺过程及驻极体形成工艺过程的控 制方法。
本发明的技术方案 ： 一种熔喷聚丙烯驻极体过滤材料的制备方法包括如下步骤 ：
1)、 聚丙烯改性 ： 在原料聚丙烯粒子中， 添加 1 ～ 5Wt％的改性助剂， 控制混合物的 熔融指数 800 ～ 1500， 制得改性聚丙烯 ； 所述的改性助剂为改性松香、 硬脂酸盐、 乙撑双硬 脂酰胺任意一种或两种以上的混合。
2)、 熔喷制备工艺 ：
a)、 选择孔径直径为 0.1 ～ 0.4 微米， 长径比为 10 ～ 17 的喷丝板， 在熔融状态下，
将改性聚丙烯熔体用计量泵喂入喷丝板 ；
b)、 将挤出机的温度控制在 200 ～ 260℃， 喷丝板的温度都控制在 230 ～ 290℃， 计 量泵的频率控制在 20 ～ 30Hz， 再将所述的改性聚丙烯熔体从喷丝孔挤出。
c)、 用高速热空气将挤出喷丝孔的熔体吹成超细的纤维， 使其飞向凝网帘而冷却 粘合形成纤网 ； 所述的高速热空气温度为 200 ～ 370℃， 空气速率为马赫数 0.5 ～ 0.8 ；
3)、 驻极体制备工艺 ：
将步骤 (2) 得到的纤网通过电晕放电装置的电极， 电极放电使纤网驻极， 即得熔 喷聚丙烯驻极体过滤材料。
优选地， 所述的电极采用双电源双极性电晕放电装置， 驻极电压正极选择 20 ～ 50KV， 负极电压选择 -10 ～ -30KV， 驻极距离为 5 ～ 20cm。
优选地， 所述的电晕放电装置的电极选用弦丝 - 滚筒式线状电极。
优选地， 步骤 3) 驻极体制备工艺中 ： 先对纤网施加一次正向电场， 再施加一次反 向电场， 最后施加一次正向电场。 这种驻极方法可大大增大驻极体的深层电荷数， 降低表面 电压一半左右。
优选地， 所述的弦丝 - 滚筒式的线状电极弦丝的数目为 3 ～ 5 根， 相邻弦丝的间距 为 8cm。这样加大了驻极面积， 提高了驻极效果。
优选地， 所述的添加剂为改性松香、 硬脂酸盐、 乙撑双硬脂酰胺的混合， 其用量为 3Wt％。
优选地， 所述的高速热空气温度为 300℃， 空气速率为马赫数 0.7。
本发明的有益效果在于 ：
1、 极高的驻极体电荷稳定性
聚丙烯具有突出的疏水性、 热稳定性和在较高温度下的电荷储存能力。本发明制 备的聚丙烯在 80℃以下的高温及 95％以下的高湿环境中可长期工作， 即使将纤维瞬时地 浸入水或酒精中也不会产生明显的放电现象。本发明的产品在大气环境下跟踪测试 180 天， 过滤效率几乎没有衰减。80℃恒温 24 小时过滤效率下降值小于 3％ ； 高温加速衰减试 验表明 ： 快速衰减温度大于 120℃。明显优于国内同类产品。其更多应用性能可见文献 ：
2、 卓越的过滤效率
它不但通过拦截、 惯性、 扩散等作用来捕获粉尘粒子， 而且利用静电效应捕获粉尘 粒子。该材料纤维是被极化了的驻极体纤维， 在与气流垂直的方向上存在着高达几百至上 千伏电压的静电场， 在纤维材料的孔隙间形成了无数个无源集尘电极。当气流中的带电微 粒尤其是亚微米级粒子 ( 往往是带电的 ) 通过这些孔隙时， 就在电场力的作用下被捕获。 气 流中的中性微粒因感应或极化而成为偶极子， 从而也可有效地被捕获。由于电场力是长程 力， 其过滤效率可以达到 99.97％。 在同样的过滤效率时， 滤材空隙的几何尺寸大， 使过滤器 的压差比同等效率的过滤器降低 3-5 倍， 明显地减少了流阻， 可大大地节省能源 ； 另外细菌 和病毒具有天然的驻极态 ( 带负电 )， 通常依附于粉尘上。 驻极体对常见的细菌和病毒有抑 制和杀灭作用。其灭菌主要机理为 ： 由驻极体产生的强静电场和微电流刺激细菌使蛋白质 变异， 损伤细菌的细胞质及细胞膜， 破坏细菌的表面结构， 导致细菌死亡。 与此同时， 驻极体 形成的强电场还对各类细菌具有明显的抑制其繁殖的功能。
3、 很低的压力损失压力损失与过滤效率一样也是衡量过滤器的特定参数之一， 好的过滤材料在使用 过程中的压差较小。 双丝径梯度熔喷驻极体高效过滤材料的纤维丝径介于中效和高效过滤 材料纤维丝径中间， 其压力损失只有玻璃纤维纸和聚四氟乙烯微孔膜的 1/5-1/3。 空气先经 过预过滤层， 将大粉尘粒子过滤掉 ； 再通过主过滤层， 将小粉尘粒子过滤掉， 从而延缓材料 压力损失的增加， 大大提高材料使用寿命。
本发明开发的产品与一般普通高效滤材效率和阻力的比较结果如下表 1。本发明 的产品在效率达到 99.98％的前提下， 过滤阻力 ( 压力损失 ) ≤ 90Pa。而目前广泛使用的 玻纤材料需 321Pa， 即使国际著名的 AAF 公司新开发的多孔 PTFE 产品也有 170Pa。在同样 过滤性能的前提下， 本发明产品可节能 60％以上， 达到了预期的高效、 低阻、 节能之目的。
表1：
( 过滤效率针对粒径大于 0.3μm 的粒子 )
这种材料在开始使用时， 压力损失比同等效率的滤料要小的多。因此在材料投入 运行后， 压力损失随使用时间的延长而增大很缓慢。 而同等效率的滤材随使用时间的延长， 被滤料捕捉的粉尘越来越多时， 其微孔很快堵死， 压力损失越来越大。
4、 使用寿命长
由于传统高效滤材靠细纤维堆积成的微孔而获得的高效率， 在使用中粉尘很容易 进入滤料内部， 且越积越多， 直到将微孔堵死、 板结， 滤料不能再使用。 该材料每平方米克重 在 20-100 克， 厚度在 0.150-0.500 毫米， 是三维立体结构， 空间大， 容尘量高， 从而提高了材 料的使用寿命。该材料可以与其它硬挺材料复合制成折叠过滤器， 大大增加过滤材料的面 积， 延长过滤器的使用寿命。
5、 最佳经济效益
(1) 具有很直观的经济效益。由于该材料过滤效率可达到 99.97％以上， 大大降低 降低了产品的损耗， 提高了经济效益。 了因超标排放带来的经济损失，
(2) 大大降低电能的消耗。该材料起始阻力小， 压力损失上升缓慢， 可用较小的风 机动力或提高处理风量， 即在低能耗下增加风量。
(3) 用该材料制备的过滤器寿命长， 为一般高效过滤器的 2 倍以上， 减少维修费 用， 降低劳动强度。
(4) 节约投资费用。由于该材料起始阻力小， 压力损失上升缓慢， 设计过滤风速可 以增大， 同等工况下可以减小过滤器的体积， 因而减少了过滤设备的投资费用。具体实施方式 ：
实施例 1一种熔喷聚丙烯驻极体过滤材料的制备方法， 包括如下步骤 ：
1)、 聚丙烯改性 ： 将原料聚丙烯熔融， 与 4Wt％添加剂混合， 控制熔融指数 1200， 制 得改性聚丙烯 ； 所述的添加剂为改性松香、 硬脂酸盐、 乙撑双硬脂酰胺混合。
2)、 熔喷制备工艺 ：
a)、 选择孔径直径为 0.3 微米， 长径比为 15 的喷丝板， 在熔融状态下， 将改性聚丙 烯熔体用计量泵喂入喷丝板 ；
b)、 将挤出机的温度控制在 220℃， 喷丝板的温度控制在 260℃， 计量泵的频率控 制在 25Hz， 再将所述的改性聚丙烯熔体从喷丝孔挤出。
c)、 用高速热空气将挤出喷丝孔的熔体吹成超细的纤维， 使其飞向凝网帘而冷却 粘合形成纤网 ； 所述的高速热空气温度为 270℃， 空气速率为马赫数 0.6 ；
3)、 驻极体制备工艺 ：
将步骤 (2) 得到的纤网通过双电源双极性电晕放电装置， 弦丝 - 滚筒式线状电极 放电使纤网驻极， 即得驻极体。控制驻极电压正极选择 40KV， 负极电压选择 -20KV， 驻极距 离为 10cm。
实施例 2 一种熔喷聚丙烯驻极体过滤材料的制备方法， 包括如下步骤 ：
1)、 聚丙烯改性 ： 将原料聚丙烯熔融， 与 3Wt％添加剂混合， 控制熔融指数 1100， 制 得改性聚丙烯 ； 所述的添加剂为改性松香、 硬脂酸盐、 乙撑双硬脂酰胺混合。
2)、 熔喷制备工艺 ：
a)、 选择孔径直径为 0.2 微米， 长径比为 12 的喷丝板， 在熔融状态下， 将改性聚丙 烯熔体用计量泵喂入喷丝板 ；
b)、 将挤出机的温度控制在 230℃， 喷丝板的温度控制在 270℃， 计量泵的频率控 制在 25Hz， 再将所述的改性聚丙烯熔体从喷丝孔挤出。
c)、 用高速热空气将挤出喷丝孔的熔体吹成超细的纤维， 使其飞向凝网帘而冷却 粘合形成纤网 ； 所述的高速热空气温度为 270℃， 空气速率为马赫数 0.7 ；
3)、 驻极体制备工艺 ：
将步骤 (2) 得到的纤网通过双电源双极性电晕放电装置， 弦丝 - 滚筒式线状电极 放电使纤网驻极， 即得驻极体。其中， 控制驻极电压正极选择 45KV， 负极电压选择 -15KV， 驻 极距离为 15cm。
实施例 3
一种熔喷聚丙烯驻极体过滤材料的制备方法， 包括如下步骤 ：
1)、 聚丙烯改性 ： 将原料聚丙烯熔融， 与 4.5Wt％添加剂混合， 控制熔融指数 1300， 制得改性聚丙烯 ； 所述的添加剂为改性松香、 硬脂酸盐、 乙撑双硬脂酰胺混合。
2)、 熔喷制备工艺 ：
a)、 选择孔径直径为 0.2 微米， 长径比为 16 的喷丝板， 在熔融状态下， 将改性聚丙 烯熔体用计量泵喂入喷丝板 ；
b)、 将挤出机的温度控制在 210℃， 喷丝板的温度都控制在 250℃， 计量泵的频率 控制在 25Hz， 再将所述的改性聚丙烯熔体从喷丝孔挤出。
c)、 用高速热空气将挤出喷丝孔的熔体吹成超细的纤维， 使其飞向凝网帘而冷却
粘合形成纤网 ； 所述的高速热空气温度为 350℃， 空气速率为马赫数 0.6 ；
3)、 驻极体制备工艺 ：
将步骤 (2) 得到的纤网通过弦丝 - 滚筒式线状电极， 电极放电使纤网驻极， 即得驻 极体。 其中所述的电极采用双电源双极性电晕放电装置， 控制驻极电压正极选择 35KV， 负极 电压选择 -25KV， 驻极距离为 12cm。
试验例
( 一 ) 产品性能检测结果
选取实施例 1、 实施例 2 和实施例 3 所制得的过滤材料进行性能测定。 结果列于下 表 2。
表2：
( 二 ) 材料性能稳定性
1、 过滤效率稳定性
实施例 1 制得的过滤材料在大气条件下存储 6 个月 (180 天 ) 过滤效率跟踪测试 结果参见表 3 所示。
表3可见， 在大气条件下存储时， 过滤效率基本没有衰减。
表 4 为产品在 80℃下老化 24 小时后过滤效率跟踪测试结果。 由表 4 可见， 在 80℃ 下老化过程中， 过滤效率下降最大的实施例 1 产品都不超过 3 个百分点， 实施例 3 产品几乎 没有衰减。由目前依据的国际标准， 通用试验温度为 70℃， 即在 70℃下老化 24 小时后过滤 效率下降值要求不低于 10％， 可见， 本发明的产品性能已远远高于国际标准。
表4： 80℃下耐老化试验结果
为了进一步检验材料的耐温性， 还进行了不同温度 (80℃～ 120℃ ) 下恒温半小时 的加速衰减试验， 结果如表 5 所示。由表可见， 温度在 110℃以前， 过滤效率衰减很少， 当温 度继续升高， 过滤效率衰减加快。这一结果与测量材料的驻极体电荷稳定性的热刺激放电 实验结果一致 ( 见表 5)。
表5： 不同温度下材料的耐老化试验结果
( 三 ) 材料性能分析 1、 聚丙烯改性对于产品耐水性的影响 将材料在水中浸泡 24 小时后自然晾干， 测定浸泡前后过滤效率值的变化， 结果如表 6 所示。由结果可看出， 改性聚丙烯得到的过滤材料耐水性能非常好， 水中浸泡 24 小时 后过滤效率基本没有下降。
表6
2、 驻极体电场对于过滤性能的影响
聚丙烯熔喷非织造布过滤效率与驻极体电场强度密切相关， 表 7 列举了同一批次 样品驻极和不驻极时过滤效率的测定值。 结果显示， 在其它因素相同的情况下， 驻极使材料 的过滤效率得到了大幅度地提高， 计数效率提高了近 70 个百分点， 油雾效率提高了近 50 个 百分点。另外， 驻极产品计数法与油雾法相比， 过滤效率高约 25 个百分点， 而非驻极产品相 差不到 10 个百分点。这一结果强烈地说明了聚丙烯熔喷非织造布的高过滤效率对材料所 带的驻极体电荷的依赖性。
表 7 驻极和未驻极产品效率对比
为了进一步验证材料驻极体电场对过滤效率的影响， 采用 EST201 非接触式真空 静电电位测量仪测试了 20 克重样品水浸泡前后的表面电位， 结果列于表 8。为消除因熔喷 非织造布表面的不平整性所造成的误差， 测量时每个样品各选取 16 个点， 然后取平均值。 由表中结果可看到， 水浸泡对材料的带电性影响很小。这也表明聚丙烯熔喷非织造布过滤 材料过滤效率与材料中驻极体电场密切相关。
表 8 浸泡前后材料样品表面电位值 (V)
溶剂 正面电位浸泡前 -96.20浸泡后 -91.6010101905101 A CN 101905103说反面电位 73.27明书67.208/8 页3、 驻极条件对材料过滤效率的影响
驻极电压的改变对材料过滤性能的影响结果列于表 9。由结果可看出， 材料的过 滤效率随着驻极电压的升高而增加， 整体呈现两种变化。在电压较低 (0 ～ 25kV) 和较高 段 (35 ～ 60kV)， 过滤效率的提高较少 ； 而在 25 ～ 35kV 范围， 过滤效率出现了一个飞跃， 从 25kV 时的 40％左右提高到 35kV 时的 82％， 增加了 42％。从结果还可看出， 驻极电压越高， 材料的过滤效率越好， 但电压过高， 系统越容易发生击穿， 因此， 驻极电压一般保持在 40 ～ 45kV 之间。
表 9 驻极电压对材料 (20g/m2) 过滤性能的影响
驻极电压 /V 过滤效率 (％ ) 驻极电压 /V 过滤效率 (％ )0 32.0 35 81.710 35.1 40 84.515 36.4 45 83.020 36.5 50 85.825 37.2 55 85.830 60.1 60 89.911