驻极体短纤维 (Electret Staple Fiber) 介绍
1. 前言
最近新冠肺炎 (Covid-19) 以及空气污染 PM2.5 的议题在各行各业里有着广泛的讨论，纺织行业里许多业者都提出了解决方案，比如口罩、空气过滤器等，透过静电吸附的原理来达到抗菌抗病毒、吸附灰尘之效果。当前比较成熟的技术是将驻极体添加于高分子中，以纺粘无纺布 (Spunbonded Nonwoven)、熔喷无纺布 (Meltblown)或 SMS (Spunbond + Meltblown + Spunbond Nonwovens )的工艺来制作过滤无纺布，但是在一些产品的应用场合上，上述三种工艺所制成的无纺布尚无法完全满足需求，因此诞生了以制作驻极体短纤维 (Electret Staple Fiber)的方法来满足终端应用的需要。本文将介绍浙江安顺化纤有限公司之新产品 - 易可净® (Ecoclean®)驻极短纤维系列产品。
2. 驻极体纤维概述
2.1 驻极体的定义
驻极体是一种自身带有电荷的电介质材料，且电荷近乎永久地存在于驻极体中。驻极体所储存之电荷可以是极性电介质中偶极子有序取向而形成之偶极电荷，也可以是由外部注入之单极性真实电荷(空间电荷)，或者上述两者电荷同时拥有 [1]。
2.2 驻极体纤维技术的分类
1976 年，学者 J. Van Tumhout 等人将聚丙烯 (Polypropylene, PP) 薄膜裁切成条状之聚丙烯纤维，随后作为非织造过滤材料体现出驻极性能之优越性 [2]，因此越来越多的行业先进及学者去研究驻极纤维及驻极无纺布。目前驻极工艺分为静电驻极与水驻极两种。
2.2.1 静电驻极工艺
在聚丙烯中添加电气石、二氧化硅、碳酸锆等无机材料，然后在纤维成布后，卷布前通过静电产生器针状电极电压 35-50 KV 一组或多组电晕放电的方对无纺布上产生电荷，施加高压时针尖下方的空气产生电晕电离，产生局部击穿放电，载流子通过电场的作用，而沉积到无纺布表面，一部分载流子会深入表层被驻极母粒的陷阱捕获，从而使无纺布成为驻极体过滤材料 [3]。
2.2.2 水驻极工艺
水驻极技术最早由美国3M公司开发，与传统静电驻极有明显的区别。无纺布经过水驻极设备，先经历一个水冷却，其纯水在经过一定的角度、压力、流速对无纺布进行一个喷刺，即靠水与布的摩擦产生静电，再有纤维中驻极体材料的传导传输，进入电气石或者锆石内达到静电驻留。此工艺之优势在于其注电过程，是一个高湿的环境中进行，在布上留下的静电亦是真正驻在布里的电，而布表面的电皆会被水带走。
在第二个过程中，对无纺布进行烘干锁电的过程，烘干过程用的是热风的流动，利用提高表面温度、加大表面空气流动来干燥，而这个过程中，面临一个高温、高湿、空气的流动，这个过程实际上就是除静电设备的一个工作原理，将不是驻在驻极纤维里面的电，将都被带走。第二个过程中又消除了一部分无纺布表面的电，也就是虚电。
在经历上述两个过程后，无纺布留下的是经过电气石粉或锆石缓慢释放出来的电，而不是布表面的虚电，这个时候检测的过滤效率，已经是类似老化后的效率，没有虚电。这种电由储存介质的物理化学性质决定，不会很快掉电 [4]。
3. 易可净® (Ecoclean®) 驻极短纤维系列产品
3.1 介绍
易可净® (Ecoclean®) 驻极短纤维为浙江安顺化纤有限公司于 2021 年开始研发，2022 年开始推广的新产品，并以驻极体 PP 短纤维、驻极体 PP/PET 短纤维、驻极体 PE/PP ES 纤维共三种纤维组份供客户选择，以期满足客户在各种不同应用场景下可选择适当的纤维来加工成产品。基本实现驻极体短纤维的方式为于纤维中添加驻极体介电材料，使纤维中永久带有电荷，此类产品非常适合应用于过滤材料。
3.2 原理
传统过滤器的材料由细小的纤维或是多孔材料构成，利用其比表面积大的原理，通过拦截、惯性、扩散等效益来捕捉粉尘粒子 [5]。易可净® (Ecoclean®)驻极短纤维则是在纤维中永久有电荷，即增强静电吸附，除原有的机械作用力外，还可依靠库伦 (Coulomb's Law)作用力直接吸引空气中之带电粒子或粉尘，甚至可以使不带电之粒子或粉尘产生电荷再将其吸附或捕捉，如此可以大大地增强短纤维制成之无纺布过滤吸附之效果。除此之外，易可净® (Ecoclean®)驻极短纤维的静电吸附作用同时还可以给无纺布带来一定的抗菌效果。有文献指出，如果驻极体纤维所储存之电荷为负电荷，可以起到抑制和灭菌的作用，驻极体纤维制成之过滤材料可同时拥有过滤效果与抑菌灭菌之功能 [6]。
过滤材料对空气中粒子或粉尘的捕集主要可分为惯性捕集、扩散捕集、筛分捕集、重力沉降捕集之四种方法 [7]。驻极体纤维是在上述四种机械捕集的基础上，利用驻极体形成的电场对粒子或粉尘进行静电吸附 [1]，如图 1 所示。
图1 易可净® (Ecoclean®)驻极短纤维对粒子吸附作用示意图
3.3 产品规格
可净® (Ecoclean®)驻极短纤维产品规格如表 1 所示。
表 1 易可净® (Ecoclean®) 驻极短纤维产品规格
| 产品种类 | 纤度 (D) | 长度 (mm) | 使用建议及终端应用 | |
|---|---|---|---|---|
| PP | 1.5、2.0 | 38、51 | 过滤材料 | |
| 双组份复合纤维 | PP/PET | |||
| PE/PP | ||||
3.4 产品性能
易可净® (Ecoclean®) 驻极短纤维在制成无纺布后，其 NaCl 捕集效率皆大于 70% (可满足部份空气过滤材料要求)，且 NaCl 捕集效率亦比进口之驻极体短纤维之 NaCl 捕集效率高。在试验样品经过热处里后，进口驻极体短纤维之 NaCl 捕集效率下降了 89.2%，而易可净® (Ecoclean®)之驻极体 PE/PP 短纤维及驻极体 PP/PET 短纤维其 NaCl 捕集效率分别下降了 18.0% 及 26.4%，此说明了易可净® (Ecoclean®)产品在耐热性能与静电稳定性上要比进口驻极体短纤维表现好，因此使用性较佳。
表1 易可净® (Ecoclean®) 驻极短纤维 NaCl 捕集效率性能比较
| 样品种类 | 进口驻极体短纤维 |
易可净® (Ecoclean®) 驻极体 PE/PP 短纤维 |
易可净® (Ecoclean®) 驻极体 PP/PET 短纤维 |
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|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 纤维配比 (%) | 100 | 100 | 100 | |||||
| 耐热实验 | 实验前 | 实验后 | 实验前 | 实验后 | 实验前 | 实验后 | ||
| NaCl 捕集效率 (%) | 0.3 um | 静电驻极 | 74.7 | 12.8 | 83.9 | 68.8 | 79.3 | 58.4 |
| 降低率 (%) | 82.9 | 18.0 | 26.4 | |||||
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备注：耐热实验条件为样品放置于烘箱内，100℃，2 小时 试验方法： (1)NaCl捕集效率 EN143 (2)采样流量 32 L/min (3)测试面积 20 cm2 |
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4. 结论
易可净® (Ecoclean®) 驻极短纤维新产品的推出，给了客户一个新的选择，及除了驻极之纺粘无纺布、熔喷布外，尚有驻极体短纤维可以选择，此也为驻极体相关产品提供了一个新的应用，一个新的产品，新的市场。在未来，浙江安顺化纤有限公司将以可持续性发展为目标来继续研发有关驻极体短纤维之相关新产品，将可降解的概念与驻极体短纤维结合，即易可净® (Ecoclean®) @ 易可安® (ECO-AN®)，希望可以为我们的客户提供多元化的产品以及解决方案。
参考文献
(1) 张维、刘伟伟，崔淑玲，驻极体纤维的生产及应用[J]，非织造布，2009，17(3)，p27-p29
(2) 浅解驻极体过滤材料，网站：https://www.sohu.com/a/203254056_525632
(3) 水驻极好还是静电驻极好，看完这篇就明白了，网址：http://www.mro-global.com/news/pinpaigushi/660.html
(4) 熔喷布驻极技术——水驻极VS静电驻极，网址：https://ppfocus.com/0/au5dc34d4.html
(5) 张久政、高院安、黄惠文，刘勇，理想纤维过滤材料的影响因素[J]，过滤与分离，2006，(16)，p39-p41
(6) 夏钟福，生物驻极体材料[J]，材料导报，1994，(1)，p48-p52
(7) 李亚滨、钱晓明，驻极纤维过滤材料的研究[J]，天津纺织工学院学报，2000，19(1)，p77-p79
文章來源 - 寶綠特電子報 期數:202206001CN