驻极机理和方法：深入剖析机理并掌握实用方法

对非织造过滤材料进行驻极处理，可以在不增加阻力的情况下滤除空气中的亚微米级粒子，下面对驻极机理和驻极方法进行详细介绍。

2.2.3.1　驻极体

驻极体是指一类能够长久存储空间电荷和偶极矩的电介质材料，尤指那些经电场作用后，由于其本身极性单元取向而形成偶极子，或者内部离子移动或者外部电荷的注入而带有电荷，并且在外部电场去除后仍能长时间或者“永久”保持电荷的一类物质。

驻极体可分为无机驻极体、有机驻极体和生物驻极体。无机驻极体包括电气石、钛酸钡（BaTiO3）、SiO2、Al2O3、Si2N4和云母等。有机驻极体主要是一些高分子聚合物材料，按照其大分子结构可以进一步分为三类。第一类是高绝缘性含氟聚合物，如PTFE、氟化乙丙烯共聚物、可熔性聚四氟乙烯以及聚三氟氯乙烯等；第二类是极性聚合物，如聚偏二氟乙烯；第三类是非极性聚合物，如聚丙烯、聚乙烯和聚酰亚胺等。这些高分子材料一般都有长期储存电荷的能力。

2.2.3.2　驻极机理

驻极就是在一定的外界条件作用下，使驻极体或者含有驻极体的材料带上电荷。根据驻极体电荷的来源和性质，聚合物驻极体材料中的电荷可分为空间电荷和极化电荷两类。驻极体可以在三个结构层次上捕获空间电荷：在强极性键或者聚合物链段等特殊分子结构位置中；相邻分子间的原子基团或者材料内部的离子对电荷的亲和约束；结晶区与非结晶区的交错界面等不均匀结构。极化电荷也有三个来源：一是分子结构中的极性基团在外电场作用下的有序取向；二是材料内部杂质离子在极化电场的作用下产生宏观位移，当移至异性电极近旁时被陷阱捕获。这类电荷与相邻极化电极的电性质正好相反，因而也称异号电荷；三是当电流通过材料时，材料中晶粒的两个端面产生Maxwell-Wagner效应而积聚相反电荷，形成与取向极化类似的极化，也称界面极化。

2.2.3.3　驻极方法

驻极体过滤材料最早是在1976年由J.Van Turnhout等人发现提出的，经过多年的发展，目前已经形成了多种驻极方法（工艺），汇总如表2-1所示。

表2-1　驻极方法和驻极机理

①电晕充电。电晕充电是最常用的驻极方法，它是利用一个高压电场引起周围空气的局部击穿而产生的粒子束来轰击被驻极材料，并使离子电荷沉积于材料中的方法。电晕电极一般是多针状电极（图2-8），或者是刀口形、弦丝形的线状电极。通常在电极和被驻极材料间加上几千伏电压，使之发生电晕充电。当前电晕充电的研究热点聚焦在添加不同的驻极功能母粒，以增加驻极带电量并提高其电荷持久性。市面上有许多驻极功能母粒，但未见较清晰的成分和驻极带电机理介绍。

② 低能电子束充电。低能电子束充电是采用电子束作为外界电荷源辐照驻极体材料，从而把空间电荷注入材料中的一种方法。该方法与电晕充电方法类似，只是将电源换成了能产生较大速度电子束的针电极。低能电子束充电的设备较复杂，但能够通过控制电子束的电流而控制注入材料中的电荷深度和密度，一般在特殊场合使用。电晕充电法和低能电子束充电法一般需要各种热处理才能提高驻极电荷的稳定性。

③液体充电法。液体充电法是一种把空间电荷从导电液体转移到待极化的电介质表面的充电方法，再通过老化工艺把电荷从介质表面导入体内，从而获得面密度较高、电荷储存寿命较长的带电材料。目前这一方法的详细介绍资料较少。(www.xing528.com)

图2-8　负电晕充电装置

④ 热极化法。热极化法是最早出现的用于制作驻极体的方法，通常在恒温电炉中进行，其装置示意图如图2-9所示。在高温环境中，对材料施加电压，保持几十分钟或几小时极化，然后在保持电压不变的情况下取出，冷却后去掉高压电场，在电场作用下取向的偶极子以及注入材料的电荷都被冻结下来，便使材料带上电荷。为了防止聚合物在热极化过程中发生氧化降解反应，通常将电极和样品置于充氮的环境中。一般加热的最高温度应稍高于聚合物的玻璃化温度，所用电场约0.1～1MV/cm，极化约几分钟到一小时。

图2-9　热极化装置

⑤ 摩擦起电。摩擦起电是最古老的带电方法。由于各种物质对电子的束缚能力不同，在相互摩擦时会引起电子转移，得到电子的物体呈负电，失去电子的则呈正电。在非织造材料成形过程中，比如短纤维的梳理成网和针刺加固等工序中，纤维之间会存在摩擦起电，极端情况还会出现纤维飞花现象。

两种物体相对摩擦后的带电性质由其在“带电序列”中的位置决定，位置靠前，则物体将带正电荷，靠后的则会带上负电荷。理论上，两种材料在带电序列中的间隔越大，相对摩擦所产生的电荷量越大。常见聚合物的带电序列如图2-10所示。PTFE 位于序列的末端，所以 PTFE与所有材料摩擦后均带负电荷。有人研究了多孔聚四氟乙烯/聚乙烯/聚丙烯驻极体的储电性能，发现多孔聚四氟乙烯/聚乙烯/聚丙烯复合膜驻极体具有良好的储电稳定性。PTFE 表面摩擦系数低，摩擦产生的电荷量较少。但其电阻率极高，电绝缘性优良，在与物体接触、摩擦和分离后，由于产生的电荷难以逸散，表面易于积累静电荷。

图2-10　不同物质间摩擦带电序列图

工艺上讲，摩擦起电产生的静电荷量取决于三个因素：材料表面相互接触的紧密性、材料的导电性能及摩擦速度等。材料的表面接触得越紧密，电子转移机会越多；材料的电导率越高，摩擦产生的静电荷逸散越快；材料间相互摩擦的速度越快，产生的电荷量越多。

由于材料的静电驻极方法（工艺）不同，带电性质亦大不相同。而空气过滤材料从工厂制造到终端消费，需要经历较长的时间，因此要求其储存电荷密度大、储存寿命长。而储存电荷的稳定性则主要取决于材料性质、充电方法、电荷分布状态、储存的环境条件等。

电晕充电法存在的问题是电荷仅能沉积于材料表面与近表面，电荷密度的横向均匀性和电荷稳定性均比低能电子束轰击法差。摩擦起电方法存在的问题是受环境温湿度和材料吸水率的影响较大，其产生电荷的机理至今还不完全清楚。热极化驻极方法存在的问题是最大电荷密度依赖于气压和相对湿度，且易受存放温度和湿度影响。低能电子束轰击法由于其静电驻极机理较复杂，就目前的技术发展现状而言，要达到广泛应用困难还很大。