现状分析：驻极工艺技术研究

2.2.4.1　电晕放电研究现状

通过电晕放电使熔喷非织造材料带上静电荷的工艺技术已经得到了很好的产业化应用和较为深入的理论研究。研究发现，极化方式、驻极电压、驻极距离、驻极速度等工艺参数对熔喷非织造材料的带电效果都有明显的影响，而为了进一步提高熔喷聚丙烯的驻极带电量，电气石、钛酸钡、SiO2、Si2N4等无机物和受阻胺类光稳定剂等有机物都被尝试添加到聚丙烯熔体中，并发现具有一定的提高带电量的效果。另外，通过添加脂肪酸镁等聚丙烯成核剂的方法，也可以有效提高驻极带电。

但是，进一步的研究发现，上述功能添加剂在提高熔喷非织造材料带电量的同时，也加快了其电荷衰减速度，特别是无机驻极体的分散剂、有机驻极体和有机成核剂等有机低分子物质。现有公开报道的电晕放电技术基本无法做到同时增加材料的带电量和电荷稳定性，这也就是国产口罩无法长期储存的原因。

在电荷稳定性方面，大量的研究结果一致认为，当PP为α结晶结构时，更有利于提高驻极带电量和电荷稳定性。但是在口罩的长期储存过程中，除了纤维内部结构对熔喷非织造材料所带电荷稳定性有影响外，还会受到外部环境的影响。电晕充电所产生的电荷密度横向均匀性差，电荷稳定性较，更易受环境影响。为了克服这一缺点，有人将聚丙烯熔喷非织造材料先进行氟化处理，再进行电晕放电驻极处理，发现材料的纤维表面粗糙度增大、拒水性提升、电荷衰减变慢，并表现出了更好的过滤效果。但氟化处理工业化难度大，需要找到更好的替代方法。

另外，正压电场负压电场以及交变电场的驻极效果，都是当下的研究热点。在新冠病毒肺炎疫情的推动下，许多高分子材料和设备生产企业都参与了熔喷驻极工艺技术的研发，生产出许多有特色的驻极设备。

2.2.4.2　摩擦带电研究现状(www.xing528.com)

如何利用成形过程中的摩擦进行纤维材料配伍，形成带静电量大的非织造带电过滤材料，是近几年的研究热点。有人研究了PTFE膜与五种纤维（尼龙、棉、聚苯硫醚、涤纶、丙纶）针刺非织造材料的摩擦带电情况，发现纯PTFE膜与尼龙针刺非织造材料摩擦后的电荷面密度最高。当摩擦因素中摩擦循环数达到70、压力为7.7N、速度达到 5.2m/min、且接触面积为 28.5cm2时，纯 PTFE 膜与副磨料相对摩擦后的电荷面密度趋于最大。亚克力纤维与PTFE纤维共混、羊毛与丙纶共混后的针刺摩擦带电效果都被人研究过。为了进一步提高摩擦带电效果，有人采用洗涤剂、碳酸钠以及乙醇试剂去除涤纶针刺非织造材料的纤维表面油剂，结果表明，去除油剂后，其带电效果大有提高，静电衰减周期延长。有人制备了SiO2填充改性PTFE纤维，研究了填充剂含量对PTFE纤维摩擦带电的影响。发现随着SiO2含量的增加，改性PTFE纤维材料的摩擦起电性能有提高的趋势，尤其是填充改性剂含量为3%时，改性PTFE纤维材料的摩擦起电性能明显提高，在轻微的摩擦条件下即可产生电荷。

带电纤维过滤材料受到了全球纺织领域学者的关注，2017年，世界著名的两大纺织特色高校美国北卡莱罗纳州立大学和英国立兹大学的非织造材料学科带头人Russell教授和Pourdeyhimi教授就“驻极过滤材料充电和电荷稳定性”共同著书，认为电晕放电会破坏聚合物大分子链并生成功能性不饱和基团，提高了电荷在纤维表面的运动能力，从而加速其衰减。他们引用30多篇文献，从不同聚合物体系和不同摩擦方式等方面对摩擦带电方法进行了综述，并展望了液体摩擦在纤维材料上的可行性。

在纳米能源与自驱动系统研究领域居国际领先和引领地位的王中林院士，报道了摩擦纳米发电在空气过滤领域方面的潜在应用。在一篇文献中，他们先将PTFE和锦纶机织物进行等离子体刻蚀以提高其粗糙度，再用手拿着相互摩擦，然后测试其空气过滤效果。结果发现，五层摩擦带电材料复合在一起后，对PM2.5颗粒物的过滤效率高达96%，比未驻极高前39%。并且，水洗5次后其过滤效率基本不变，具有非常好的耐湿度稳定性。但该材料的过滤阻力和厚度都非常大，不适合用于口罩。另一篇文献中，该研究团队将静电纺PVDF纳米纤维膜与铜金属膜等组装成自驱动静电吸附面罩，利用呼吸过程中PVDF纤维膜与铜金属膜之间的摩擦而带电，从而实现对空气中细颗粒的过滤。其结构示意图如图2-11所示。

图2-11　自驱动摩擦发电过滤面罩

总之，在拦截效应、重力效应、惯性效应和扩散效应不起明显作用时，如何利用静电效应来滤除空气中的尘埃、粉尘、花粉、尘螨、香烟、宠物毛屑等亚微米粒子，是驻极带电过滤技术的优势和近几年的研究热点。