聚四氟乙烯針刺非織造材料摩擦起電性能研究

朱 尚 徐玉康 靳向煜

東華大學產業用紡織品教育部工程研究中心，上海201620

聚四氟乙烯針刺非織造材料摩擦起電性能研究

朱 尚 徐玉康 靳向煜

東華大學產業用紡織品教育部工程研究中心，上海201620

研究聚四氟乙烯(PTFE)針刺非織造材料與不同高聚物針刺非織造材料的摩擦起電特征，以及PTFE針刺非織造材料表觀形態變化和表面靜電壓衰減特征。 結果表明：PTFE針刺非織造材料表面靜電壓和表觀形態變化均與副磨料的材料類型、摩擦時間緊密相關；與黏膠針刺非織造材料摩擦9 min后，PTFE針刺非織造材料的表面靜電壓由2.4 kV增加至11.8 kV，且半衰期約為13.8 d，遠高于駐極靜電壓的半衰期。該結果可為今后開發過濾效率更高、使用壽命更長的過濾材料提供理論依據。

聚四氟乙烯，針刺非織造材料，摩擦起電，靜電壓，半衰期

伴隨著工業的快速發展，含有大量納米/微米級顆粒物的工業粉塵被排放至大氣中，嚴重污染空氣質量、威脅人類健康。因此，提高對細微顆粒的捕捉能力，是當前過濾材料研發的熱點。其中，材料帶電是改善濾料過濾效率的一種有效方法。

材料帶電常規的方法有摩擦帶電、感應帶電和接觸帶電等。其中，采用感應帶電技術使非織造材料帶上靜電荷從而獲得帶電濾料的方法，目前較為常見[1-6]，[7]34。但這種感應帶電濾料在使用過程中，納米/微米級顆粒物的聚集會造成靜電荷吸附能力降低[8]；此外，部分靜電荷的散逸也會進一步降低對細微顆粒的吸附效果。

為改善目前帶電濾料存儲電荷能力低的不足，聚四氟乙烯(PTFE)材料引起了研究人員的高度關注。PTFE螺旋形分子鏈結構使其具有很多優異的性能，如耐化學腐蝕性好[7]34、熱穩定性好[9]、摩擦系數低[10]、拒水性好[11]等，這些都賦予了PTFE廣泛的應用前景[12-15]。 較低的摩擦系數和良好的拒水性使得PTFE與其他高聚物摩擦后易帶上靜電荷[16-18]，這一特征為研發持續帶電且存儲電荷能力高的濾料指明了方向。 因此，本文研究了PTFE與其他不同材料摩擦后的帶電特征，以期為制備高效帶電濾料提供理論依據。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

選用位于摩擦起電序列不同順序的5種纖維，分別為PTFE纖維、黏膠纖維、聚乙烯醇(PVA)纖維、棉纖維、聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維(滌綸)，纖維基本性能如表1所示。纖維經梳理和針刺加工后獲得相應的針刺非織造材料，其中，通過混合PVA纖維與棉纖維(兩者質量比為PVA纖維∶棉纖維=68∶32)獲得PVA/棉針刺非織造材料。所得針刺非織造材料基本性能如表2所示。

表1 纖維基本性能

1.2 設備及測試標準

針刺涉及的設備：FZZG-I1600型預針刺機(針刺密度為200針/cm2、針刺深度為9.00 mm)，WFC -100型主針刺機(針刺密度為400針/cm2、針刺深度為12.00 mm)。

試驗原料性能檢測標準：纖維線密度檢測參照GB/T 16256—2008《紡織纖維 線密度試驗方法 振動儀法》標準；纖維強伸性檢測參照GB/T 14337—2008《化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》標準；材料厚度檢測參照GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》標準；材料面密度檢測參照GB/T 4669—2008《紡織品 機織物 單位長度質量和單位面積質量的測定》標準；材料透氣量檢測參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》標準；材料表面靜電壓檢測參照GB/T 12703.1—2008《紡織品靜電性能的評定 第1部分：靜電壓半衰期》標準，采用YG401織物感應式靜電壓測試儀，其測量原理如圖1所示。

圖1 YG401織物感應式靜電壓測試儀原理

2 結果與討論

摩擦起電是指相互接觸、摩擦的2塊材料上自由電子發生轉移，從而使2塊材料分別帶上等量異種電荷的一種現象。本文研究了PTFE與不同高聚物材料平磨帶電的特征、摩擦后PTFE材料的表觀形態、摩擦時間對靜電荷累積的影響，以及PTFE材料表面靜電荷的衰減特征等。選用PTFE針刺非織造材料為主磨料(標記為S0)、4種材料分別為黏膠針刺非織造材料、PVA/棉針刺非織造材料、滌綸針刺非織造材料和PTFE針刺非織造材料為副磨料(相應標記為S1、S2、S3、S4)。其中，主磨料S0和副磨料S4皆為PTFE針刺非織造材料，性能相同。

2.1 PTFE針刺非織造材料平磨帶電特征

織物平磨儀如圖2所示，主磨料和副磨料分別固定于磨臺和磨頭之上?；诳椢锲侥x中磨頭與磨臺的相對運動，主磨料與副磨料相互接觸、摩擦，造成電子轉移，使得2塊材料分別帶上等量的異種電荷。

圖2 織物平磨儀示意

主磨料S0與4種副磨料(S1、S2、S3、S4)平磨6 min 后的表面靜電壓如圖3所示，平磨條件為加壓載荷9 kPa、相對轉速50 r/min。

圖3 與4種副磨料接觸并摩擦后，主磨料S0的表面靜電壓

由圖3可知：

(1) 與副磨料S1、S2接觸并摩擦后，主磨料S0表面靜電壓相較于未摩擦時自身所帶的靜電壓，均顯著增加，由2.4 kV分別增加至11.1和6.1 kV，其中與副磨料S1摩擦時主磨料S0表面靜電壓改善程度最大。產生該現象的主要原因是，PTFE大分子鏈中氟原子極強的電負性使其外軌道電子穩定性要遠高于黏膠纖維、PVA纖維和棉纖維大分子鏈上的原子或基團[19]，因此，當與副磨料S1、S2接觸并摩擦后，主磨料S0表面易累積大量由副磨料轉移來的電子，從而使靜電壓增加。又因黏膠纖維由大量含羥基的黏膠基組成，且結晶度低于一般紡織纖維[20]；而棉纖維中雖有大量羥基的存在，但其具有較高的結晶度。故當副磨料S1、S2與主磨料S0接觸并摩擦時，副磨料S2中棉纖維上的電子相較于黏膠纖維不易發生轉移[21]。

(2) 與副磨料S3接觸并摩擦后，主磨料S0表面靜電壓相較于未摩擦時自身所帶的靜電壓，基本不變。究其原因在于，相較于纖維截面皆為扁平狀的副磨料S1[圖4(b)]和S2[圖4(c)]，纖維截面為圓形的副磨料S3[圖4(d)]與主磨料S0[同圖4(e)]的接觸面積較小，加之滌綸大分子鏈上原子或基團的最外層軌道電子的穩定性較好，故所得主磨料S0表面靜電壓無顯著變化。

(3) 當磨料均為PTFE針刺非織造材料時，即主磨料S0與副磨料S4接觸并摩擦后，主磨料S0表面靜電壓由2.4 kV增加至5.8 kV。其原因可能是摩擦過程中，含大量納米/微米級顆粒的空氣填充了PTFE針刺非織造材料接觸介面，故而造成了電子轉移，形成了靜電荷。

(a) PTFE針刺非織造材料橫截面

(b) 黏膠針刺非織造材料(副磨料S1)

(c) PVA/棉針刺非織造材料(副磨料S2)

(d) 滌綸針刺非織造材料(副磨料S3)

(e) PTFE針刺非織造材料(副磨料S4)

2.2 PTFE針刺非織造材料表觀形態

圖5為與4種副磨料S1、S2、S3和S4摩擦不同時間后，主磨料S0的表觀形態特征：

(1) 當副磨料為S1或S2時，主磨料S0表面磨損度隨摩擦時間增加而不斷增加。相較于主磨料S0初始光滑的表觀形態，摩擦3和6 min時主磨料S0表面的纖維出現了大量微米尺度的溝槽、塊狀或片狀突起物；摩擦9 min時，主磨料S0表面微米尺度的溝槽、塊狀或片狀突起物的數量無顯著變化。

(a) 副磨料為S1

(b) 副磨料為S2

(c) 副磨料為S3

(d) 副磨料為S4

(2) 當副磨料為S3時，主磨料S0表面平整度先略有改善，后急劇降低。

(3) 當副磨料為S4，即主磨料和副磨料均為PTFE針刺非織造材料時，摩擦3 min時主磨料S0表面無顯著變化；但隨著摩擦時間的延長，摩擦6 min時，主磨料S0表面磨損度快速增加；摩擦9 min時，主磨料S0表面有微米尺度的片狀突起物。

由此可推知，主磨料PTFE針刺非織造材料的表觀形態與副磨料的材料類型、摩擦時間緊密相關。

2.3 PTFE針刺非織造材料表面靜電壓與摩擦時間的相關性

與4種副磨料S1、S2、S3和S4摩擦后，主磨料S0表面靜電壓隨摩擦時間的變化特征如圖6所示。

圖6 主磨料S0表面靜電壓對副磨料及摩擦時間的依賴性

由圖6可知：當副磨料為S1、S2時，主磨料S0表面靜電壓隨摩擦時間的增加而不斷變大，摩擦9 min時主磨料S0表面靜電壓由2.4 kV分別增加至11.8和6.2 kV；當副磨料為S3時，主磨料S0表面靜電壓隨摩擦時間的延長先略微下降、后急劇增加，摩擦9 min 時主磨料S0表面靜電壓達到9.1 kV；當副磨料為S4即主、副磨料均為PTFE針刺非織造材料時，主磨料S0表面靜電壓隨摩擦時間的延長呈“略微下降-急劇增加-降低”的變化趨勢。

究其原因在于：

(1) 副磨料S1、S2中黏膠纖維、PVA纖維、棉纖維都含大量羥基，其大分子鏈上原子或基團外軌道電子的穩定性較差。當它們與主磨料S0摩擦后，主磨料S0表面會累積大量的電子，故而主磨料S0表面靜電壓不斷變大；但若進一步延長摩擦時間，則主磨料S0表面會附有因摩擦而產生的轉移膜[22-23]，這會造成主、副磨料間有效滑動略有降低，表現為材料表面靜電壓無明顯增加。

(2) 副磨料S3中滌綸截面為圓形，初始摩擦時主、副磨料的接觸面積較小，加之滌綸的纖維線密度小、比表面積大、表面粗糙，6 min的摩擦會使剛性大的副磨料S3與耐磨損性差[24]的主磨料S0間產生并存留較多的納米級厚度的PTFE膜，這會減緩主磨料S0與副磨料S3間的摩擦，故摩擦6 min時主磨料S0表面靜電壓略微下降。但隨著摩擦時間延長至9 min時，摩擦產生的熱量使得PTFE膜軟化，主、副磨料的接觸面積增大，真實摩擦增多，故摩擦9 min時主磨料S0表面靜電壓快速增至9.1 kV。

(3) 當副磨料為S4即主、副磨料均為PTFE針刺非織造材料時，由于PTFE纖維具有更差的熱傳導性(相較于黏膠纖維、PVA纖維、棉纖維及滌綸)和冷流性，故在摩擦初期，PTFE纖維接觸介面的摩擦熱會使轉移膜軟化、流動并嵌入非織造材料的孔隙中[圖5(d)]，造成主磨料S0表面靜電壓略微降低；但隨著摩擦的繼續，PTFE纖維因耐磨性差且黏附性弱，接觸面處的PTFE部分轉移膜脫落，主磨料S0表面靜電壓急劇增加；隨后，又會產生額外的轉移膜來減緩摩擦，故主磨料S0表面靜電壓隨著時間的增加又有所降低。

基于上述分析可知，副磨料的材料種類和摩擦時間會共同影響主磨料即PTFE針刺非織造材料的摩擦起電性能和表觀形態。

2.4 PTFE針刺非織造材料表面靜電壓衰減特征

副磨料為S1、S2時，主磨料S0摩擦起電的規律明顯且穩定，相應的表面靜電壓較高且衰減的較穩定，而副磨料為S3、S4時主磨料S0的表面靜電壓低，無分析價值。故本文僅分析副磨料為S1、S2時主磨料S0表面靜電壓的衰減情況，相應的表面靜電壓衰減特征如圖7所示。

(a) 摩擦時間為6 min

(b) 摩擦時間為9 min

由圖7可知：

(1) 摩擦時間為6和9 min時，與副磨料S1摩擦后的主磨料S0表面靜電壓分別為11.1和11.8 kV。隨著靜置時間的增加，主磨料S0表面靜電壓呈規律性衰減，故對其進行函數擬合(擬合函數分別為u=0.249x3+13.740x2-506.400x+1.059e4和u=-4.657x3+104.900x2-979.300x+1.196e4)，對應的相關系數(即R值)分別為0.902 9和 0.847 6，曲線擬合度較好，擬合函數可反映主磨料S0摩擦后表面靜電壓隨靜置時間的變化規律。

(2) 副磨料為S1、S2時，主磨料S0表面靜電壓均隨靜置時間延長而緩慢降低，其表面靜電壓的半衰期均超過12.0 d(根據擬合函數計算得半衰期分別為13.8和14.1 d)，故可知半衰期與副磨料的材料性能無關。

另有研究[25]顯示，采用駐極處理可賦予材料表面靜電荷，但駐極靜電荷的穩定性差、半衰期短(≤2.0 d)。相較于駐極過濾材料，PTFE針刺非織造材料的過濾效率和使用壽命均有改善。

3 結論

氟原子具有極強的電負性，常規PTFE針刺非織造材料表面靜電壓為2.4 kV。本文研究了PTFE針刺非織造材料與不同材料接觸摩擦的起電特征，結果顯示：PTFE針刺非織造材料表觀形態的變化特征與副磨料的材料類型和摩擦時間緊密相關；PTFE針刺非織造材料與黏膠針刺非織造材料、PVA/棉針刺非織造材料接觸并摩擦后，表面靜電壓開始隨摩擦時間的增加而不斷變大，摩擦6 min后趨于穩定；與黏膠針刺非織造材料摩擦9 min后，PTFE針刺非織造材料表面靜電壓由2.4 kV增加至11.8 kV，靜電壓半衰期超過13.0 d，遠高于駐極靜電壓的半衰期2.0 d。

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Study on the triboelectric characteristic of PTFE needled nonwovens

ZhuShang，XuYukang，JinXiangyu

Engineering Research Center of Technical Textiles， Ministry of Education， Donghua University，Shanghai 201620， China

The triboelectric characteristic of polytetrafluoroethylene (PTFE) needled nonwovens against various polymer needled nonwovens， as well as the variation of surface morphology and the attenuation characteristic of surface electrostatic voltage of PTFE needle nonwovens， were studied. The results showed that the surface electrostatic voltage and the variation of surface morphology of PTFE needled nonwovens were closely related to the types of subsidiary abrasive material and the friction time. The surface electrostatic voltage of PTFE needled nonwovens increased from 2.4 kV to 11.8 kV after friction with the viscose needled nonwovens for 9 min， and the half-life was 13.8 days， which was much longer than that of electret static voltage. The results could provide a theoretical foundation for developing the filter material with higher filtration efficiency and longer service life in future.

PTFE， needled nonwoven， triboelectric， electrostatic voltage， half-life

*上海市產學研合作項目(滬CXY-2014-025)

2016-10-11

朱尚，男，1991年生，在讀碩士研究生，研究方向為空氣過濾材料

靳向煜，E-mail：jinxy@dhu.edu.cn

TS174.6

A

1004-7093(2017)05-0027-07