静电吸附过滤可以在不增加过滤阻力的情况下提升吸附效率，静电纺丝纤维过滤材料在制备完成的同时，能够达到良好的驻极效果，有望在工业化和城市化加速的背景下解决日益严重的空气污染问题。然而，它的电荷稳定能力需要改进，因为储存在过滤材料如PP中的电荷随着时间的推移极易快速消散，从而导致过滤吸附性能下降。

近日，北京化工大学刘勇教授在期刊《Separation and purification technology》上发表了最新研究成果“Simulation and experimental investigation of electret polypropylene fiber preparation via centrifugal melt electrospinning for enhanced air filtration”。研究者将离心熔融电纺丝与耗散粒子动力学模拟相结合，实现了驻极体的连续生产，并研究了实验条件和聚合物添加剂对PP纤维电荷捕获能力的影响。结果表明，离心熔体静电纺丝显著提高了PP纤维的电荷存储能力。PP的α晶型产生更多的电荷陷阱来提高驻极性能，实验参数则通过改变晶型的方式影响驻极性能。添加剂有效促进了电荷的稳定性，在添加1.5 wt.%驻极体添加剂的情况下，PP纤维表面电压稳定在11.09 kV以上。

离心熔体静电纺丝实验操作参数通过影响纤维结晶性能来改变驻极效果，不同晶型表现出不同的电荷密度，因此通过电位差构建电荷陷阱来捕获驻极体电荷。如图 1 所示，将电压从 26 kV 变为32 kV，PP驻极纤维结晶类型为α型，然而，在 35 kV 下，纤维结晶类型向伪六方晶型转变。26 kV 至 32 kV 的 PP 驻极体纤维的结晶度低于在 35 kV 下制备的纤维，突出表明高电压促进了伪六方晶体的形成，尽管其尺寸小于 α 晶体。在较低的转速 280 r/min 下，伪六方晶体和 α 晶体共存。随着转速增加到中等转速 336 r/min，α 晶体含量增加。转速增加到 392 r/min时，离心力增加导致拉伸效应增强，纤维中 α 晶体占主导地位，相对结晶度随着转速的增加而逐渐降低。随着纺丝熔体温度的升高，PP 驻极体纤维的结晶逐渐从伪六方晶体转变为 α 型晶体。当温度升至 255 °C 时，PP 熔体的粘度降低，有利于聚合物链的增强拉伸并促进更稳定的 α 晶体的形成。结果表明，增强分子链流动性的因素有利于离心熔融电纺丝中 α 晶体的形成。然而，在最佳加工条件下确保分子链有足够的时间形成结晶也至关重要。

图1. PP驻极纤维XRD谱图及电荷陷阱示意图。

在两种聚合物添加剂对PP纤维拉伸性能的分析中，图2表明，添加TF-23添加剂后，纤维的最大承载能力和断裂伸长率均呈梯度增加。TF-23同时提高了纤维的强度和韧性，对韧性的影响更明显。添加POLY1001添加剂在1 wt.％和1.5 wt.％时显著提高了纤维强度，从而导致最大承载能力大幅提高。然而，在较高浓度下，纤维强度的增强作用减弱。过量添加 POLY1001 会导致结晶度下降 3%，而持续添加 TF-23 可使结晶度保持在较高水平。纤维强度与纤维结晶度密切相关，结晶度越高，强度越高，过量添加 POLY1001 添加剂会导致纤维强度下降。此外，POLY1001 添加剂略微改善了纤维的断裂伸长率。

用纤维初始表面电位来表征驻极效果，电荷衰减量代表电荷稳定性，电荷衰减量越小，稳定性越高。如图2所示，驻极性能从26 kV到35 kV呈现上升趋势，随后下降，在32 kV时达到峰值。在26 kV和32 kV之间观察到α晶体结构，这增强了结晶区和非晶区之间的电导率差异，从而促进了电荷陷阱的产生并增强了驻极效果。在35 kV时，纯PP纤维中的晶体结构转变为伪六方型，其中初始表面电位在较高电压下降低，表明伪六方晶体不利于驻极。尽管表面电位最初很高，但暴露在空气中会迅速衰减，其特点是前30小时内下降速度较快，之后下降速度较慢。到 120 小时时，表面电位稳定，与电压增加呈正相关，较高的电压会导致电荷捕获增加，而这些陷阱的深度仍然很低。因此，晶体结构的差异调节着驻极体性能。与拟六方晶体结构相比，α晶体结构有利于提高初始表面电位，从而提高过滤效率。虽然离心熔体电纺丝在纤维生产过程中与驻极体处理有效结合，但由此产生的电荷稳定性不足，导致暴露在空气中时迅速衰减。

图2.纤维拉伸强度图及表面电势衰减图。

与纯PP纤维相比，添加剂的加入显著提高了初始表面电位，诱导的驻极体效应比纯PP纤维强2～3倍。这种增强归因于添加剂的异相成核效应，促进PP晶体结构从伪六方向α相转变，从而提高了结晶度。离心熔融电纺丝的持续高压静电场将电荷捕获到内部陷阱中。纺丝完成后，这些表面电荷由于不稳定性而在空气中迅速消散，在40 h后逐渐稳定下来。尽管表面电荷消散很快，但与未处理的纯PP纤维相比，添加驻极体添加剂后表面电位的稳定优势明显，例如加入TF-23添加剂后，稳定表面电位可达11.09 kV，与纯PP纤维衰减前的初始表面电位（10.83 kV）和衰减后的2.75 kV相当，说明聚合物添加剂不仅能显著增强驻极体效应，而且能促进捕获电荷的稳定性，使其不易在空气中消散，从而保证持久的静电吸附能力。

图3. 添加驻极剂后纤维表面电势衰减图。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130113 

通讯作者简介：

刘勇，教授，博导。主要从事高分子及纳米复合材料制备与应用等研究。在特种高性能塑料应用、橡胶制品性能提升、静电纺丝制备超细纤维、净化甲醛及空气中PM2.5、燃料电池关键组件、生物医学材料等方面均有研究。迄今发表期刊文章204篇，出版中文专著1部，英文专著2部，译著3部，著作章节2章，获国内外授权专利67项，其中转让9项。是Renewable and Sustainable Energy Reviews (IF 15.9)和Polymers (IF 5.0)的特刊主编。获国家科技进步二等奖1项，省部级技术发明二等奖2项、专利优秀奖2项，等. 是全国石油和化工行业优秀科技工作者。