酷尔森：探索生物静电过滤的重要性

生物聚合物能否为空气过滤提供动力？

被动静电过滤介质主要依赖化石基聚合物驻极体纤维，这些纤维经过数十年的研究而得到提炼。然而，化石基材料使用的增加导致了更高的碳排放、全球变暖和气候变化。人们对不可生物降解塑料对环境影响的日益关注是因为大多数塑料终究会进入垃圾填埋场或海洋，而只有一小部分被回收利用。因此，这些紧迫的环境问题加大了对可再生能源和可持续资源的推动力。为了取代传统的基于化石燃料的绝缘材料，生物基、可生物降解和可堆肥的替代品必须达到或与合成塑料的电气、机械和热性能非常匹配。

静电过滤介质的重要性

静电光纤具有两个主要优点：

1、在相同的气流阻力下效率更高——它们在不增加压降的情况下提供好的过滤效果。

2、增强的亚微米颗粒捕获——静电力对低于 1 微米的颗粒特别有效，如图 1 所示。

（图 ：充电对过滤效率的影响。）

表1总结了一些重要的过滤参数如何影响关键的过滤机制，表明虽然纤维直径的减小提高了所有四种机制的效率，但过滤速度的降低会产生更细微的影响：扩散和静电吸引力增加，拦截保持不变，撞击下降。了解这些相互作用对于优化过滤器设计至关重要，特别是因为它们的综合效应通常会导致100-300 nm之间的穿透粒径（MPPS），这是很难有效捕获的颗粒。

表 1：各种参数对不同过滤机制的影响。

方法

为了评估生物聚合物在静电纤维应用中的潜力，必须检查其电气、机械、热和结构特性，因为驻极体性能取决于聚合物的固有特性和纤维制造条件（图 2）。

主要考虑因素包括：

◆介电常数（影响电荷存储），

◆介电正切损耗/耗散因数（表示电荷保持）

此外，聚合物极性对于确定材料如何与电场相互作用很重要，而体积电阻率则测量材料对电流的阻力。氢键、表面能和疏水性等其他因素在决定材料在静电过滤应用中的适应性方面也发挥着重要作用。

图 2：构建流程-属性关系。

介电性能

介电材料是具有长久偶极矩的电绝缘体，使它们能够通过极化来储存能量。大多数聚合物充当电介质，在极化时积累电荷。

介电常数 （ε） 表示材料存储电能的能力，定义为材料中电荷存储与空气或真空中电荷存储的比率。它通过 ASTM D150 测量，使用平行板电容来评估储能性能。有几个因素会影响介电测量，包括频率、温度和相对湿度。虽然薄膜等刚性材料有助于直接测试，但纤维材料由于纤维之间的空气干扰而带来了测量挑战。根据文献，PHA 和 PHB 等生物聚合物表现出比聚丙烯 （PP） 更高的介电常数。

介电常数值在多种应用中尤为重要。低介电常数的聚合物特别有价值：

▲静电过滤介质

▲高频电路设计

▲动力传动系统

▲高速网络基础设施

耗散因数（tan δ）是电绝缘和电容器电介质能量损失的关键指标，显着影响性能和使用寿命。保持低耗散因数对于保持绝缘完整性至关重要，因为它可以很大限度地减少不良的能量耗散。

影响耗散因子的关键因素包括：

1、吸湿性，这会提高耗散因数，从而降低绝缘性能

2、材料成分，其中较高的介电常数通常与增加的耗散相关

3、污染物去除，因为提取油或杂质可以通过减少能量损失来提高绝缘效率

了解和控制耗散因子对于优化静电物品的电荷保持性能至关重要。虽然耗散因数差异很大，但 和 PHB 等生物聚合物通常表现出比聚丙烯 （PP） 更高的耗散因数。

另一个需要考虑的关键因素是电阻率。尽管聚合物通常表现出绝缘行为，但它们仍然可以在直流场下表现出导通。体积电阻率高于 10⁹ Ω·m 的材料被认为是良好的绝缘体，电阻率与介电常数成反比。即使是微量杂质也会显着改变电阻。有几个因素会影响电阻率，包括：

1、添加剂的种类和浓度

2、含水量

3、由于长期使用导致材料降解。

请注意，虽然体积电阻率对于评估体绝缘性能至关重要，但表面电阻率预计将在驻极体光纤中发挥更关键的作用。文献中报道了各种电阻值， 和 PHB 表现出与聚丙烯 （PP） 相当的电阻值。

结构性质

非极性塑料表现出低介电常数和高电阻率，这主要是由于其对称的分子结构和小的极性。它们的极性程度取决于组成原子之间的电负性差异。常见的例子包括：

• PTFE（聚四氟乙烯）
• PE（聚乙烯）
• PP（聚丙烯）
• PS（聚苯乙烯）

这些材料通常表现出高电阻率、低介电常数和平衡偶极子排列（例如，PTFE 的交替 – CF₂– 基团）。通过偶极矩计算以德拜单位 （D） 评估极性。影响极性的关键因素包括：原子之间的电负性差异分子几何（例如，对称性）极性键（例如，C=O、O-H）构象缺陷（例如，聚合物链中的螺旋变形）

在生物塑料中，具有烃链或弱极性官能团的材料往往表现出较低的极性。例如：与其他生物聚合物相比，（聚乳酸）的极性相对较低，因为它具有碳氢化合物主链，尽管其酯基会引入轻微的极性。PHA（聚羟基脂肪酸酯）由于其酯官能团而表现出中等极性。

另一个需要考虑的特性是羟基 （-OH） 基团（例如纤维素中的基团）之间形成的氢键，并且可以显着影响材料的介电行为。氢键的增加增强了极化，导致某些聚合物的耗散因数更高。

关键例子：

聚酰胺（尼龙 6）：含有酰胺基团 （–NH–（C=O）–），每六个碳原子含有一个酰胺。这些基团吸引并保留水分子，导致水分回流并改变介电性能。聚乳酸 （）：具有极性羰基 （C=O） 基团，其中负电氧促进氢与水键合，影响其介电响应。聚羟基丁酸酯 （PHB）：还含有羰基，能够与水氢键，进一步影响介电性能。

外科医生团队在外科手术室监测患者。

半晶结构

结晶区域具有紧密堆积的聚合物链，限制了水的渗透和氢键的形成。非晶区域的密度较低，使水分子能够更自由地相互作用并形成氢键。这种晶体结构在确定聚合物的整体介电行为方面起着关键作用，特别是在吸湿环境中。

在驻极体光纤应用中，疏水性被证明特别有利。当水接触这些纤维时，潜在的氢键形成可以增强导电性。然而，为了获得很好的静电性能，纤维表现出：低表面能高疏水性大接触角是推荐，因为这些特性共同有助于保持关键的绝缘特性。这些属性的结合使此类材料特别适合保持绝缘完整性至关重要的静电过滤应用。

热特性

对于静电纤维应用，两个关键的热转变——玻璃化转变温度 （Tg） 和熔化温度 （Tm）——定义了性能极限。Tg 标志着机械刚性的开始;低于此点，聚合物保持结构稳定，由于分子迁移率受限而减少介电损耗。Tm 是热边界的上限;超过它会导致晶体坍塌、尺寸和介电稳定性的损失以及潜在的材料失效。在这些热限制内运行对于保持机械和驻极体性能至关重要。

与聚丙烯 （PP） 相比， 和PHB表现出不同的热性能，聚丙烯 （PP） 是驻极体过滤中的常见材料。PP具有低Tg（~−10至0°C）和160–165°C左右的Tm，可灵活处理和稳定加工。具有更高的Tg（~55–65°C） 和Tm（~150–170°C），具有更好的耐热性，但脆性增加。PHB的Tg为~5–10°C，Tm为~170–180°C，结晶度适中，但由于接近熔点而降解，热加工稳定性有限。这些热特性是驻极体介质性能和可制造性的关键考虑因素。仔细选择具有适当Tg和Tm 值的聚合物可确保在指定的热作窗口内实现可靠的过滤性能，平衡机械稳定性和很好的介电特性8。

总结与讨论

本研究探讨了生物基聚合物——聚乳酸 （） 和聚羟基丁酸酯 （PHB）——在静电空气过滤应用中作为传统碳氢化合物和碳氟化合物的可持续替代品的潜力。尽管与聚烯烃相比表现出更高的介电常数和介电损耗，但 和 PHB 都表现出适合驻极体光纤应用的特性。尤其是 在热、机械和介电特性之间表现出良好的平衡，而 PHB 显示出前景，但需要进一步提高热稳定性以满足工业性能标准。

过滤介质的结构属性，尤其是聚合物密度和纤维网络几何形状，在决定驻极体过滤介质性能方面起着至关重要的作用。对于固定的基重和纤维直径，聚丙烯 （PP） 由于其较低的密度，可提供更大的表面积，从而提高电荷存储能力。当匹配固体体积分数时，PP 基介质可实现更高的厚度，有助于增强容尘能力。此外，如果表面积在相同的基重下相等， 的更高密度和更细的有效纤维直径会导致孔径更小，从而导致气流阻力增加。这些结构差异继续使 PP 在过滤介质有效性方面具有优势。

这项研究的一个关键发现是驻极体行为对充电方法高度敏感。针对一种充电机制优化的纤维在受到另一种充电机制时可能表现出次优性能，并且电荷增强添加剂的有效性也相应变化。这凸显了进一步研究聚合物化学、加工条件和驻极体充电机制之间关系的必要性——得到高级仿真和建模的支持。

总之，虽然氟化和碳氢化合物聚合物目前因其优异的介电性能而在驻极体过滤领域占据主导地位，但 和 PHB 是迄今为止确定的很可行的生物基替代品。通过适当的挤出工艺控制， 为驻极体介质提供了近期的可持续选择。PHB 虽然很有前途，但需要额外的材料工程来改善其热性能，以获得更广的适用性。这些发现有助于在不破坏功能性能的情况下持续开发对环境负责的过滤技术。