表面电位衰减与静电空气过滤性能：从实验室到工程应用

基于法国 Poitiers 大学 PPRIME 研究所与罗马尼亚、美国合作团队的最新实验研究解读

关键词
surface potential decay, non-woven fabrics, corona charging, polypropylene filter media, Teflon nanoparticles, 工业烟气治理, 静电空气过滤

在工业烟气治理、洁净厂房和暖通空调（HVAC）领域，如何在保持低压降的前提下提升过滤效率，始终是过滤材料开发的核心命题。近年来，以带电纤维为基础的静电空气过滤材料（electret filter media）得到广泛应用，其关键在于纤维所携带的电荷能否长期稳定存在。电荷一旦快速衰减，过滤器对细颗粒物的捕集效率就会显著下降，这一点在工业除尘和高端空调滤芯的全寿命周期评估中尤为重要。

围绕这一问题，法国 PPRIME Institute（CNRS – University of Poitiers – ENSMA），联合罗马尼亚和美国科研机构，对“电晕充电非织造滤材的表面电位衰减（Surface Potential Decay，SPD）”开展了系统研究，试图用表面电位衰减曲线来预测带电非织造材料的颗粒物捕集效率。论文作者包括 Marius Cristian Plopeanu、Atallah Smaili、Belaid Tabti、Angela Antoniu、Alexandru Biris 和 Lucian Dascalescu，研究对象是两类典型的聚丙烯（PP）空调滤材，用于模拟行业中广泛应用的电驻极非织造空气过滤材料。

对于电驻极滤材而言，颗粒捕集机制可分为机械和静电两部分。机械捕集依靠纤维骨架本身对颗粒的“筛分、惯性、拦截和扩散”，而静电捕集则源于纤维内部或表面储存的电荷所形成的非均匀电场，对带电或极化颗粒产生库仑力和介电力。行业实践已经证明，合理的静电设计可以在不明显增加滤材阻力的情况下显著提高过滤效率。然而，这一优势往往会因电荷随时间的衰减而逐渐丧失，造成滤芯“越用越不行”的隐性性能退化，这在静电除尘器（ESP）和电驻极空气过滤材料的寿命设计中是共同难题。

在实验方法上，该研究以表面电位 Vs 的测量作为电荷量的表征。根据电介质基本关系，样品表面电位与单位面积电荷量 q 呈正比：Vs 与 q 之间可以通过材料介电常数、样品厚度和面积联系起来。因此，通过在线记录随时间变化的表面电位衰减曲线 Vs(t)，可以反推出电荷损失的速率和机理。由于表面电位测量设备成本较低、测试快速且非接触，该方法已在电气绝缘老化、电静电安全评估中得到广泛应用，如今被引入过滤材料电荷稳定性评价，具有明显的工程推广价值。

在样品选择上，研究团队选取了两种 60 mm × 40 mm 的聚丙烯非织造材料，厚度约 200 μm。S1 为常规热压成型的 PP 非织造布，是典型的空调滤材结构；S2 在 S1 基础上，在纤维表面进一步沉积了一层特氟龙（Teflon）纳米粒子，以改变纤维表面的介电和疏水特性。Teflon 纳米改性在工业滤材开发中越来越受到关注，本研究为其在电荷保持方面的作用提供了量化依据。

电晕充电采用三极管式（triode）电晕电极系统：一根钨丝高压电晕线与接地平板之间形成线–板电极结构，在其间布置一片带可控电位的金属栅网。样品紧贴在接地铝板上，位于栅网与接地板之间。通过调节栅网与接地板之间串联电阻和监测微电流，可以精确设定栅网电位 Vg。当样品表面电位 Vs 提升至与 Vg 相等时，栅网与样品之间的电场近似为零，电荷载流子不再被吸引到样品表面，充电过程自动“截止”。这种三极电晕充电方式比传统二极结构能获得更好的充电均匀性和可控性，这一点在前期相关研究中已经得到了验证[8]。

本次所有样品均采用负极性电晕充电，栅网电位设定为 1 kV，充电时间 10 s。标准实验条件下环境温度约 19 ℃，相对湿度 32%。表面电位衰减测试使用非接触式静电电压表与高灵敏度电流计，在充电结束后 3 秒内开始记录，持续 600 秒。多次平行实验表明，SPD 曲线的重复性较好，差异控制在 5% 以内，为后续对比不同处理条件的影响提供了可靠的统计基础。

在影响电荷稳定性的因素中，本研究重点考察了三类工艺或环境参数：材料热预处理、环境相对湿度以及 Teflon 纳米粒子沉积。首先，热预处理方面，研究者将 PP 非织造样品分别在 70 ℃、100 ℃和 120 ℃条件下预热一段时间，再进行相同条件的电晕充电和 SPD 测试。结果显示，随着预处理温度的升高，样品的初始表面电位显著提高，同时表面电位衰减明显变慢，即电荷保持时间延长。这一现象与纤维表面吸附水分的蒸发密切相关。通过对样品在 70 ℃ 预处理前后的质量对比，发现质量约减少 0.2%，可以归因于表面和孔隙中水分的脱除。对于本身疏水的聚丙烯而言，表面微量水膜会显著提高表面电导，成为电荷泄放“通道”；适度加热既降低了表面导电性，也可能促进外部电荷向材料体内部陷阱注入，从而提高电驻极的稳定性。

其次，环境湿度的影响在 SPD 曲线中表现得同样明显。研究团队将样品在恒温 19 ℃ 条件下，分别暴露在常规相对湿度 32% 和低湿度 15% 的环境中 48 小时，然后进行同样的电晕充电和 SPD 测试。由于水是高介电常数、高极性的液体，水分子倾向于在疏水 PP 纤维表面冷凝，形成一层不连续的导电通路。在相对湿度 15% 的环境中，这些微水膜大大减少，电荷沿表面泄漏的过程受到抑制，SPD 曲线明显变缓。对于工业空气过滤器厂商而言，这提示了一个关键点：车间湿度控制不仅影响纤维加工过程，也会直接影响电驻极滤材的初始充电效果和后续储运期的电荷保持能力。

第三个重要变量是特氟龙纳米粒子沉积。S2 样品在与 S1 相同的基材和厚度条件下，通过纳米技术在纤维表面引入一层 Teflon 纳米颗粒。Teflon 具有更高的疏水性和独特的介电特性，与 PP 形成复合界面。实验结果表明，相比未改性的 S1，S2 的 SPD 曲线形状发生了明显变化：多数样品在初始阶段达到相近或略高的表面电位，但衰减速率整体减缓，电位在 600 s 时仍能维持在更高水平。这意味着，Teflon 纳米层在一定程度上降低了表面漏电通路，提高了陷阱能级或改变了电荷在纤维–空气界面附近的分布。

从行业视角看，这一结果对高端 HVAC 滤芯、洁净室终端过滤器以及部分工业烟气高效预过滤段具有直接启示意义：在保持材料基体和结构设计不变的情况下，通过纳米级表面改性即可显著改善电荷保持特性，从而延长过滤性能的“平台期”。未来若将这一思路与静电除尘器内部预滤、极板涂层或极线附近局部场调控结合，可能形成一类“被动带电–主动电场”协同的多级除尘新方案。

综合这项研究的结论，可以归纳出几条对工程应用具有指导意义的原则：第一，电驻极空气过滤材料的评价不能只看初始过滤效率，更要关注表面电位衰减曲线，SPD 可作为预测长期捕集性能的关键指标之一；第二，从工艺上合理引入热预处理工序，有助于提高有效电荷注入量和稳定性，特别是针对疏水聚合物基非织造滤材；第三，在生产、储存和装配环节控制环境湿度，是保证电驻极滤材性能一致性和稳定性的低成本手段；第四，通过 Teflon 等纳米粒子对纤维表面进行功能化处理，为下一代高稳定性静电过滤材料的开发提供了方向。

对于正在布局高效空调滤芯、工业除尘滤袋、电除尘预滤模块的企业而言，引入 SPD 测试作为研发与质量控制手段，将有助于建立从“材料–工艺–环境–性能”的全链条设计闭环，使静电空气过滤真正从“短期高效”走向“全寿命高效”，在能耗受限和排放标准日益趋严的背景下赢得技术和市场的双重优势。

参考文献
[1] I. M. Hutten, Handbook of Nonwoven Filter Media, Oxford: Elsevier, 2007.
[2] F. J. Romay, B. Y. H. Liu, and S. J. Chae, “Experimental study of electrostatic capture mechanisms in commercial electret filters,” Aerosol Science and Technology, vol. 28, 1998, pp. 224–234.
[3] M. Ieda and S. Goro, “A decay process of surface electric charge across polyethylene film,” Japanese Journal of Applied Physics, 1967, pp. 793–794.
[4] P. Molinié, M. Goldman, and J. Gatellet, “Surface potential decay on corona charged epoxy samples due to polarization processes,” Journal of Physics D: Applied Physics, 1995, pp. 1601–1610.
[5] R. Y. Young, “Kinetics of xerographic discharge by surface charge injection,” Journal of Applied Physics, 1992, pp. 2993–2999.
[6] T. J. Lewis, “Charge transport, charge injection and breakdown in polymeric insulators,” Journal of Physics D: Applied Physics, 1990, pp. 1469–1478.
[7] T. Oda and J. Ochiai, “Charging characteristics of a non-woven sheet air filter,” Proceedings of the 6th International Symposium on Electrets, 1988, pp. 515–519.
[8] B. Tabti, L. Dascalescu, M. C. Plopeanu, A. Antoniu, and M. Mekideche, “Factors that influence the corona-charging of fibrous dielectric materials,” Journal of Electrostatics, 2009, pp. 193–197.
[9] M. C. Plopeanu, P. V. Notingher, L. M. Dumitran, B. Tabti, A. Antoniu, and L. Dascalescu, “Surface Potential Decay Characterization of Non-woven Electret Filter Media,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, in press.

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