呼吸道防護基礎理論及非織造布的生產技術

呼吸道防護基礎理論及非織造布的生產技術

1從日?；顒拥轿廴净顒拥奈廴緩墓糯浇裉?，污染嚴重影響了人類的健康，伴隨著人類文明的進程?，F(xiàn)在污染來自我們的日?；顒?。很多個世紀以來,礦工都使用特殊的服裝來覆蓋他們的鼻子和嘴以保護他們的呼吸道系統(tǒng)人們對于使用紡織品來進行呼吸道保護的過濾機理也從一開始的模糊不清逐漸形成了科學系統(tǒng)的解釋,其中阿爾布雷其特2分散介質過濾“過濾”可以被形容為顆粒在開孔物質中以分散的方式進行沉積的過程,被過濾的物質可以是固體或液體,分散介質可以是氣體(大多數(shù)是空氣)或液體。在需要進行呼吸道防護的情況下,我們面臨的最為主要的問題是凝膠過濾,主要是由于在這種過濾情況下固體物質或液體顆粒會分散至空氣中去。在過濾過程中所使用的過濾介質的結構可以分為纖維束狀、顆粒狀和毛細管狀,以下章節(jié)所考慮的因素都與過濾材料的結構有關。2.1關于流場的定義過濾理論可以通過將一個圓柱體垂直位于一股凝膠流中進行闡釋,我們通過這種方法可以確定不同尺寸顆粒在圓柱體上的過濾效果,其中確定圓柱體周圍的速度場是一個關鍵點。我們通常采用流體函數(shù)Ψ來描述二維狀態(tài)下穩(wěn)定流體的行為。根據(jù)1993年布朗(Brown)的定義,流體函數(shù)Ψ的值可以在流體上取任意兩點被定義,或者取當Ψ=0時的任意另一點進行定義。將Ψ取常數(shù)值時的兩點結合起來,我們便可以獲得一條流線體,且無橫向的流體與其交織交錯。從一條流線體的描述中,我們可以知道流體的形狀、流體的方向以及流體的速度。如果兩股流線體非?？拷鼊t意味著流體速度很快,如圖1所示。流場中任意一點的速度向量都與這一點的流線體相切。流體速度與流線體函數(shù)可以在如下苗卡爾坐標系中表示:實驗表明纖維附件的流線體的形狀取決于雷諾值(Reynold’snumber)對公式(2)進行分析后我們可以看出雷諾值取決于流體的性質、過濾材料的結構,主要受障礙物直徑的影響。一些雷諾值的計算案例羅列詳見表1,其中空氣的密度設定為大約1.20kg/m針對不同的過濾結構,文獻中通常會出現(xiàn)不同的公式以定義流線函數(shù)Ψ1959年,卡瓦巴(Kuwabara)也對那維爾·斯多克斯(Navier-Stokes)公式進行了修正以求解流體流過一排平行排列的圓柱體時所具有的邊界條件。2.2單纖維過濾機理單纖維是過濾用纖維束材料的基礎單元,在呼吸道防護中我們通常將纖維束疊層排列制成最終產品?；谶@個原因,對過濾機理的解釋應該從對單纖維上物質的分散相開始。當纖維位于流體中且垂直于液體的流動方向時,單纖維的過濾效率可定義為所有被隔離物質的橫截面占流體介質的橫截面的比值過濾的效率可以表達如下:當纖維遠離這股流體,其流體函數(shù)可定義為y=vy,公式(4)則調整為:厚度為h的過濾材料中細分顆粒的沉淀值為:過濾的效率可以表達如下:2.3單纖維細胞菌件的機械捕獲過濾現(xiàn)象是在空氣中傳播的顆粒機械和電子的作用下共同產生的,機械捕獲并不受空氣中顆粒和過濾纖維的吸引力的影響。1993年布朗(Brown)(1)空氣顆粒的重力根據(jù)布朗(Brown)1993年所提出的理論,對顆粒直接的攔截發(fā)生在空氣中傳播的顆?；蛱幱趹T性運動的作用下或處于擴散運動的作用下,這些顆粒不受任何外部作用力的影響,包括重力的作用。(2)顆粒運動規(guī)律任何流體的聚合、分散或彎曲都會引起空氣加速度,鑒于此,如圖2所示,顆粒將不能沿著氣流的軌跡運動。顆粒所遵循的運動曲線是由其質量和慣性決定的,符合斯多克斯(Stokes’)氣體運動規(guī)律。1969年斯捷奇娜(Stechkina)等人采用卡瓦巴(Kuwabara)理論描述了單纖維在直接攔截和慣性作用下的過濾效率(3)擴散運動根據(jù)1905年愛因斯坦(Einstein)(4)重力作用斯克科娜(5)非織造過濾材料的分類纖維束過濾材料和凝聚顆粒通常都會攜帶特殊的電荷,這種電荷會增加過濾的效率?？茖W家們根據(jù)靜電力的作用發(fā)明了許多方法來決定顆粒的捕獲機理當纖維上分散介質顆粒產生靜電沉積時會產生兩種非常顯著的現(xiàn)象:第一種現(xiàn)象發(fā)生在帶有靜電的顆粒和纖維之間,在這種情況下,單纖維的過濾效率是由布朗(Brown,1993)定律決定的,第二種現(xiàn)象發(fā)生在當纖維所產生的電場會對不帶有電荷的顆粒產生影響,在這種情況下,顆粒材料會被電場極化。由電極化力對顆粒的捕獲效率也可以通過布朗以下的3個參數(shù)對材料的過濾效率起到了重要的影響:1)過濾材料的厚度、纖維的直徑、過濾材料的多孔性及纖維所攜帶的電荷量;2)顆粒的直徑、顆粒所攜帶的電荷量及顆粒的介電常數(shù);3)氣流的速度、溫度及空氣的黏度。非織造布是用于過濾固體和液體凝膠雜質的基礎材料,它能滿足呼吸道防護的要求主要是由于其較小的氣流阻力和較大的灰塵吸附能力所產生的高過濾效率。非織造布的生產技術工藝和過濾現(xiàn)象有關的理論知識是成功設計過濾系統(tǒng)的必要基礎。3.1非織造過濾材料的分類在氣溶膠過濾的裝備中,非織造布是基材。非織造布可以通過不同的工藝獲取,但以原材料來進行劃分是對非織造布分類的基礎標準,根據(jù)這一標準,非織造布可以分為纖維類和聚合物類。詳細的有關非織造布的生產技術細分如圖3所示。根據(jù)過濾類型的不同,為了滿足特定的功能,多層非織造布的設計也各不相同。以下是在過濾材料中最為常用的非織造布的種類:(1)針刺非織造布,起初這種類型的非織造布被用來吸收較為粗大的凝膠顆粒雜質,通常應用于過濾器和半遮蓋面部的面罩中;(2)熔噴非織造布,主要作為過濾裝置的基礎層被使用;(3)類紙質的非織造布,通常被折疊后作為基礎層和連接接頭固裝在一起;(4)紡粘非織造布,通常作為過濾材料的外層被使用,以保護內層過濾材料不受到機械破壞。如果從呼吸道過濾裝置的總體設計來考慮,其分類如下:(1)全覆蓋面部的過濾裝置(面罩、半面罩、1/4面罩、帶有過濾嘴的面罩);(2)半覆蓋面部的過濾裝置。如果從過濾器本身的設計來考慮,其分類如下:(1)平面狀的過濾器:是指將非織造布疊層后,邊緣通過焊接技術固裝;(2)封裝的過濾器:是指將疊層后的非織造布封裝在一個開口的容器中,允許氣流的通過;(3)同連接頭整體封裝的過濾器:是指將起褶的非織造布封裝在一個盒子中,一側具有出口,另一側具有連接頭。理論已經證明,如果在非織造布內部產生靜電場,纖維將大量吸附灰塵雜質。根據(jù)這一理論,非織造布可以進行額外的改良以提高其過濾效果,根據(jù)其積聚電荷的能力,纖維狀的靜電材料可分為3類:(1)成網(wǎng)后材料通過電暈放電積聚電荷;(2)材料在靜電場中紡紗時產生的感應作用積聚電荷;(3)材料通過摩擦起電積聚電荷。3.2用于非織布生產技術的非竹布保護(1)影響過濾效率的因素針刺非織造布是通過梳理機首先成網(wǎng),然后通過鉤針穿刺進行加固。針刺可以將纖維緊密交織在一起、壓縮作用會增加纖維間的摩擦力。理論研究表明:纖維厚度、纖維密度、過濾網(wǎng)的厚度以及纖維的混合成分將直接影響其過濾效率,這些因素也是導致摩擦起電后電荷積聚現(xiàn)象的必要成因?？唆斔箍?2)功能單元的技術參數(shù)熔噴非織造布是濾材的基材之一,熔噴技術是通過氣流將纖維噴射在條帶上,然后經過冷卻、沉積成網(wǎng),所形成的非織造布由極細、非連續(xù)的纖維構成。熔噴非織造布的性能與它的技術參數(shù)緊密相關,而這些技術參數(shù)是由在生產過程中的各個功能單元的技術參數(shù)來決定的同針刺非織造布相類似,我們也可以通過在凝膠顆粒和非織造布之間引入靜電荷來增加熔噴非織造布的過濾效率,常用的方法是涂覆駐電極膜靜電荷誘導是過濾技術中所采用的一種方法誘導包括將導電材料置于靜電場中,使其積聚電荷。在靜電荷擠壓過程中,通過導電溶液或通電熔融產生的超細纖維便屬于這一大類。通過靜電紡技術獲得的納米纖維便是將聚合物溶劑滴入外電場中獲得的,這種方法可以制備截面尺寸為納米級別的纖維,因而,這項技術被重視并得以快速發(fā)展2000年,美國多納森(Donaldson)公司制備出納米纖維膜,用于灰塵的過濾。通過靜電紡技術我們也可以制備多層濾材。有關通過熔噴技術、紡粘技術和靜電紡技術制備濾材的信息可參考相關文獻4凝膠防護性能的評價標準正在歐洲執(zhí)行的標準為EN143-2000和EN149-2001,且這兩項標準主要涉及凝膠顆粒滲透防護濾材和半遮蓋過濾面罩。這些標準都是較寬泛的文件,對整套測試方法進行了描述,其中以下所提到的這些方法比較重要,對凝膠顆粒的防護效果進行了評價:(1)測試凝膠顆粒滲透性的評價方法;(3)空氣阻力的評價方法;(4)灰塵吸附性能的評價方法。濾材可以通過其過濾效果進行分類,但半遮蓋式的過濾面罩還需要添加其總滲漏量指標進行分類,如果有其他的需求,其余的參數(shù)還可以被