击打引起的布料表面沉积颗粒再悬浮的实验研究

摘要

沉积颗粒的再悬浮是室内颗粒污染物的重要来源之一，对人员健康构成严重威胁。反向溯源研究表明，高达30%的室内可吸入颗粒物是由沉积颗粒的再悬浮所致。当沉积颗粒受到外部扰动时，若扰动产生的分离力足以克服沉积颗粒与附着面之间的粘附力，沉积颗粒便从附着表面分离而悬浮到空气中。附着面材料的硬度、粗糙度、带电情况等是影响颗粒与附着面之间粘附作用力的主要因素。当前关于附着面材料的研究主要集中在玻璃、钢板、木材、硅片等硬质材料，而关于布料等柔软可变形的纤维织物的研究则相对较少，诸如洁净服、过滤材料等织物表面粘附颗粒的去除脱离机制尚不清楚。 本文通过实验方法，研究了机械撞击引起的布料表面沉积颗粒分离与再悬浮的过程。将亚利桑那测试粉尘（ATD）气溶胶化后通入密封的玻璃空腔内，以自然沉降的方式沉积在聚酯纤维或棉质布料的单侧面。测试布料长130 mm、宽100 mm，左右两边留出15 mm被垂直夹持固定于再悬浮试验台上，有效的颗粒沉积面积为100 mm×100 mm。击打杆为中空的圆柱体，长130 mm、内外径分别为12 mm和20 mm。击打杆挤压弹簧后被销子固定，释放销子后击打杆将从背面撞击未沉积颗粒一侧的布料中心。使用激光位移传感器记录布料中心点的运动状态。以发烟笔产生的示踪烟雾观测布料运动引发的湍动气流。并借助高速相机对布料的运动过程、烟气运动状态、颗粒团的脱离悬浮过程拍摄成像。使用精密电子天平称量击打前后布料上沉积颗粒质量的变化，并统计悬浮颗粒、掉落颗粒、残留颗粒占总沉积质量的比例。并且对击打后残留颗粒痕迹的相对光强度与布料拉伸率和曲率的关系进行对比分析。基于上述实验过程，还比较了击打杆冲击强度、颗粒沉积面密度和布料类型对颗粒分离过程的影响。 研究表明，当布料受到击打杆的撞击时发生剧烈变形，布料被击打杆挤压到最大位移的过程中反向加速度持续增加，当其达到一定值时（对斜纹聚酯纤维布料为192.5 m/s2），粘附颗粒由于惯性从布料表面脱离。布料运动引发周围空气形成湍流漩涡，促使已脱离颗粒发生减速，并汇聚形成颗粒云团。击打过程中与击打杆接触的中心区域的布料拉伸率最小，颗粒脱离率也最小。受到击打杆挤压时布料未被固定的两边发生弯曲，导致表面颗粒层被挤压破裂形成大颗粒团，促进了颗粒的分离。击打强度的增大导致最多90%左右的颗粒从布料表面脱离。颗粒层越厚越易发生破碎，因此当冲击强度达到一定值时（本文研究结果为20 J/m2），击打较厚颗粒层的布料反而比击打较薄颗粒层的布料颗粒清除的效率更高。棉布表面纤维杂乱粗糙，缝隙内颗粒清除难度增大，导致棉布的残留颗粒质量能够比聚酯纤维多20%左右。

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