浅析家用空气净化器高压电场下的材料老化现象 Analysis of Material Aging Phenomenon of Household Air Purifiers under High Voltage Electric Field

浅析家用空气净化器高压电场下的材料老化现象 Analysis of Material Aging Phenomenon of Household Air Purifiers under High Voltage Electric Field

周梦然 ZHOU Mengran

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519000 Zhuhai Gree Electric Co., Ltd.  ZhuHai  519000

摘要

家用静电除尘式空气净化器集尘组件材料老化问题影响产品可靠性及用户使用体验。本文采用理论分析与实验室验证相结合的方法，从老化现象及理论分析、电老化试验验证方面确定PC/ABS材料在高压电场下的电老化机理，同时将PET与PC/ABS进行对比试验，确定PET材料具有更高的抗电老化性能，可降低静电集尘组件灰尘积聚和爬电的概率，提高可靠性。

关键词：空气净化器；集尘组件；电老化；PET材料

中图分类号：TM925

Abstract

The aging of dust collection components in household electrostatic precipitator air purifiers affects product reliability and user experience. This article adopts a combination of theoretical analysis and laboratory verification to determine the electrical aging mechanism of PC/ABS materials under high voltage electric fields from the aspects of aging phenomena and theoretical analysis, as well as electrical aging test verification. At the same time, PET and PC/ABS are compared and tested to determine that PET materials have higher electrical aging resistance, which can reduce the probability of dust accumulation and creepage in electrostatic dust collection components and improve reliability.

Keywords

Air purifier; Dust collection components; Electrical aging; PET material

1引言

静电除尘是气体除尘方法的一种。静电除尘是利用高电压使极间气体发生电离，电离产生的离子和粉尘在运动过程中相碰撞使粉尘带上电荷，带电的粉尘在电场力作用下移动至收尘极被收集，从而实现气体的除尘[1]。

在静电除尘式净化器实际使用过程中，集尘组件脏污后存在静电打火、难清洗导致使用清洗周期不断缩短的问题。本文对集尘组件脏污导致的打火及难清洗现象进行研究，探讨不同材料在静电除尘式空气净化器高压电场下的老化现象。

2 有机材料电老化机理及PC/ABS材料老化现象分析

有机材料在电场环境下会发生电老化，电老化的机理不同于热老化，一般趋向以下几种，电子陷阱理论、紫外光老化理论、反电晕与局部放电理论、热氧老化理论。

某静电除尘式净化器KJa使用一段时间后，发现集尘组件的塑胶部位开始产生积尘，有树枝状黑色痕迹、变黄。集尘组件、收尘极塑胶部位灰尘用纸擦时有油状物的存在，清洗后有残留黑色痕迹，塑料发黄，现明显的老化现象。整机运行过程中可听到“啪啪”声出现火花放电现象。集尘组件塑料均为PC/ABS工程塑料合金，PC中文名称聚碳酸酯，ABS是丙烯睛(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(s)三单体的三元共聚物，无相关电气绝缘性能要求。

图1使用一段时间的集尘组件收尘极

放电丝是高压端，绝缘材料是低压端，放电丝与绝缘材料接触端部将会形成环状静电电压梯度，从内到外高压递减，据静电压高的反电晕理论，绝缘材料上电压高的地方产生反电晕，造成材料老化，逐步往外推进，外观上表现出材料的吸灰量增加，放电丝附近的反电晕产生的灰尘面将是放射环状的，理论与实际状态相符。

集尘金属板接触的绝缘材料与金属板电位相同，均为零电位。随着电晕放电的进行，集尘板接触的绝缘材料逐渐带电，由于绝缘板的静电衰减影响，出现带电绝缘对金属放电（因为电位差足够大），因为这种放电是四周往中间放电，放电过程易产生树枝状[6]。其理论现象与实际也较为相符。

集尘组件上存在局部放电，材料表面将产生电弧微放电，严重时产生激烈的火花放电，此过程将产生紫外光与瞬间高温，容易攻击键能比较低的C=C双键，故有机聚合物在高电场环境下会加速老化。

高压除尘的过程中会产生臭氧，进一步产生热氧老化。材料发生老化是长分子链断裂成短分子链甚至分解成较小分子的过程，此过程会伴随一些表面油状物增加、变黄、开裂、粉化等现象。实际上灰尘用纸擦时能够明显感觉到油状物的存在，与理论分析一致。

4  PC/ABS材料电老化试验验证

由上面的分析得到，PC/ABS材料发生了降解，而降解过程会造成表面爬电以及绝缘性能降低。鉴于此，对3种使用寿命的PC/ABS积尘盒材质，进行相关测试对比分析验证。

4.1红外光谱分析：

对1#、2#样件进行红外光谱测试，结果如下图所示。

图2  1#和2#对比图

由表2的峰形分析可以看出，2#样相比于1#样，其C=O,C-O,O-H结构大量增多，说明2#相比于1#样件，出现了明显的老化。

4.2耐漏电起痕测试：

对1#、2#、3#样件分别测试350V、400V电压下的耐漏电起痕，并对比试验后状态，结果如下：

1）2#样比1#样在同样400V电压测试下，碳化更明显，破坏痕迹更深。

2）3#样在同样350V电压下比2#样具有更深的破坏痕迹。具有良好耐电痕性能的材料在600V下的耐电痕图样，比1#、2#、3#破坏的状态好很多。

从以上结果可以看出，PC/ABS材质在高电场环境下发生了电老化，电场越高老化速度越快且产生碳化。

5  PC/ABS材料在电场下的老化机理

PC/ABS材料在高电场环境下发生老化，机理为：老化造成材料表面材质降解，生成C=O、OH类亲水基团，产生低分子量的油状聚酯类产物，亲水基会随空气湿度变化，表面吸水量会增大，出现油状聚酯类产物，灰尘类物质一经吸附基本上很难脱离。而随着老化降解的进行，其表面粗糙度也会逐渐增大，表面容易产生局部电场过大而产生表面爬电，爬电造成的降解加速会加速上述过程。

绝大部分有机材料在电场环境下会发生电老化，一般趋向电子陷阱理论、紫外光老化理论、局部放电理论、热氧老化理论等，而这些理论所起作用的条件在现KJa上均存在，集尘组件塑胶材质的老化是由上述理论综合的体现。

6  高电场环境下材料选型及验证

为解决材料电老化问题，初步采用30%玻纤的PET材质替代PC/ABS。加30%玻纤的PET材料具有更高的热变形温度，理论上耐热等级越强，其抗老化的性能越强，同步进行电场环境下老化性能验证。

实验方案：使用PC/ABS与PET材料的净化过滤组件与极板组件在KJ280机器上进行长期运行45天，然后分别测试3台机器周围表面静电压、泄露电压，三次实验后，单独测试材料的局部放电起始电压、电阻率等参数。

试验对象：

试验结果：

1）表面静电压

从上表静电压平均值看，②、③，即PET样机的静电压较PC/ABS高，但与PC/ABS的差距不太明显。

2）泄漏电压

从整体测试数据上看，泄漏电压的最大电压也没有超过0.1V，从测试结果上看，可认为泄漏电压十分安全。

3）加尘试验

运行两个月后，两种材料表面积灰对比情况如下：

PC/ABS的积灰现象很明显，PET材质积灰少，故采用PET材质可以防止抽屉组件积尘，防止反电晕的产生。

4）局部放电起始电压

检测依据：GB/T 7354-2003《局部放电测量》

由以上数据看出，PC/ABS局部放电起始电压较PET低，而且使用45天后其起始电压下降明显，而这也与前面的积尘现象呼应，说明PC/ABS在耐电场能力较差。

5）电阻率

检测依据：GB/T 1410-2006《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》

由以上数据可以看出，PC/ABS比PET的表面电阻率高，但使用一个月老化后，表面电阻率发生了3个次方的降低，而体积电阻率基本没有变化，材料表面发生了变性，其绝缘性能下降，而同时，③PET样件与新的PC/ABS相比，电阻率反而较低，这也跟表面静电压、泄漏电压的数据相一致。

7 总结

（1）PC/ABS材料在高电场环境下发生老化，老化首先造成材料表面材质降解，生成C=O、OH类亲水基团，并产生低分子量的油状聚酯类产物，亲水基会随空气湿度变化，表面吸水量会增大，而油状聚酯类产物，会使灰尘类物质一经吸附基本上很难脱离。而随着老化降解的进行，其表面粗糙度也会逐渐增大，表面容易产生局部电场过大而产生表面爬电，而爬电造成的降解加速会加速上述过程。

（2）PET材料比PC/ABS材料具有更高的抗电老化性能，可降低静电集尘组件灰尘积聚和爬电的概率，提高可靠性，为家用静电除尘式空气净化器高压电场下的材料选型提供借鉴。

参考文献

[1] 方梦祥,柳佳佳,岑建孟,陈泉霖,夏芝香. 高温静电除尘技术研究进展及应用前景[J] . 高电压技术,2019(4):1109.

[2] 冯发达,黄逸凡,刘振,闫克平.基于直流电晕放电和催化剂反电晕的等离子发生法[J] . 高电压技术,2017(6):1822.

[3] 邵涛,严萍.大气压气体放电及其等离子体应用[M] . 北京:科学出版社,2015.

[4]徐亚权,史志龙,冷国术. 电除尘器反电晕的产生及处理对策[J] . 黑龙江电力,2003(4):25.

[5] 赵会良,吴维韩,罗承沐,郭小明,王幽林. 反电晕及其抑制措施[J] . 高电压技术,1995(2):21.

[6] 曾君湘,宋建成,雷志鹏,李艳文.针—板电极下交联聚乙烯电缆绝缘中电树枝生长规律的研究[J] . 高压电器,2019(2):157.

作者简介：周梦然（1993.08），女，本科，建筑环境与设备工程专业，中级工程师，主要从事家用电器质量技术研究工作。