汽車機油過濾用材料的研究現(xiàn)狀

馮建永 張建春 張 華 楊大祥

(1.東華大學紡織學院，上海，201620; 2.總后軍需裝備研究所，北京，100082;3.裝甲兵工程學院，北京，100072)

汽車機油過濾用材料的研究現(xiàn)狀

馮建永1，2張建春2張 華2楊大祥3

(1.東華大學紡織學院，上海，201620; 2.總后軍需裝備研究所，北京，100082;3.裝甲兵工程學院，北京，100072)

闡述了國內(nèi)外汽車機油過濾用材料的市場狀況、常用的過濾介質(zhì)與其性能以及過濾介質(zhì)的研究現(xiàn)狀。介紹了機油過濾用的纖維材料以及研發(fā)中的膜過濾材料和納米纖維過濾材料等。指出在汽車機油過濾領(lǐng)域中，非織造過濾材料有廣闊的發(fā)展前景，應重點開發(fā)兩層、三層等多層過濾材料，還應利用靜電紡絲技術(shù)開發(fā)納米纖維過濾材料。

汽車機油，過濾介質(zhì)，非織造過濾材料，膜過濾材料，納米纖維過濾材料

汽車機油是汽車發(fā)動機潤滑油的簡稱，屬于潤滑油大類中的一種，有“汽車血液”之稱。機油在長期使用之后會變質(zhì)，如不及時更換就會加大對發(fā)動機的磨損甚至造成部件損壞，因此建議車主們應按照車主手冊的說明及時更換機油。更換機油時需先放出變質(zhì)舊油，隨后從發(fā)動機艙加入新油。

機油要經(jīng)過機油濾清器才能到達潤滑部位。汽車機油濾清器主要是對進入發(fā)動機系統(tǒng)的機油進行過濾，濾去雜質(zhì)，以防止機油在使用循環(huán)過程中因不斷混入的雜質(zhì)(灰塵、金屬碎屑以及機油遭氧化形成的膠質(zhì)物)而造成油道堵塞，乃至損壞發(fā)動機。目前大多數(shù)轎車使用的都是不可拆卸清洗的一次性濾清器，因此在汽車每行駛5 000 km更換機油的同時也應更換機油濾清器，以保證機油對發(fā)動機良好的潤滑效果。

目前應用于汽車機油濾清器的濾芯材料主要有棉木漿濾紙、玻纖濾紙、合成纖維過濾材料、金屬絲網(wǎng)、復合結(jié)構(gòu)的濾紙以及非織造過濾材料等。

1 汽車機油過濾材料的市場現(xiàn)狀

1.1 國際市場

美國的Donaldson公司［1］使用納米纖維做空氣、汽車機油和工業(yè)過濾用材料，該納米纖維具有亞微米級直徑，已使用了20多年。與傳統(tǒng)的過濾介質(zhì)相比，納米纖維過濾介質(zhì)具有較好的過濾特性、較長的使用壽命和容塵能力。如果將這些納米纖維形成網(wǎng)狀(有時也被稱為納米網(wǎng))，網(wǎng)的厚度僅為幾根納米纖維直徑之和，小于1～5 μm。納米纖維網(wǎng)可以應用在各種不同的基材上，基材可以提供合適的力學性能而滿足褶皺、過濾器制造、耐用性、過濾器的清潔性等要求。在使用過程中，制造濾芯用的纖維有聚丙烯、聚酯、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酰亞胺、聚四氟乙烯等，也有用納米纖維做過濾介質(zhì)，主要是利用靜電紡絲技術(shù)和基材形成復合的過濾介質(zhì)［2］。

美國Pall公司的汽車機油過濾主要采用玻纖濾紙、不銹鋼編織網(wǎng)、木漿濾紙、不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)，其過濾精度有1～3、3～5、5～12和20～25 μm 等不同種類，具有過濾精度高、阻力低、流量大、納污量高、壽命長等特點。

意大利Sofima汽車濾清器公司主要使用聚環(huán)氧乙烷(PEO)纖維、棉纖維和玻璃纖維作為過濾材料。Sofima是意大利UFI集團的全資子公司，在我國為上海大眾、一汽大眾、上海通用、東風標致、長安福特、華晨汽車、南京依維柯、湖南長豐等整車廠和發(fā)動機廠提供O.E.M配套服務。

德國的Mann-Hummel(曼·胡默爾)濾清器是國際知名的頂尖汽車配件供應商，在全球具有較好的品牌效應，因其具有最高的品質(zhì)保證，使其生產(chǎn)的原配件產(chǎn)品供應面廣至世界各大汽車制造商。汽車機油濾清器主要采用不銹鋼過濾材料，其他還有各種濾紙、金屬纖維等過濾材料。不銹鋼過濾材料具有較高的過濾性，可有效濾除潤滑油中雜質(zhì)和油劣化物，能延長運動機件壽命，以及通油性好、潤滑油流動時阻力小、有一定力學強度、易清洗、抗腐蝕、抗老化和價格低等優(yōu)點。

美國的Hollingsworth＆Vose(H＆V)公司主要從事過濾材料的生產(chǎn)和研發(fā)，其研發(fā)的機油過濾和燃油過濾的濾紙達到了歐Ⅲ柴油高壓共軌過濾標準的要求(此外僅有德國BOSCH公司產(chǎn)品可以達到該標準)。H＆V公司已有超過160年的歷史。2009年該公司推出先進的NanoWeb納米技術(shù)，NanoWeb 纖維直徑一般為 0.3 ～0.5 μm，但可以上升到1 μm。NanoWeb也可以生產(chǎn)任何利用非織造材料作為基材的涂層過濾介質(zhì)，該納米層的厚度15 ～30 μm 不等。

1.2 國內(nèi)市場現(xiàn)狀

1.2.1 我國非織造材料的主要用途

2010年我國非織造材料的主要用途構(gòu)成見表1。

表1 2010年我國非織造材料的主要用途［3］

從表1可以看出:2010年過濾材料增長較為顯著，達到18.25%;汽車內(nèi)飾材料也增長較快，達到15.29%。環(huán)保標準的提高大大推動了過濾與分離(空氣、液體、水)行業(yè)對非織造過濾材料需求的增長。2010年中國汽車工業(yè)繼續(xù)快速發(fā)展，穩(wěn)居世界汽車產(chǎn)量首位，這也大大推動了過濾材料市場的發(fā)展。

1.2.2 國內(nèi)機油濾清器市場

國內(nèi)主要的濾清器市場有安徽蚌埠，蚌埠地區(qū)的濾清器企業(yè)集群，近幾年濾清器市場總體產(chǎn)銷額平均達到每年18億元，成為全國濾清器行業(yè)產(chǎn)銷量的佼佼者，主要配套及適用于國內(nèi)重型汽車市場，占當?shù)乜傮w濾清器產(chǎn)量的97%以上;此外，還有河南新鄉(xiāng)，該地被稱為“過濾之鄉(xiāng)”，其液壓過濾器在國內(nèi)非常有名。國產(chǎn)的過濾器主要有“豹王”和“金海業(yè)”，所采用的機油過濾材料與國外濾清器企業(yè)所采用的過濾材料相同，有些過濾材料依靠進口。

2 汽車機油過濾用材料

2.1 常用機油過濾介質(zhì)及其性能

一些常用過濾介質(zhì)的性能比較見表2。

2.2 研究現(xiàn)狀

Syverud 等人［5］研究了微纖維膜(MFC，Microfibrillar Cellulose Film)的過濾性能。實驗結(jié)果表明MFC具有較高的拉伸強度、密度和伸長率，其面密度為35 g/m2，抗張指數(shù)是(146±18)N·m/g，伸長率為(8.6±1.6)%。在原紙上使用MFC作為表層(MFC面密度為總面密的0% ～8%)，MFC增加了紙張的強力，也顯著地降低了透氣性。掃描電鏡結(jié)果顯示，MFC層減少了紙張的孔隙率，密實的結(jié)構(gòu)造成了不透氣性。該材料主要用作密封包裝材料和過濾材料。

Turbak等人［6］在1980年從木質(zhì)纖維中生產(chǎn)MFC，這是一種新的纖維。與其他纖維相比，MFC具有較小的尺寸和較大的表面積。在纖維素材料方面，該MFC有較為廣泛的應用前景，在過濾方面的應用已引起人們極大的興趣。與玻璃纖維及玻纖濾紙相比，該 MFC已經(jīng)在取代一些合成高聚物。MFC原纖維的尺寸在納米級范圍之內(nèi)，直徑在10 nm左右。

表2 一些常用過濾介質(zhì)的性能比較［4］

Suh等人［7］研究了聚酯纖維氈的過濾特性以及注射噴嘴距離對壓降的影響。該聚酯纖維氈的面密度是564 g/m2，氈的厚度是2.34 mm，透氣量是 0.166 m3/(m2·s)，過濾速度是 1.5 m/min，噴射距離分別是 0.05、0.11、0.16 和 0.22 m，脈沖壓力是490 kPa。根據(jù)理論模型和實驗模型來預測壓力降，實驗模型主要包括濾餅阻力和質(zhì)量密度指數(shù)兩個參數(shù)，這兩個參數(shù)可以通過實驗來估計。實驗結(jié)果顯示，理論模型和實驗數(shù)據(jù)之間的吻合效果比較好，兩者之間的相關(guān)系數(shù)是0.952。

為了減少柴油車輛的尾氣排放［8］，尤其是降低尾氣顆粒的質(zhì)量濃度和計數(shù)濃度，采用陶瓷材料做汽車的微粒過濾器。陶瓷材料過濾介質(zhì)既可以用于液固分離，也可以用于氣固分離。壁流陶瓷濾清器采用金屬氧化物進行涂層處理可以獲得90%以上的過濾效率。但是，陶瓷濾清器在過濾過程中存在一些問題，如不足的可靠性和過高的壓力降均會導致在低溫條件下出現(xiàn)固體顆粒的堵塞現(xiàn)象，高溫以及高的溫度梯度會導致過濾材料出現(xiàn)機械破裂現(xiàn)象。顆粒控制裝置使用金屬材料能夠減少尾氣的排放，產(chǎn)生的壓力降較低，可簡化柴油顆粒過濾器的復雜結(jié)構(gòu)，并可避免很多問題的出現(xiàn)，所以金屬過濾材料在顆粒去除方面也有較大的應用。實驗結(jié)果顯示，金屬海綿做成的濾清器的顆粒去除效率超過50%。另有研究人員采用金屬做成直通式濾清器，應用于重型柴油車輛，發(fā)現(xiàn)尾氣顆粒的質(zhì)量濃度減少了50% ～70%，但是粒子的計數(shù)濃度減少小于50%。

2.3 機油過濾用纖維材料

2.3.1 非織造材料

隨著非織造技術(shù)的發(fā)展，通過針刺方法生產(chǎn)的聚酯非織造材料已經(jīng)作為非常重要的過濾介質(zhì)在應用，而傳統(tǒng)的聚酯針刺非織造材料存在一些不足，主要是其過濾效果不能滿足環(huán)境標準方面的要求。為了改善過濾介質(zhì)的性能，許多研究人員開始嘗試采用各種不同的方法加工非織造過濾材料，如使用一些特殊的纖維，增加一個膜層，或者對非織造材料進行涂層整理或軋光整理等，還可制成過濾氈以及通過靜電紡絲技術(shù)制取納米級的過濾網(wǎng)［9］。

2.3.2 多層材料

最新的一些過濾介質(zhì)都具有多層結(jié)構(gòu)［10］，如兩層或三層結(jié)構(gòu)。多層結(jié)構(gòu)的過濾介質(zhì)可以用于空氣過濾，也可以用于機油過濾。兩層結(jié)構(gòu)的過濾介質(zhì)以聚丙烯熔噴非織造材料作表層，化學黏合的聚酯纖維網(wǎng)作為底層，利用聚乙烯粉末通過熱黏合方法黏結(jié)在一起。三層結(jié)構(gòu)的過濾介質(zhì)上表層是聚酯紡粘非織造材料，表層是聚丙烯熔噴非織造材料，底層是化學黏合的聚酯纖維網(wǎng)，層間都是通過超聲波黏合方法黏結(jié)在一起。表3列出了幾種多層結(jié)構(gòu)過濾介質(zhì)的生產(chǎn)工藝。掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，K01、RF01和RF02三種過濾介質(zhì)的纖維尺寸幾乎相同，都沒有上表層結(jié)構(gòu);K01、K02和K03三種過濾介質(zhì)使用相同的聚丙烯纖維網(wǎng)作為表層，但每種過濾介質(zhì)中每一層的厚度稍有差別;K02和K03過濾介質(zhì)使用了上表層結(jié)構(gòu)。聚丙烯纖維的強力低，所以很容易受到外在的影響或者機械力的作用而遭損壞。

在研究表3所列的五種過濾介質(zhì)的過濾性能時發(fā)現(xiàn)，K02具有最小的壓力降，RF01顯示最高的流阻特性;對于多層過濾介質(zhì)而言，表層主要有助于降低壓力;在厚度方面，K02具有最薄的表層，RF01具有最厚的表層，K02上表層的厚度也很薄，且呈現(xiàn)不均勻的分布狀態(tài)，表層厚薄不均勻的情形導致了K02較低的壓力降和低的過濾效率。多層過濾介質(zhì)的表層具有非常重要的作用，直接影響過濾效果;表層厚度是一個主要的影響參數(shù)，與過濾介質(zhì)的過濾速度和靜電增強效果相關(guān)。

表3 過濾介質(zhì)的纖維材料和結(jié)構(gòu)特征［10］

紐約州立大學石溪分校的Wang Xuefen等人［11］研究了三層復合結(jié)構(gòu)的高通量過濾介質(zhì)，表層是無孔的親水性納米復合涂層，中間層是靜電紡納米纖維基片，支撐體是常見的非織造超細纖維，該新的過濾介質(zhì)被首次應用于油/水乳液的分離。利用聚乙烯醇(PVA)靜電紡絲制備了納米纖維基質(zhì)，并在丙酮溶液中將聚乙烯醇與戊二醛(GA)化學交聯(lián)。結(jié)果顯示，交聯(lián)的聚乙烯醇基質(zhì)具有優(yōu)異的耐水性和良好的力學性能。上層的納米復合層是由親水性的聚醚-b-聚酰胺共聚物或一個交聯(lián)的聚乙烯醇水凝膠混合的多壁碳納米管組成。在儀器的分辨率范圍之內(nèi)，掃描電鏡檢測結(jié)果顯示納米復合層是無孔的，多壁碳納米管很好地分散在聚合物基體上。油/水乳液測試結(jié)果顯示，這種獨特類型的過濾介質(zhì)具有高的流速［在0.7 MPa喂給壓力下的流速高達330 L/(m2·h)］和優(yōu)秀的總有機溶劑拒絕率(99.8%)，且沒有顯著的污垢產(chǎn)生。在涂層表面，隨著表面經(jīng)過氧化的多壁碳納米管數(shù)量的增加，一般流量也會增加，這主要是因為在復合膜中產(chǎn)生了更多有效的親水性通道來讓水分子通過。

2.4 膜過濾材料

金屬多孔膜和陶瓷多孔膜是透氣性很好的材料，具有特殊的性能，如分離和過濾作用、良好的強力、耐腐蝕性、化學穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在過濾方面有很好的應用前景。與對稱性的多孔膜相比，不對稱性膜具有較好的孔隙梯度，較高的過濾效率和可操作性。因為薄的孔層結(jié)構(gòu)具有小的孔徑，從而具有足夠的過濾精度;而厚的支持層具有更大的孔徑、較好的透氣性和強力。

有研究人員采用從硅和鋁的粉末中制取陶瓷膜，并研究了一些技術(shù)參數(shù)，如顆粒尺寸、燒結(jié)溫度和時間對孔徑大小以及膜的性能的影響。應用于過濾的燒結(jié)金屬粉末的主要加工方法是模壓燒結(jié)和非模壓燒結(jié)，形成不同的層，使其具有不同的組成。粉末沉淀技術(shù)可能導致多孔材料具有不同的空隙梯度，通過不同的粉末粒徑和形狀可以研究不同沉淀速度的影響［12］。還對金屬燒結(jié)粉末的過濾過程進行研究，利用掃描電鏡分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究流速與壓力降、顆粒直徑與累積頻率、孔徑與相對孔徑體積、顆粒尺寸與累積頻率之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示:分散劑可以組織凝結(jié)的形成，顆粒的形狀也會影響材料的結(jié)構(gòu)，在沉淀動態(tài)過濾過程中分散劑的濃度和顆粒形狀是很重要的參數(shù)。為了減少在過濾過程中試樣的破裂，可以把試樣烘干。對于8 μm過濾精度的球形顆粒試樣，孔徑大小為4 μm，流體透過系數(shù)為 1.32 ×10－12m2;而 11 μm的不規(guī)則顆粒形狀的試樣，孔徑大小為5 μm，流體透過系數(shù)為0.14 ×10－12m2。

2.5 納米纖維過濾材料

靜電紡絲能夠產(chǎn)生具有納米級直徑的連續(xù)聚合物纖維［13-15］。由聚合物溶液制得的靜電紡纖維中，存在的剩余溶劑能夠引起相交纖維的黏結(jié)，形成互相連接的多孔結(jié)構(gòu)。非織造納米纖維能夠自組裝形成像膜一樣的網(wǎng)，具有良好的拉伸強度和輕的質(zhì)量。Ryu等人［16］研究了由聚酰胺6納米纖維組成的非織造氈的物理性能。根據(jù)纖維直徑計算的靜電紡絲氈的比表面積為9～51 m2/g、孔隙率為25% ～80%、孔徑為 0.17 ～2.7 μm。與工業(yè)化生產(chǎn)的非織造材料相比，靜電紡非織造納米纖維氈具有較大的比表面積和較小的孔徑，因此可以應用于過 濾［17］、酶 活 性 劑［18］以 及 生 物 應 用 等 方面［19-20］。

聚乙烯醇被選為靜電紡絲的基質(zhì)材料，這是因為聚乙烯醇是水溶性聚合物，經(jīng)過交聯(lián)劑處理后可以形成三維的防水網(wǎng)［21-22］。交聯(lián)聚乙烯醇非常適合做過濾介質(zhì)，因為其具有生物相容性、良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，且易于加工。聚乙烯醇是一種廉價材料，在大多數(shù)生理條件下可生物降解。除了作為基質(zhì)之外，聚乙烯醇也可以作為表面涂層使用。另一種涂層材料是Pebax，這是一種聚醚—聚酰胺嵌段共聚物，可以加工成具有不同親水性的材料。該共聚物有多種用途，可以應用于先進的膜分離技術(shù)［23］，包括液體分離［24-25］和氣體分離［26-27］。

利用納米纖維開發(fā)的機油過濾材料美國的Donaldson公司已在應用，而國內(nèi)尚處在實驗室階段。

3 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，汽車已經(jīng)慢慢融入了人們的日常生活，成為不可缺少的一種交通工具。在汽車機油過濾材料方面，對我國現(xiàn)有的市場情況分析和建議是:

(1)國內(nèi)目前沒有特別重視對汽車機油過濾材料的研究，很多過濾材料都是依靠進口，尤其是進口的濾紙，如奧斯龍濾紙、美國H＆V公司的濾紙、美國Lydall的濾紙等。

(2)非織造材料在過濾方面具有廣闊的發(fā)展前景，應重點開發(fā)兩層、三層等多層過濾材料。

(3)開展新的過濾材料的研發(fā)，如利用靜電紡納米纖維開發(fā)新的過濾材料。

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Study actuality of automobile oil filtration materials

Feng Jianyong1，2，Zhang Jianchun2，Zhang Hua2，Yang Daxiang3
(1.College of Textile，Donghua University;2.The Quartermaster Research Institute of General Logistics Department of the PLA;3.Armored Force Engineering Institute)

The market situation of automobile oil filtration material at home and abroad，and general filter media and their properties and study status of filter media were presented.The fiber material used for oil filtration and development of membrane filtration material and nano-fiber filtration material were introduced.It was pointed out that nonwovens filtration material have wide development prospects in field of automobile oil filtration，and it should develop two lays and multi-lays filtration materials and should adopt electrospinning technology to develop nano-fiber filtration material.

automobile oil，filter medium，nonwovens filtration material，membrane filtration material，nano-fiber filtration material

TS106.6+2

A

1004－7093(2011)09－0005－06

2011－06－03

馮建永，男，1983年生，在讀博士研究生，總后軍需裝備研究所科研助理。研究方向是紡織材料及產(chǎn)品設計。