高效空氣過濾材料的特性及檢測方法研究進展

豐蘭

( 航空工業(yè)過濾產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，河南新鄉(xiāng)453019)

0 前言

通常來說，空氣過濾器是一種表面看上去簡單但技術(shù)復(fù)雜的產(chǎn)品，尤其是目前大量應(yīng)用于潔凈室、建筑物、各種運輸工具客艙駕駛艙等內(nèi)的高效空氣過濾器，隨著科技的發(fā)展，對高效空氣過濾器的功能要求也越來越高，從簡單的濾除空氣中的灰塵、顆粒等到濾除各種微生物、有害氣體、病毒等等。而這些空氣過濾器由于應(yīng)用的場合不一樣而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)、檢測方法的不一樣，但是它們所應(yīng)用的最關(guān)鍵部件——過濾材料，是類似的。

1 空氣過濾材料的特性與檢測方法現(xiàn)狀

1.1 空氣過濾材料的介紹

過濾材料通常是以植物纖維、合成纖維、無機纖維等原料，添加適量的化學品，使用造紙設(shè)備和造紙工藝抄造而成的、具有良好過濾性能的、疏松多孔的過濾介質(zhì)。大多數(shù)過濾材料需要用樹脂補強。各種纖維組成有深度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu); 不同樹脂具有不同的補強效果。

過濾材料使用的纖維，主要有天然纖維、人造纖維、合成纖維、無機纖維、特殊纖維、納米纖維等。其中無機纖維中玻璃纖維以其具有耐腐蝕、耐濕、耐熱等眾多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于防毒面具、高效空氣過濾器及亞高效空氣過濾器，圖1 顯示了從原料到過濾材料成形的一系列加工工藝流程。

從圖1 可以看出過濾材料的一般生產(chǎn)制作過程，其中每一步都直接影響了過濾材料的性能。生產(chǎn)出來的空氣過濾材料應(yīng)該可以既有效地攔截塵埃粒子，又不對氣流形成過大阻力。無規(guī)則排列的纖維材料符合這些要求。雜亂交織的纖維形成對粉塵的無數(shù)道屏障，纖維間寬闊的空間允許氣流順利通過，如圖2 所示。

圖2 顯示了纖維空氣過濾材料攔截塵埃粒子的微觀圖，從圖中可以看出塵埃等在纖維材料中聚結(jié)在一起。隨著對高效空氣過濾器的功能要求越來越高，過濾材料的功能也要求越來越多。比如抗菌性的過濾材料，就不能簡單依靠攔截，而必須將其殺死，否則細菌在過濾材料中滋生繁衍就會帶來更多的問題。許多金屬離子有殺菌效果，其中最常見的是銀離子。理論上來講，材料中的銀離子緩慢遷移至材料表面，微生物的蛋白質(zhì)因與銀離子接觸而凝固，導(dǎo)致微生物死亡。而實際上要求將此理論付諸實際也正是目前的最新研究熱點。

1.2 空氣過濾材料需要濾除的顆粒物

不管是塵埃、細菌還是病毒，都可以用顆粒粒徑的指標來描述，圖3 是美國斯坦福研究所(Stanford Research Institute)的研究人員曾給出一張粉塵顆粒度比較圖。

從圖3 可以看出細菌通常在1 μm 以上，病毒通常在0.1 μm 以下，而據(jù)報道，常見的流感病毒通常在0.08 ～0.12 μm之間，這些與人體健康息息相關(guān)的指標是必須要控制的，尤其是在密閉的高速運輸工具比如飛機、高鐵等中。研究表明，密閉的客艙駕駛艙等中的細菌通?？梢员桓咝Э諝膺^濾器濾除99.9%，但病毒由于其粒徑太小還是目前的一個研究難題。

1.3 空氣過濾材料的檢測方法

過濾材料生產(chǎn)出來后需要經(jīng)過檢測以確定其性能參數(shù)，從而反映出過濾材料的結(jié)構(gòu)特征和過濾性能的好壞。通常的檢測包括結(jié)構(gòu)特征的檢測和過濾性能的檢測。結(jié)構(gòu)特征的指標包括抗張強度、抗撕裂強度、耐破度、挺度、厚度、定量、孔徑等，過濾性能的指標包括粒徑的過濾效率、阻力、納污量等。

1.3.1 結(jié)構(gòu)特征的檢測

過濾材料的結(jié)構(gòu)特征指標的檢測通常采用常規(guī)儀器，比如抗張強度儀、抗撕裂強度儀、耐破度儀、挺度儀等等。

另外由于高效空氣過濾器多采用玻璃纖維過濾材料，就要考慮過濾材料的抗?jié)B水性，因為玻璃親水，若不對材料做憎水處理則過濾材料吸潮后會長霉，繼而喪失強度。

1.3.2 過濾性能的檢測

過去，發(fā)達國家規(guī)定使用DOP 法測量高效空氣過濾材料的效率，用粒子計數(shù)法測量超高效空氣過濾材料的效率。早期的其他方法已經(jīng)全部廢止，如鈉焰法、熒光素鈉法、油霧法。而目前，用于衡量高效空氣過濾材料的過濾性能的檢測標準主要是歐盟標準EN1822，此標準所使用的測試方法是利用激光粒子計數(shù)器或凝結(jié)核計數(shù)器測量過濾材料上下游的氣溶膠顆粒濃度，找出最易透過粒徑，得到效率曲線中的最低點，從而得出過濾材料的效率［1］。

從理論上來講，小于0.1 μm 的粒子布朗運動劇烈，主要作擴散運動，粒子越小，撞擊過濾介質(zhì)的幾率越大，因此過濾效率越高; 大于0.3 μm 的粒子主要作慣性運動，粒子越大，效率越高。

在慣性和擴散都不顯著的0.1 ～0.3 μm 之間，效率有一處最低點，該粒徑大小的粉塵最難過濾，如圖4 所示。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀對比和結(jié)論分析

據(jù)了解，國內(nèi)生產(chǎn)過濾材料的廠家是國外所有廠家總數(shù)的幾倍，但是高端的過濾材料生產(chǎn)技術(shù)卻掌握在國外的幾家大公司手中。目前我國已經(jīng)有大量廠家可以生產(chǎn)工業(yè)潔凈室和醫(yī)護設(shè)施使用的高效空氣過濾器，但航空高效空氣過濾器的生產(chǎn)卻寥寥，雖然它們從使用材料和加工工藝上頗為相似，但國外的各個生產(chǎn)廠商對其生產(chǎn)的高效空氣過濾器的檢測方法和設(shè)計思路嚴格保密，即使得到國外廠家的航空高效空氣過濾器的樣品，也很難實現(xiàn)仿制。況且國外廠家針對高端的過濾器通常只對國內(nèi)銷售空氣過濾器成品，其使用的過濾材料也實行技術(shù)封鎖。

表1 列舉了目前各種國內(nèi)外高性能復(fù)合濾材的研究現(xiàn)狀對比情況。

表1 國內(nèi)外高性能復(fù)合濾材研究現(xiàn)狀對比表

玻璃纖維是高效空氣過濾器的主要材料，我國是世界第一生產(chǎn)大國，但產(chǎn)品的性能卻無法和國外相比，目前還無法生產(chǎn)出滿足比如航空過濾材料過濾效率、阻力、納污量等苛刻技術(shù)指標要求的產(chǎn)品。目前我國生產(chǎn)的很多高效空氣過濾器一般都需要采用進口的高效超高效過濾材料。但考慮到材料和加工設(shè)備等影響因素，開發(fā)出掌握自主知識產(chǎn)品的高效過濾材料才是發(fā)展的根本。

高效空氣過濾器用過濾材料是屬于低值易耗的產(chǎn)品，世界先進國家在十年前就已研制成功并用于軍民用飛機，如世界上最大的過濾器專業(yè)公司——美國PALL 公司一直壟斷著高性能復(fù)合過濾材料的研發(fā)技術(shù)，并且對我國尤其是軍用一直秉承技術(shù)封鎖的方式。我們?nèi)裟茏プ∥覈圃齑箫w機、高鐵等的大好時機，攻克多年來的高效過濾材料生產(chǎn)和檢測的技術(shù)瓶頸，定能實現(xiàn)技術(shù)市場的雙贏。

【1】EN 1822-3：1998.High Efficiency Air Filters(HEPA and ULPA) -Part 3：Testing Flat Sheet Filter Media［S］.