纖維織物材料在過濾領(lǐng)域的發(fā)展

吳煜夢，許偉鴻，苗振興

（華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510640）

前言

利用過濾材料將含塵氣體中的固體微粒分離出來的手段，稱之為空氣過濾。纖維織物材料具有一定強度并且內(nèi)部有孔洞，這一結(jié)構(gòu)特點非常適合應(yīng)用在過濾領(lǐng)域，其開發(fā)使用的歷史也是相當(dāng)悠久?？諝膺^濾是過濾領(lǐng)域的重要分支，在第一次世界大戰(zhàn)期間出現(xiàn)了軍用的防毒氣面具，采用的濾材就是石棉纖維織物。1940年發(fā)明了以玻璃纖維織物為濾材的空氣過濾器，并取得了美國專利。到上世紀(jì)50年代，化纖行業(yè)的迅速發(fā)展，眾多纖維織物產(chǎn)品的涌現(xiàn)為空氣過濾行業(yè)提供了豐富的原材料。1951年在美國出現(xiàn)了高效空氣過濾器(HEPA，High Efficiency Particle Air)，隨后眾多相關(guān)專利獲得了審批。1956年美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-282 規(guī)定了HEPA 對顆粒平均粒徑為0.3 μm 的鄰苯二甲酸二辛酯(DOP，Dioctyl Phthalate)氣溶膠的過濾效率達(dá)到99.97%[1]。上世紀(jì)80年代以來，新一代的超高效空氣過濾器(ULPA，Ultra Low Penetration Air)[2]研制成功，對0.1 μm 的粒子過濾效率高于99.99999%[3-4]。無紡布憑借產(chǎn)量高、成本低和過濾性能優(yōu)良等優(yōu)點逐漸取代了機織和針織濾材，在過濾材料市場獲得了更多的應(yīng)用[5-7]。

納米纖維氈具有比表面積高、孔徑小、孔隙率高以及一些特殊的物化性能，非常適合高效過濾領(lǐng)域[8-9]。僅僅需要一層很薄的納米纖維層（2 ～3 層納米纖維層）[10]，空氣過濾性能就能得到極大的改善。自1990年以來，靜電紡絲技術(shù)研究日益成熟，設(shè)備簡單，已經(jīng)成為了研究納米纖維最常用的制備方法。而早在1936年，蘇聯(lián)人I.V.Petryanov-Sokolov 就關(guān)注靜電紡絲工藝，并開始將納米纖維用于過濾，主要滿足核工業(yè)中的過濾需求[11]。也正是由于納米纖維優(yōu)良的過濾性能，以及在其他領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景和巨大的需求，靜電紡絲技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程進(jìn)入了快速發(fā)展階段[12]。隨著靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展，納米纖維過濾材料的種類達(dá)到20余種[13]。靜電紡絲技術(shù)制備高效空氣過濾材料可以用在醫(yī)療衛(wèi)生、高潔凈環(huán)境需求的科研機構(gòu)、電子元件制造、軍工、食品、制藥及生物技術(shù)等眾多領(lǐng)域，得到了越來越多的關(guān)注和研究[14]。

1 原材料

高分子、無機和金屬三大材料都可以加工成纖維。由于纖維材料的比表面積大，成型加工方法眾多，可以構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)風(fēng)格的三維網(wǎng)狀空隙結(jié)構(gòu)，因此可以提供較低的壓降和較高的過濾效率。依據(jù)材料特性的不同，可以有所選擇的用于不同領(lǐng)域。

1.1 高分子基

最初的化學(xué)纖維從纖維素開始，1935年Carothers 合成出PA 產(chǎn)品，成為第一種合成纖維，并將其用于纖維的工業(yè)化大生產(chǎn)。此后，隨著高分子材料種類不斷豐富，新的紡絲工藝不斷出現(xiàn)，促使了紡織行業(yè)的迅猛發(fā)展，新的纖維品種層出不窮。到1950年，研究者找到了聚丙烯腈的良溶劑，從而成功實現(xiàn)PAN 的溶液紡絲成型。1953年，出現(xiàn)了聚酯纖維，這也就是當(dāng)今第一大合成纖維——滌綸。Natta 催化合成全同立構(gòu)聚丙烯，丙綸隨之出現(xiàn)。到上世紀(jì)70年代，合成纖維的產(chǎn)量就已經(jīng)占據(jù)纖維工業(yè)的主流。而且由于合成纖維的強度、耐降解性能及成本優(yōu)勢，已經(jīng)成為了纖維過濾材料的主要原料。聚丙烯（PP）纖維具有優(yōu)良的耐酸堿及耐溶劑性能，廣泛應(yīng)用于紡絲成網(wǎng)無紡布制品，其熔噴無紡布、紡粘無紡布因具有不同纖維直徑分布和織物孔隙度結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出不同的過濾性能。而聚酯（PET）纖維針刺無紡布的空氣過濾產(chǎn)品在工業(yè)領(lǐng)域有廣闊的市場。含氟聚合物的化學(xué)惰性和耐高溫性能使其主要用于電子工業(yè)中的過濾應(yīng)用[15]。

隨后具有更高熔點和強度的高性能工程纖維相繼出現(xiàn)，例如： 芳香族聚酰胺纖維(Nomex)、聚苯硫醚纖維 (PPS，Polyphenylene Sulfide)、聚酰亞胺纖維 ( P84)、聚醚醚酮 ( PEEK，Polyetheretherketone)和芳砜綸 (PSA，Polysulfonamide)等，主要被用于制備功能性過濾材料，如高溫過濾材料。PPS 和間位芳香族聚酰胺目前都已用于耐高溫袋式除塵器，其優(yōu)良的耐熱性獲得了市場的普遍認(rèn)可，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒工廠和鋼鐵企業(yè)等的粉塵過濾中[16]。

聚合物納米纖維具有優(yōu)良的過濾性能，在過濾行業(yè)中的地位日益重要，同時也推動了靜電紡絲行業(yè)的工業(yè)化進(jìn)程。已經(jīng)有許多納米纖維產(chǎn)品被應(yīng)用到相關(guān)的過濾領(lǐng)域，如Ultra-web濾材[17]和Spider web 過濾介質(zhì)[18]等，而所用的聚合物原材料為PA 類。

1.2 無機基

玻璃纖維、陶瓷纖維、金屬纖維及礦物纖維等都屬于無機纖維材料。玻璃纖維的直徑與制造工藝有較大關(guān)聯(lián)，小至亞微米，大到30 μm，不同直徑的玻纖制品其過濾性能有很大差別，適用于不同的用途。其優(yōu)點是耐高溫，缺點是耐堿性差、脆性等，而且使用過程中會發(fā)生纖維的脫離，人吸入玻璃纖維有致癌的危險，同樣有風(fēng)險的還有石棉纖維，這兩者正在逐漸被取代。碳纖維、陶瓷纖維和金屬纖維等具有優(yōu)越的性能，但價格昂貴，故適用于特殊領(lǐng)域[19]。整體來說無機纖維一般具有重量輕、耐高溫以及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，主要作為高溫過濾材料。

2 過濾材料結(jié)構(gòu)

過濾新材料的開發(fā)和應(yīng)用促進(jìn)了過濾技術(shù)的發(fā)展，但過濾材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展為過濾技術(shù)的飛躍提供了可能?？椢镞^濾材料的過濾性能和纖維微觀結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系[20-21]。纖維過濾材料根據(jù)成型加工方法可以分為： 機織、針織和無紡布等。其中機織和針織布的纖維微觀結(jié)構(gòu)和無紡布有很大差別，兩者依據(jù)的過濾機理有較大區(qū)別，這決定了兩類材料可以通過不同的方式來提高過濾效率，表1 列舉了機織、針織和無紡布在過濾性能上的大致差別。

表1 不同工藝無紡布及機織布在過濾用途上的性能比較[22]

2.1 無紡布基

無紡布的成型過程主要是成網(wǎng)和加固[22]。根據(jù)不同的成型過程可以細(xì)分為熔噴、紡粘、針刺、水刺、化學(xué)粘合等方法。而且，由于成網(wǎng)和加固的方法不同，無紡布的結(jié)構(gòu)有很大的差異，并表現(xiàn)出不同的性能特點。但總體來說，無紡布都是由纖維網(wǎng)構(gòu)成的，不同的成網(wǎng)方法會形成不一樣的纖維排列形式，加固方式的不同也會影響纖維的空間排列結(jié)構(gòu)。

無紡布過濾材料主要通過單纖維過濾，且過濾效率與材料內(nèi)部的三維網(wǎng)狀曲折微孔結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系。不同無紡布材料具有不同的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的空氣過濾性能也有很大的區(qū)別[23]。

針刺無紡布經(jīng)過先梳理成網(wǎng)后針刺加固的成型過程，其孔徑遠(yuǎn)小于機織和針織布，稍大于其他無紡布材料。針刺無紡布的孔徑分布相對均勻、孔隙率高、透氣性好[24]，可用于過濾效率要求較低的過濾環(huán)境，如土工布良好的過濾和排水作用。

水刺法和針刺法很相似，但是加固方法改為高壓水流，其布面細(xì)膩柔軟，蓬松透氣性好，尺寸穩(wěn)定性高，孔分布均勻，且加工過程干凈衛(wèi)生[25]，除了用于醫(yī)療衛(wèi)生，這類材料也可用于生產(chǎn)高效過濾器，工業(yè)過濾領(lǐng)域的水刺布過濾材料可以用水清洗再使用，提高了產(chǎn)品的使用壽命。

紡粘無紡布通過熱軋加固成型，成網(wǎng)不均勻，形成孔徑分布也不均勻。熔噴無紡布是由熔融紡絲纖維雜亂分布組成的一類無紡材料。通過控制工藝可以獲得細(xì)纖維分布的材料，其孔徑呈現(xiàn)三維曲折分布，且孔徑小、孔徑分布均勻，纖維較細(xì)，所以比表面積大，具有良好的過濾性能。但是其濾材的機械強度較低、耐磨性能極差。常見熔噴無紡布的材料為聚丙烯，通過駐極處理可以讓材料帶靜電[26]。熔噴無紡布材料可以持久帶電，靜電力作用可以有效提高過濾效率，并保持了較低的過濾阻力。

濕法無紡布的蓬松度較高，且易調(diào)節(jié)，便于控制濾材的過濾效率及氣阻[27]。應(yīng)用產(chǎn)品有茶葉袋濾紙和內(nèi)燃機過濾材料，因成型方法獨特，可以加工很多難加工的原料，如芳綸纖維、玻璃纖維等高性能纖維。濕法過濾材料與其他類型無紡布相比，耐高溫性好，類似紙質(zhì)，機械強度低，而且濕強較低，受潮易變形，孔徑分布也不夠均勻。

總體而言，相對于織造布，無紡布材料的加工工藝簡單，相應(yīng)的產(chǎn)量高、成本低，原材料范圍廣泛，而且無紡布具有優(yōu)良的過濾性能，傳統(tǒng)的機織和針織材料已經(jīng)被無紡布逐漸取代，成為目前最廣泛使用的纖維類過濾材料。

2.2 機織基

機織過濾材料通常強度大，尺寸穩(wěn)定，耐磨，可重復(fù)使用，具有可以通過經(jīng)緯密度控制孔隙大小等優(yōu)點[28]，一般可分為平紋和斜紋織物。由于機織材料是二維平面結(jié)構(gòu)，氣流主要從經(jīng)緯線間的空隙中通過。這種空隙較大而且直通，流體阻力小，當(dāng)孔隙率達(dá)到30% ～40%時，由于過濾過程主要通過篩濾原理過濾大顆粒，因此其過濾精度差。一般而言，紗線密度越大，織物的透氣性越小。平紋、斜紋織物和緯編織相比，平布的透氣性最小，斜紋第二，緯編織是最大的[29]。用超細(xì)纖維加工成低捻度紗線，其機織密度較大的材料可以具有較高的過濾容塵量[19]。由于機織過濾材料具有較高的強度，主要用在袋式過濾集塵器等通過高速氣流的過濾系統(tǒng)。包括滌綸、丙綸和錦綸等主要紡織材料以及玻璃纖維都是機織過濾材料的常見原材料，另外高性能纖維如碳纖維、聚四氟乙烯纖維（PTFE）、聚苯硫醚（PPS）和玄武巖纖維等也可以經(jīng)過機織工藝，加工成過濾材料用于特殊領(lǐng)域。

2.3 針織基

針織材料以線圈形式制造而成，其孔隙不同于機織材料。針織材料的通道是彎曲迂回的，因此可以阻擋很小的顆粒，能夠達(dá)到較高的過濾效率[30]。但針織過濾材料的尺寸穩(wěn)定性差，在有張力情況下空隙變化較大[31]，過濾性能不穩(wěn)定，阻礙了針織過濾材料的發(fā)展。無縫加工技術(shù)[32]的出現(xiàn)較好地解決了這一難題，開辟了針織材料在過濾領(lǐng)域的應(yīng)用。與普通的過濾織物相比，具有特殊結(jié)構(gòu)的針織起絨過濾材料具有較高的過濾效率[33]，適用于某些特殊的過濾領(lǐng)域，部分取代了傳統(tǒng)機織過濾材料。

3 過濾材料組分

不同成型方法獲得的過濾材料具有不同的結(jié)構(gòu)特點和適用性，也必然存在局限性。為了應(yīng)對日益苛刻的過濾要求，復(fù)合過濾材料應(yīng)運而生。根據(jù)過濾材料的組分可以分為： 單層過濾材料、復(fù)合過濾材料和功能過濾材料，其中單層過濾材料又可以分為單一纖維材料、混雜纖維材料和梯度結(jié)構(gòu)材料。

3.1 單層過濾材料

單一纖維過濾材料可以算作單根纖維的集合體，所以單纖維過濾成為了過濾的主要部分。顯然單纖維的表面特性對過濾效率影響很大，表面粗糙更容易攔截顆粒，異形結(jié)構(gòu)可以提供更多的表面積用于吸附顆粒。當(dāng)然，具體到如油溶性、水溶性等不同性質(zhì)的顆粒，選用相應(yīng)的親油、親水材料可以達(dá)到更好的效果。

直徑較細(xì)的纖維堆積的過濾材料具有更小微孔，相應(yīng)的過濾精度較大，但堆積密度大，使得氣阻增大，容塵量下降。而粗纖維形成的過濾材料過濾精度會下降很多。所以采用粗細(xì)纖維合理搭配的混雜纖維結(jié)構(gòu)，可以有效的改善過濾性能。其中粗纖維主要作為支撐結(jié)構(gòu)，提高濾材的使用強度，并增大纖維內(nèi)部的孔隙率；而細(xì)纖維均勻分布在粗纖維內(nèi)部，將原有較大的孔隙細(xì)分成更微小的孔隙，從而有效提高過濾精度，而且這樣均勻分布的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也有利于氣流通過，保持了較好的壓差特性，內(nèi)部的空隙也保證了一定的納污容量。

梯度結(jié)構(gòu)過濾材料指內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈梯度變化的過濾材料，從表面到底層采用不同粗細(xì)纖維分布，旨在分層過濾不同粒徑大小的微粒，實現(xiàn)了高過濾效率、大容塵量和低氣阻的完美結(jié)合。傳統(tǒng)的單層過濾材料在過濾過程中大部分顆粒物被攔截在濾料的表面層，因而表層容易形成濾餅，從而使氣阻迅速上升，這樣就使得濾料整體沒有得到充分利用。采用具有密度梯度的纖維結(jié)構(gòu)可以有效解決這一點，蓬松纖維層放在濾材上端，其纖維直徑通常較粗，纖維堆積孔徑較大，可以吸附部分大顆粒，而小顆粒會大量透過，進(jìn)入濾材的下端。在濾材下端，采用堆積緊密的纖維材料，纖維直徑和堆積層孔徑都較小，可以有效的過濾微小顆粒。這樣的梯度結(jié)構(gòu)過濾材料充分發(fā)揮不同層過濾的優(yōu)勢，確保了過濾效率，可以有效提高納污容量，并氣阻值也可以控制在合理范圍。

3.2 復(fù)合過濾材料

復(fù)合過濾材料就是將不同性能的材料結(jié)合到一起，解決了單一過濾材料的一些弊端，可以提供濾材的過濾效率和容塵量，提供物理機械性能。例如玻纖和滌綸的復(fù)合濾料，在保留玻纖的耐溫、耐腐、高強和低阻等特性的同時，獲得了滌綸材料的耐折和耐磨性，擴(kuò)大了復(fù)合濾材的適用性。覆膜濾料是典型的復(fù)合過濾材料，在無紡布或織布的表面涂覆一層薄膜而成，表面過濾對其過濾效率的貢獻(xiàn)較大，具有較高的過濾效率及較高的清灰能力[34]。靜電紡絲納米纖維濾材是納米纖維層和無紡布基材組成的復(fù)合材料。通常復(fù)合厚度僅為0.1 mm 的納米纖維氈已經(jīng)具有優(yōu)良的過濾性能，而附著的基布則主要滿足尺寸穩(wěn)定和支撐需要。選用不同材料和參數(shù)進(jìn)行靜電紡絲可以獲得結(jié)構(gòu)差異大的納米纖維氈。提高過濾效率的一個重要方法是盡量降低纖維直徑[35]，所以靜電紡絲納米纖維氈作為高效空氣過濾材料日益受到重視，相關(guān)研究蓬勃發(fā)展。

3.3 功能性過濾材料

用于特殊行業(yè)的空氣過濾材料屬于功能性過濾材料，常見的功能性有： 耐高溫、耐腐蝕、阻燃、抗靜電、抗菌和清除有害氣體等。這些功能性濾材在工業(yè)煙氣處理和室內(nèi)空氣凈化等相關(guān)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

抗菌濾材是一個功能性過濾材料的研究熱點[36]。選用殼聚糖溶液，制備靜電紡絲納米纖維氈，并利用殼聚糖具有吸附銀離子的官能團(tuán)，通過纖維膜表面吸附一層納米銀來實現(xiàn)纖維膜的抗菌性能[37]。耐高溫過濾材料是另一種重要的功能性濾材，主要用在工業(yè)生產(chǎn)中的高溫?zé)焿m過濾。有研究[38]通過靜電紡絲的方法制備氧化鋁纖維濾材，過濾效率達(dá)到HEPA 水平，可以耐700 ℃的高溫。Nomex、PPS、P84、Celanex等已經(jīng)商業(yè)化普及的纖維過濾材料具有很好的耐高溫、耐化學(xué)性，使用于特殊環(huán)境[22]。防靜電濾料通常加入金屬纖維提供導(dǎo)電性。

4 結(jié)論

纖維織物材料具有優(yōu)良的過濾性能，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，種類繁多。各類原材料都可以加工成型為纖維材料，而不同的紡絲成型工藝使得織物材料具有不同的過濾性能及特點，適用于相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。復(fù)合過濾材料和功能過濾材料為纖維織物材料發(fā)展提供了具體的方向，其中納米纖維過濾材料是研究熱點。隨著納米技術(shù)的推廣，納米纖維過濾材料的應(yīng)用領(lǐng)域會更加廣泛。

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