全新風(fēng)系統(tǒng)用復(fù)合空氣過濾材料的制備及性能*

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1. 河北科技大學(xué)紡織服裝學(xué)院， 河北 石家莊 050018；2. 河北省紡織服裝工程技術(shù)研究中心， 河北 石家莊 050018

在冬季，我國北方許多幼兒園、中小學(xué)和家庭采用全新風(fēng)系統(tǒng)取代空氣凈化器來改善室內(nèi)空氣的清新度和潔凈度。全新風(fēng)系統(tǒng)將室外新鮮空氣經(jīng)過濾后送入室內(nèi)。過濾材料的性能決定了全新風(fēng)系統(tǒng)對顆粒物的過濾效果。因此，在滿足系統(tǒng)新風(fēng)量要求的基礎(chǔ)上，選擇性能優(yōu)良的過濾材料制成凈化單元，這對過濾空氣中的微細(xì)顆粒物顯得十分重要。普通的空氣過濾材料在纖維細(xì)且結(jié)構(gòu)緊密時(shí)才具有較高的過濾效率，但同時(shí)也具有較高的過濾阻力，不適合高風(fēng)速的全新風(fēng)系統(tǒng)。研發(fā)和使用高效低阻的復(fù)合空氣過濾材料是今后努力和發(fā)展的方向[1-3]。

復(fù)合空氣過濾材料可分為功能復(fù)合和結(jié)構(gòu)復(fù)合兩類。功能復(fù)合空氣過濾材料主要指駐極體過濾材料，其結(jié)構(gòu)可較為疏松，具有較低的過濾阻力。這是由于駐極體過濾材料是在機(jī)械捕集的基礎(chǔ)上增加了靜電效應(yīng)，因此其過濾效率增高而阻力卻未增加。但駐極體過濾材料部分電荷會(huì)被顆粒物中和，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)靜電衰減現(xiàn)象，使其過濾性能會(huì)隨使用次數(shù)的增加而下降。因此，駐極體過濾材料的穩(wěn)定性和可靠性有待進(jìn)一步改善，其不適合應(yīng)用到全新風(fēng)系統(tǒng)中對環(huán)境空氣中的微細(xì)顆粒物進(jìn)行過濾。結(jié)構(gòu)復(fù)合空氣過濾材料是將幾種不同類型的過濾材料通過熱加固、化學(xué)黏合、機(jī)械復(fù)合等多種方法形成的。其主要分為兩類：(1)覆膜過濾材料。其過濾阻力偏高，結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步優(yōu)化和完善，且主要用于工業(yè)高溫?zé)煔獬龎m。(2)密度梯度結(jié)構(gòu)過濾材料。其存在使用原料多、厚度大、成本高和工序長等問題，也不適合應(yīng)用到全新風(fēng)系統(tǒng)中。因此，合理設(shè)計(jì)過濾材料結(jié)構(gòu)是迫切需要解決的問題。

靜電紡納米纖維膜厚度只有幾微米，其纖維直徑在幾十到幾百納米，具有均勻度好、孔隙率高、孔徑小、比表面積大、透氣性好等特點(diǎn)。將其附著在傳統(tǒng)過濾材料上可制作成復(fù)合空氣過濾材料，能夠?qū)崿F(xiàn)對微細(xì)顆粒物的過濾，具有過濾效率高、過濾阻力低、使用壽命長等特點(diǎn)，符合全新風(fēng)凈化系統(tǒng)對過濾材料的使用要求。

本文參照國家和國際標(biāo)準(zhǔn)建立過濾性能測試裝置，對丙綸針刺和熔噴過濾材料的基本性能進(jìn)行測試，優(yōu)選出一種丙綸針刺過濾材料作為復(fù)合過濾材料的基布；利用正交試驗(yàn)法制定靜電紡絲工藝，將9種聚酰胺6(PA 6)納米纖維膜沉積在優(yōu)選的基布上制備功能復(fù)合過濾材料，并對其性能進(jìn)行測試；采用灰色聚類法對其過濾性能進(jìn)行綜合評價(jià)，確定最優(yōu)靜電紡絲工藝參數(shù)，并考察優(yōu)選出的復(fù)合過濾材料的實(shí)際應(yīng)用效果。研究結(jié)果可為研發(fā)全新風(fēng)系統(tǒng)用復(fù)合過濾材料提供技術(shù)參考。

1 空氣過濾材料性能測試裝置

參照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14295—2008)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN 779：2012)以及住建部標(biāo)準(zhǔn)(JG/T 404—2013)，建立空氣過濾材料過濾性能測試裝置，如圖1所示[4]。

該測試裝置可將大氣氣溶膠作為過濾對象，也可利用氣溶膠發(fā)生器結(jié)合顆粒物濃度稀釋器產(chǎn)生指定粒徑大小的顆粒物。在無油真空泵的作用下，含塵空氣由玻璃鋼管道上端的進(jìn)氣口進(jìn)入測試管道，經(jīng)過濾材料后由管道下側(cè)排出，采用手動(dòng)閥門結(jié)合轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制過濾風(fēng)速的大??；采用TSI 8530型氣溶膠監(jiān)測儀(圖1中的“4”)測試過濾材料臟氣側(cè)和凈氣測不同粒徑顆粒物的計(jì)重濃度，以計(jì)算過濾材料的過濾效率；采用壓差計(jì)測量過濾材料兩端的靜壓差以計(jì)算過濾阻力；采用電子天平稱量過濾前后過濾材料的質(zhì)量，并結(jié)合過濾面積計(jì)算容塵量。

1—進(jìn)氣口； 2—風(fēng)道； 3， 8—顆粒物濃度采樣點(diǎn)；4—?dú)馊苣z監(jiān)測儀； 5—靜壓環(huán)； 6—壓差計(jì)； 7—過濾材料；9—轉(zhuǎn)子流量計(jì)； 10—無油真空泵圖1 空氣過濾材料過濾性能測試裝置

2 全新風(fēng)系統(tǒng)用復(fù)合空氣過濾材料基布的優(yōu)選

全新風(fēng)復(fù)合空氣過濾材料的基布起支撐作用，可選擇結(jié)構(gòu)松散、厚度小、過濾阻力低的非織造過濾材料作為基布。丙綸具有無毒、無臭、不吸濕，力學(xué)性能好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，常用來生產(chǎn)針刺、熔噴非織造空氣過濾材料。利用圖1所示的過濾性能測試裝置，對丙綸針刺、熔噴過濾材料在0.2 m/s風(fēng)速下的過濾效率和過濾阻力進(jìn)行測試，其規(guī)格和過濾性能測試結(jié)果如表1所示。

由表1可知：熔噴過濾材料厚度小、過濾效率高，但由于其纖維細(xì)且結(jié)構(gòu)致密，過濾阻力較高，不適合用作復(fù)合過濾材料的基布。針刺過濾材料厚度較大，其纖維直徑大，孔隙率高，過濾阻力較低。綜合考慮材料的厚度和過濾阻力等因素，確定選擇3#丙綸針刺過濾材料作為復(fù)合過濾材料的基布。

3 復(fù)合空氣過濾材料的制備及性能分析

3.1 復(fù)合空氣過濾材料的制備

將PA 6(分析純，相對分子質(zhì)量為150 000.00，上海滬試集團(tuán)化學(xué)藥劑有限公司生產(chǎn))溶解于甲酸(分析純，相對分子質(zhì)量為46.03，天津歐博凱化工有限公司生產(chǎn))中制備靜電紡絲溶液。將PA 6質(zhì)量分?jǐn)?shù)、紡絲電壓、接收距離及注射速度4項(xiàng)靜電紡絲參數(shù)各取3水平，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法制定紡絲工藝，試驗(yàn)方案如表2所示。將優(yōu)選出的3#丙綸針刺過濾材料平整地覆蓋在靜電紡絲機(jī)接受屏的鋁箔上。利用HJ-4A型恒溫磁力加熱攪拌器和大連鼎通科技有限公司生產(chǎn)的DT-1003型靜電紡絲機(jī)制備PA 6納米纖維復(fù)合空氣過濾材料。

9種PA 6納米纖維復(fù)合空氣過濾材料的表觀形貌如圖2所示。由圖2可知，PA 6納米纖維膜結(jié)構(gòu)均勻，孔徑小、孔隙率高，纖維直徑平均為400～700 nm。

3.2 復(fù)合空氣過濾材料性能的測試與分析

過濾材料在0.2 m/s風(fēng)速下的過濾性能如表2所示。由表2可知，9種納米纖維復(fù)合空氣過濾材料的過濾效率顯著提高，過濾阻力僅有小幅提升，且具有較高的容塵量，適合應(yīng)用到全新風(fēng)系統(tǒng)的凈化單元中對環(huán)境空氣中的微細(xì)顆粒物進(jìn)行過濾。

表2 試驗(yàn)方案和各方案下過濾材料的結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)

(a) 1# (b) 2# (c) 3#

(d) 4# (e) 5# (f) 6#

(g) 7# (h) 8# (i) 9#

空氣過濾材料的性能主要采用過濾效率、過濾阻力和容塵量3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行表征。在基布相同的條件下，復(fù)合過濾材料的性能受PA 6質(zhì)量分?jǐn)?shù)、紡絲電壓、接收距離及注射速度4項(xiàng)靜電紡絲工藝參數(shù)的影響，但各參數(shù)對單個(gè)過濾性能指標(biāo)的影響并不一致，故不能根據(jù)復(fù)合空氣過濾材料的單個(gè)性能指標(biāo)做出綜合評價(jià)。本文為確定復(fù)合過濾材料納米纖維膜最優(yōu)的紡絲工藝參數(shù)，采用灰色聚類法對過濾材料的性能進(jìn)行綜合評價(jià)。

3.3 復(fù)合空氣過濾材料性能的灰色聚類分析

灰色聚類分析主要針對試驗(yàn)樣本和測試數(shù)據(jù)較少以及對相互作用不是很明確的研究對象，通過部分信息生成和提取有用信息，將聚類對象進(jìn)行歸納和分類，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行行為的正確認(rèn)識和有效控制[5]。

9個(gè)聚類對象指9種PA 6納米纖維復(fù)合空氣過濾材料，3個(gè)聚類指過濾效率、過濾阻力和容塵量，綜合性能評價(jià)等級分為好、中、差3種。分析過程中，復(fù)合過濾材料的過濾效率、容塵量的數(shù)值以大為好，原值代入；過濾阻力的數(shù)值以小為好，取倒數(shù)代入?；疑垲惙ǖ玫降慕Y(jié)果如式(1)所示。

(1)

灰色聚類分析結(jié)果為9行3列的矩陣，每行代表一種復(fù)合過濾材料，且從左到右分別代表綜合評價(jià)好、中、差的3個(gè)等級。每種過濾材料的最大值位于哪一列，就表明其綜合性能處于哪個(gè)等級。由式(1)可知，2#、3#、7#和9#復(fù)合空氣過濾材料的過濾性能綜合評價(jià)等級為差；4#、5#和6#復(fù)合空氣過濾材料的過濾性能綜合評價(jià)等級為中等；8#和1#復(fù)合空氣過濾材料的過濾性能綜合評價(jià)等級為好，并且1#復(fù)合空氣過濾性能綜合評價(jià)為最佳，可應(yīng)用到全新風(fēng)系統(tǒng)上對環(huán)境空氣中的微細(xì)顆粒物進(jìn)行過濾。

4 復(fù)合過濾材料的實(shí)際應(yīng)用

將1#復(fù)合空氣過濾材料應(yīng)用到A教室的KJ1000F型全新風(fēng)系統(tǒng)(石家莊麥月科技有限公司)的凈化單元上，將使用玻璃纖維熔噴過濾材料的同型號全新風(fēng)系統(tǒng)安裝在面積、朝向、結(jié)構(gòu)、人數(shù)基本相同的B教室。2017—2018年冬季，對兩間教室的顆粒物濃度和能耗情況進(jìn)行了監(jiān)測和對比。結(jié)果表明：兩間教室的PM2.5濃度均小于0.03 mg/m3，A教室的顆粒物平均濃度比B教室低10%以上，A教室的全新風(fēng)系統(tǒng)能耗比B教室低20%以上。由此可見，使用PA 6納米纖維復(fù)合空氣過濾材料可顯著改善全新風(fēng)系統(tǒng)的過濾性能。

5 結(jié)論

(1) 針刺非織造過濾材料具有較低的過濾阻力，適合作為全新風(fēng)系統(tǒng)復(fù)合空氣過濾材料的基布。

(2) 將PA 6納米纖維膜沉積在丙綸針刺過濾材料上制備的復(fù)合空氣過濾材料具有高效低阻的過濾性能。

(3) 用于制備復(fù)合過濾材料的PA 6納米纖維膜的最優(yōu)工藝參數(shù)為PA 6質(zhì)量分?jǐn)?shù)21%、紡絲電壓16 kV、注射速度1 mL/h、接收距離18 cm。

(4) 將優(yōu)選出的PA 6納米纖維復(fù)合過濾材料應(yīng)用到全新風(fēng)系統(tǒng)的凈化單元上，可顯著改善其過濾性能。