燃機(jī)空氣濾材改性與測試研究

范嘉堃，陳海平，許佳偉，楊亮，張晨

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100028）

1 濾材選擇

現(xiàn)場在用濾芯的濾材以及其他4種表面改性及參數(shù)優(yōu)化濾材，5種濾材類列及參數(shù)見表1。

2 濾材表面形態(tài)

五種濾材在掃描電子顯微鏡下放大200倍的照片見圖1。濾材A、B、D、E均為迎風(fēng)面照片，濾材C為由三層不同的纖維濾材復(fù)合而成，照片分別展示了三層的表面形態(tài)。照片較好地反映了濾材的結(jié)構(gòu)。從照片中可以清楚看出，不同種類濾材結(jié)構(gòu)不同，纖維直徑大小不一，纖維排布方式也不相同。

表1 濾材種類與參數(shù)

圖1 濾材表面形態(tài) 200×

3 濾材厚度及克重

濾材厚度及克重結(jié)果如表2所示。

表2 濾材厚度及克重

納米纖維復(fù)合的濾材A、B、E厚度較小，而由粗細(xì)不一的纖維構(gòu)成的濾材C、D厚度較大。C濾材由密度較小的合成纖維制成，所以其克重最小。

各濾料的孔徑分布如圖2所示。從圖2中可以看出濾材A、B、E的孔徑分布范圍較大，A的分布范圍為15～39μm，B為18～34μm，E為7～24μm，濾材C、D的孔徑范圍較小，分別為11～17μm和10～17μm；濾材A、B孔徑分布離散程度最大，濾材C、D孔徑分布離散程度較小，濾材E孔徑分布離散程度最小。

圖2 濾材孔徑分布

濾材A、B均為靜電紡絲納米纖維濾材，納米纖維本身強(qiáng)度低，力學(xué)性能差，將納米纖維與傳統(tǒng)非織造過濾材料復(fù)合，不但能夠提高過濾材料的過濾效率，也解決了過濾材料的強(qiáng)度問題。測試的孔徑分布范圍大說明少量的細(xì)直徑纖維對孔徑測試結(jié)果影響不大，但是納米纖維的存在，對過濾性能有顯著提升，所以平均孔徑的測試結(jié)果對于多層復(fù)合的濾材意義不大。

4 濾材抗?jié)裥阅?/h2>

濾材的抗?jié)裥约丛诔睗癍h(huán)境中保持原有性能的能力。本文對濾材的抗?jié)裥詮臐裢笟舛缺Ａ袈蕘砜紤]。

4.1 濾材吸水率

吸水會對纖維的性質(zhì)造成很大影響，吸水性能是衡量非織造布抗?jié)裥阅艿闹匾匦灾?，?shí)驗(yàn)參考纖維吸水率的測試方法，對五種濾材的吸水率進(jìn)行測試，測得的吸水率結(jié)果見表3。

表3 濾材吸水率

濾材A、B吸水率遠(yuǎn)高于其他三種濾材，分別為52.3%和34.3%，這是因?yàn)檫@兩種濾材的主要組成為纖維素，纖維素含有大量的親水基團(tuán)，易與水結(jié)合，Eriksson等研究表明纖維素材料在不經(jīng)過任何處理的情況下，可以吸收與其本身質(zhì)量相同的水。但是化學(xué)組成相同的纖維，吸水性卻不一定相同，纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的結(jié)晶度和聚合同樣對纖維吸水性造成影響。

合成纖維分子中的處于自由狀態(tài)的親水基團(tuán)較少，同時(shí)極性也較弱，因此合成纖維的吸水性遠(yuǎn)低于纖維素纖維。由于濾材C、D、E均為全合成纖維濾材，所以這三種濾材吸水率較低。

4.2 濾材濕透氣度保留率

濾材的濕透氣度保留率即濾材在水中飽和浸泡一定時(shí)間后濾材的透氣度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測試值之比，濾材的透氣性直接影響過濾器成品的流通阻力，因此該指標(biāo)可反映濾材抵抗水造成的纖維潤脹或糊孔的能力。

取五種濾材的三個(gè)樣品按前述方法測試濾材的透氣度，取三次測試值的平均值作為測試結(jié)果，濕透氣度為濾材在吸水性實(shí)驗(yàn)后測試的透氣度結(jié)果，干燥后透氣度為濾材吸水性實(shí)驗(yàn)后干燥至恢復(fù)初始質(zhì)量后測試的透氣度結(jié)果。濾材的透氣度測試結(jié)果見表4。

表4 濾材透氣度

濾材的透氣度與濾材厚度，孔隙率等因素相關(guān)，濾材的透氣度隨著厚度和孔隙率的增大而增大，同樣，濾材的孔隙率大小也可以通過透氣度來反映。相比于其他種類的濾材，靜電紡納米纖維濾材和梯度密度纖維濾材在透氣性上具有較大優(yōu)勢。

濾材濕態(tài)和干燥后透氣度的保留率如圖3所示，吸水性較強(qiáng)的濾材A、B透氣度的保留率明顯低于其他濾材，尤其是濾材A，測得濕透氣度保留率僅有40%，干燥后透氣度也不能恢復(fù)至原有狀態(tài)，吸水率最低的濾材C濕透氣度并無明顯下降，干燥后也可以恢復(fù)至原狀，可見濾材透氣度的保留率與吸水率相關(guān)，干燥纖維吸水后潤脹變粗，纖維體積增大，濾材孔隙率降低，透氣度也隨之下降。吸水率能在一定程度上反映纖維的潤脹程度，所以吸水性越強(qiáng)的濾材透氣度保留率越低。

圖3 濾材透氣度保留率

5 濾材過濾性能

濾材最終的性能評價(jià)指標(biāo)是阻力和效率，需要在過濾效率滿足要求的前提下，具有較低的阻力，這兩個(gè)指標(biāo)一起決定著濾材的優(yōu)劣，因此要實(shí)現(xiàn)對濾材的合理選用除了要考慮其物理性能外，還要對其過濾性能進(jìn)行測試。

實(shí)驗(yàn)分別測試標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下、濕態(tài)和干燥后濾材的過濾性能，濕態(tài)阻力和過濾效率為濾材在吸水性實(shí)驗(yàn)后測試的結(jié)果，干燥后阻力和過濾效率為濾材吸水性實(shí)驗(yàn)后干燥至恢復(fù)初始質(zhì)量后測試的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)根據(jù)EN779標(biāo)準(zhǔn)，在溫度18～20℃，相對濕度40%～60%環(huán)境下進(jìn)行，濾速為0.1m/s。對于濕態(tài)下濾材阻力的測試，通過懸垂30min去除濾材表面和孔隙內(nèi)液滴，消除由于液滴堵塞孔隙對結(jié)果造成的影響。表5為濾材不同狀態(tài)下的阻力。

表5 濾材阻力（0.1m/s）

濾材的阻力和透氣度相關(guān)，一般透氣度越大的濾材阻力越小，在干燥狀態(tài)下除了E濾材阻力偏高外，其他濾材壓降相差不大。濕態(tài)下各濾材的阻力都有不同程度的增長，A濾材吸水后壓降由47Pa增加至106Pa，增加了一倍多；B濾材壓降從49Pa增加至55Pa，其他三種濾材壓降也分別增加了2～3Pa。濾材阻力主要由纖維直徑、孔隙率、濾材厚度和濾速四個(gè)因素影響，在同一實(shí)驗(yàn)中，由于濾速保持不變，所以濾材阻力增長是由于吸水后本身性質(zhì)發(fā)生改變造成的，濾材吸水后纖維直徑變大，孔隙率也就隨之降低，同時(shí)濾材在厚度方向也會有所增加，這些因素的變化程度都與吸水率相關(guān)，所以吸水率越大的濾材浸濕后阻力增長越大。待干燥后，濾材的纖維直徑、孔隙率和厚度都恢復(fù)至初始狀態(tài)，濾材阻力也隨之恢復(fù)。

效率測試過濾介質(zhì)使用DEHS液體氣溶膠，濃度為0.1mg/m3，圖4為干燥狀態(tài)、濕態(tài)和干燥后濾材的粒級效率。粒級效率即各粒徑檔（處于兩個(gè)粒徑界之間所有粒子）的過濾效率，橫坐標(biāo)為各粒徑檔的代表粒徑，取各粒徑檔上下界的幾何平均值。

圖4 濾材粒徑效率

根據(jù)EN779標(biāo)準(zhǔn)，濾材是根據(jù)對0.4μm大小的微粒過濾效率分級的，將濾材對0.4μm大小的微粒過濾效率總結(jié)在表7中，選用五種濾材廠家給出級別均為F9，即對0.4μm粒徑微粒過濾效率大于等于70%，測試發(fā)現(xiàn)濾材A、C、E對0.4μm粒徑微粒過濾效率均超過了70%，達(dá)到了F9級別，濾材B、D過濾效率略低于于70%，取其濾材其他樣品測試發(fā)現(xiàn)對0.4μm微粒過濾效率在70%上下浮動(dòng)，不能穩(wěn)定達(dá)到F9級別。當(dāng)濾材吸水后過濾效率產(chǎn)生了明顯降低，尤其是A、B濾材由F9級別下降至F7級別，其他濾材級別沒有改變，纖維濾材的效率主要受纖維直徑、孔隙率、濾材厚度和濾速等因素影響，濾材吸水后孔隙率降低，厚度增加，效率本應(yīng)增加，但是濾材效率卻出現(xiàn)了不同程度下降，主要原因一是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下纖維和微粒上都帶有電荷，靜電效率提高了過濾效率，濾材浸濕后濾材上的電荷會被中和，導(dǎo)致過濾效率降低，另一個(gè)原因是濾材浸濕后結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，這一點(diǎn)可以在干燥后濾材的過濾效率體現(xiàn)，濾材A、B干燥后其纖維直徑、孔隙率、厚度等因素都已恢復(fù)，但是其效率卻出現(xiàn)了不可逆的下降，說明在水滴的影響下，濾材結(jié)構(gòu)已發(fā)生了不可逆的變化。

表6 濾材對0.4μm微粒過濾效率

6 濾材測試結(jié)果評價(jià)

目前對燃?xì)廨啓C(jī)常用纖維濾材進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測試了結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同狀態(tài)下透氣度、力學(xué)性能和過濾性能，了解濾材的空氣過濾特性，為濾材的合理選用提供一定借鑒。

（1）復(fù)合濾材因?yàn)槊繉永w維直徑不同，孔徑分布及孔隙率不同，可以對不同大小的粒子進(jìn)行階梯過濾，來實(shí)現(xiàn)高效低阻的目標(biāo)，相較于傳統(tǒng)單一型的濾材具有更高的品質(zhì)因子。

（2）濾材的抗?jié)裥阅芸梢詮臐裢笟舛缺Ａ袈室约皾窨估瓘?qiáng)度保留率兩方面進(jìn)行測試，其性能優(yōu)劣與吸水率相關(guān)，纖維素纖維濾材A吸水率最高達(dá)52.3%，濕透氣度保留率及濕抗拉強(qiáng)度保留率分別為42.0%、54.3%，合成纖維濾材C吸水率最低，僅為1.2%，濕透氣度保留率及濕抗拉強(qiáng)度保留率分別為98.4%、82.0%。

（3）濾材浸濕后，吸水率越高下降的幅度越大，濾材A飽和浸濕后阻力由47Pa升至106Pa，效率級別由F9降至F7，濾材B飽和浸濕后阻力由49Pa升至55Pa，效率級別由F9降至F7，濾材C、D、E飽和浸濕后阻力和效率均保持穩(wěn)定，抗?jié)裥阅芎茫瑢Ρ疚乃鰩追N濾材，綜合考慮濾材C、E更適用于潮濕環(huán)境下燃機(jī)濾芯制備。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 唐健，龔偉，嚴(yán)晶. 燃?xì)廨啓C(jī)空氣過濾系統(tǒng)選型和配置分析[J].熱力透平，2015，44(3)：189-191.

[2] 尹琦嶺. 燃?xì)廨啓C(jī)空氣過濾系統(tǒng)的選型[J].河南化工，2002，(11)：45-46.