常溫空氣濾料生產(chǎn)工藝的研究進展

周群，花衛(wèi)俊

（江蘇久朗高科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

常溫空氣濾料指的是用于室溫環(huán)境下的氣固分離材料。隨著科技的發(fā)展，其運用行業(yè)越來越廣泛，主要用在制藥和醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)中的無菌車間、各大醫(yī)院中的無菌手術(shù)室、電子工業(yè)中的潔凈生產(chǎn)車間、國防工業(yè)的作戰(zhàn)的防空洞或指揮所以及家庭用的空氣過濾設(shè)備等領(lǐng)域[1-2]。目前工業(yè)上常溫空氣過濾種類繁多，但生產(chǎn)工藝主要有濕法非織造工藝、針刺/水刺工藝、熔噴/紡粘工藝、靜電紡絲工藝、覆膜工藝以及復(fù)合工藝。

1 濕法非織造工藝

濕法非織造技術(shù)，是以造紙工藝為基礎(chǔ)，即以水為載體，使纖維在水中均勻分散，經(jīng)過網(wǎng)部、干燥后形成均勻的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 再經(jīng)過浸膠、固化等一系列后處理抄造出符合某些要求的非織造織物，也稱為濾紙[3-4]，其基本工藝如圖1 所示。

濾紙過濾，相比于一般表面過濾材料，它同時具備深層過濾的效果，因此濾紙的性能指標(biāo)不僅有過濾效率、阻力、孔徑，還有蓬松度、容塵量、強力等[5]。品質(zhì)高的空氣濾材具有高過濾效率的同時還應(yīng)具有較低的過濾阻力和較高的容塵量，因此關(guān)于改進工藝提高濾紙性能的研究不僅包含過濾效率的提高，還要求能提升容塵量指標(biāo)。KAUKOPAASI[6]等的研究證實，多層復(fù)合濾紙在過濾效率和容塵量的性能指標(biāo)上都高于單層濾紙。杜齊[7-8]等取不同比例的針葉漿和絲光漿，在纖維解離器上進行一定程度的疏解，然后將出流面層的纖維原料和入流面層的纖維原料分別先后加入動態(tài)紙頁成形器中進行噴漿上網(wǎng)，使入流層的漿料覆蓋在出流面層上，纖維全部噴完后進行抽真空，仔細拿下復(fù)合濕紙頁進行干燥處理操作，暫不進行加壓處理，干燥后再做除靜電處理，最后制得紙樣。結(jié)果發(fā)現(xiàn)此工藝提高了復(fù)合空氣濾紙的容塵量的同時，也能夠有效降低復(fù)合空氣濾紙的過濾阻力，其容塵量在定量比3∶1時最高，為71 g·m-2，復(fù)合空氣濾紙的容塵量提高了近73%，見圖2 和圖3。

純纖維生產(chǎn)的濾紙，強力太低，濾芯使用過程中容易斷裂或者破裂，因此要加入其他工藝手段來提高強力，如樹脂浸漬。王發(fā)燁[1]等用先配置玻璃纖維溶液，然后用質(zhì)量分數(shù)為1%的稀H2SO4進行調(diào)節(jié)，研究發(fā)現(xiàn)溶液pH=3 時，溶液形成的硅酸表面最適宜。然后將其與闊葉木漿、針葉木漿兩種植物纖維按照比例配置空氣濾紙，玻璃纖維與植物纖維的總量比例為3∶7，針葉木漿與闊葉木漿的配比保持2∶8 不改動，在干燥器上進行干燥后，將此3種纖維配抄制得濾紙，浸入一定固含量的苯丙乳液，固化后制得復(fù)合空氣濾紙，見圖4，其孔徑比商品濾減少一倍的，并發(fā)現(xiàn)苯丙乳液浸漬的上膠量控制在20%，固化時間設(shè)定為15 min 時，濾紙的機械性能和過濾性能較佳，見圖5、圖6，適用于家用空氣凈化器中的空氣濾紙。

圖3 過濾阻力與時間的關(guān)系

圖4 浸漬溶液后纖維的SEM 圖

圖5 固化時間對濾紙原紙撕裂和耐破指數(shù)的影響

使用濕法非織造工藝生產(chǎn)的濾紙，可以具有超高效的過濾效率以及良好的容塵量，但其過濾阻力偏高，因此主要運用于潔凈廠房、電子以及醫(yī)療行業(yè)的無菌空調(diào)系統(tǒng)等行業(yè)。

圖6 固化時間對濾紙原紙杭張指數(shù)和挺度的影響

2 針刺/水刺非織造工藝

針刺工藝指的是用棱邊帶有釣刺的針，對基布進行反復(fù)針刺，見圖7，制成了具有一定厚度和強度的針刺非織造空氣過濾材料[9]。

圖7 針刺工藝示意圖

針刺濾料的孔隙通過纖維的隨機排布形成，其孔隙率取決于針排布的密度和纖維產(chǎn)生的收縮。帶粉塵顆粒的氣體通過隨機排列的纖維層時，氣體通過，顆粒被分離，從而形成粉塵粗過濾層[10-11]。田彩虹[12]等選用3 種細度分別為9 旦、6 旦、4 旦，其混合比分別為50%、40%、10%的滌綸纖維，增加纖網(wǎng)得針刺密度和針刺深度制作出厚度為1.708 mm，面積密度為212 g·m-2，體積密度為0.124 g·cm-3的針刺非織造布，并用PVDF 浸漬處理，形成了含40% PVDF 的復(fù)合針刺材料G，其過濾效率和孔徑分布等性能均優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，見圖8。

裘康[13]等選用指定不同直徑的滌綸和丙綸作為纖維原料。兩種不同直徑的纖維制成的纖網(wǎng)作雙層梯度過濾，粗纖維層在入風(fēng)面，細纖維層在出風(fēng)面。先將這兩種纖維層通過針刺覆合，再復(fù)合噴膠熱軋層形成成品。成品的面密度為300 g·m-2, 厚度10 mm。

圖8 產(chǎn)品G 和國外產(chǎn)品M 的過濾效率對比

在針刺的過程中, 使用叉形針并選擇合適的刺針的叉口與倒鉤的深度。表1 為針刺非織造布與普通過濾材料效率對比。從表1 中數(shù)據(jù)可以看出，復(fù)合針刺非織造布過濾效率吸塵器的濾芯屬于粗效過濾，其過濾效率遠遠大于比普通過濾材料，容塵量和使用壽命大大提高，這種非織造布可以有效地保護吸塵器的主體部分，提高使用壽命。

水刺法與針刺法工藝類似，但針刺法使用數(shù)千枚針穿刺使纖維纏繞，而水刺是利用高壓水柱高速沖擊纖網(wǎng)，將部分纖維開裂成更細纖維，增加纖維的纏繞程度，見圖 9，從而達到將纖網(wǎng)加固的目的[14-15]。

圖9 水刺中纖維纏繞示意圖

表1 針刺非織造布與普通過濾材料效率對比

張恒[16]等通過水刺工藝對PET-PA 橘瓣型雙組分材料進行開纖處理，獲得超細纖維非織造材料。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水刺技術(shù)可以很好地將中空橘瓣型雙組分纖維開裂成細纖維，見圖10。

圖10 PET-PA6 開裂后纖維截面

纖維在非織造材料表面相互纏結(jié)，從而形成過濾效率更高的過濾層；在氣流速度為3.57 m·min-1情況下，試樣對顆粒尺寸為2.05 μm的鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）氣溶膠顆粒具有較好的過濾性能，見圖11。

圖11 不同厚度的過濾效率和阻力

針刺/水刺工藝的過濾材料種類繁多，根據(jù)選擇纖維性能的不同，可生產(chǎn)出適合不同溫度環(huán)境工況、運用于不同行業(yè)的過濾材料。目前使用針刺/水刺工藝過濾最廣泛的是耐高溫行業(yè)，如水泥、鋼鐵、電氣等尾氣處理，常溫濾料中主要運用在汽車過濾器、空氣過濾器、吸塵器等的粗過濾，或者是過濾體系中的前道過濾。

3 紡粘/熔噴工藝

紡粘法與熔噴法都是生產(chǎn)無紡布過濾材料的工藝，兩種工藝各有利弊，一般都是根據(jù)對性能要求的不同選擇合適的工藝。紡粘法是指將擠壓、拉伸成型的聚合物長絲鋪設(shè)成網(wǎng)，再經(jīng)過不同的方式粘合，或者機械加固方法將纖維網(wǎng)變成濾料，見圖12。熔噴法是將高溫高速噴吹出的熔體超細纖維凝聚在支撐體上形成纖維網(wǎng)，然后粘合加固形成非織造布的生產(chǎn)工藝[17]，見圖13。

圖12 紡粘法示意圖

圖13 熔噴法示意圖

隨著技術(shù)的發(fā)展，對濾料性能要求越來越高，很多在熔噴/紡粘基礎(chǔ)工藝的進行的優(yōu)化工藝越來越成熟。歐璐[18]等先將二氧化硅和聚丙烯按照一定的比率進行混合，制備出復(fù)合材料，通過螺桿擠出裝置進行熔融，噴絲，熔融絲通過牽引生成纖維，在支撐面上鋪網(wǎng)，最后通過粘合形成濾料，其微觀結(jié)構(gòu)見圖14。結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入二氧化硅氣凝膠后的過濾材料的過濾效率提高約了1.5 倍，其過濾阻力變化不大，見圖15。

從圖14、圖15 中可以發(fā)現(xiàn)，加入二氧化硅氣凝膠后，濾網(wǎng)微觀結(jié)構(gòu)變得更疏松，膠粒穿過纖維網(wǎng)層數(shù)更多，需要過濾的顆粒在濾網(wǎng)中做布朗運動時被撞擊的幾率增大；而且一部分復(fù)合在外表面的二氧化硅氣凝膠比表面積較大，吸附性能較強，能更好地通過靜電效應(yīng)吸附粒子，因此加入二氧化硅氣凝膠的非織造濾料的過濾性能更佳。但同時發(fā)現(xiàn)，由于二氧化硅氣凝膠添加過量后，纖維網(wǎng)的直徑變粗，孔隙率增大，粒子受到的攔截阻力變小，過濾效率反而有下降趨勢。依循高效低阻的原則，當(dāng)二氧化硅氣凝膠/聚丙烯的質(zhì)量配比為2∶100 時，熔噴非織造濾料的性能最佳。

圖14 不同配比的材料的SEM 圖

圖 15 不同配比材料的過濾效率及阻力曲線

將紡粘、熔噴工藝或者紡粘、雙組分熔噴工藝通過復(fù)合而制成品工藝技術(shù)近年來也得到了很大的發(fā)展。李亞兵[19]等采用皮芯型雙組分聚酯/聚烯烴紡粘和熔噴復(fù)合的工藝，用單螺桿擠出機擠出PE，用于 PP 和 PET 擠出的同向雙螺桿擠出機擠出PP和PET，采用長徑比為 4∶1 的 3.5 m 矩形噴絲板、雙側(cè)吹風(fēng)的冷卻、正壓寬幅狹縫氣流牽伸的熱風(fēng)粘合生產(chǎn)系統(tǒng)，采用創(chuàng)新型的在線翻網(wǎng)復(fù)合技術(shù)，制成了面密度為 60 g·m-2的 PE/PP 皮芯雙組分SMS 復(fù)合材料。表征數(shù)據(jù)表明，過濾效率比單組分非織造復(fù)合材料提高了約 20%，縱橫向柔軟度均提升了10%左右。

熔噴/紡粘工藝生產(chǎn)的過濾材料由纖維相和孔隙相所構(gòu)成的集合體，原材料選擇廣泛、加工工藝簡單及成本低，用作過濾材料時具有很多優(yōu)點，不僅效率高且阻力低，而且能源損耗低[20]，是一種性能較好的常溫空氣過濾材料。

4 靜電紡絲工藝

聚合物靜電紡絲技術(shù)是指將聚合物流體通過靜電作用進行霧化，分裂形成微小射線流體，再通過粘合作用復(fù)合在支撐體上形成纖維網(wǎng)的技術(shù)。從圖16 可以看出，靜電紡絲首先是聚合物噴頭與支撐體之間形成一個靜電場，根據(jù)同種電荷相互排斥的原理，流體液所受靜電作用的方向與其表面張力方向相反，當(dāng)兩者力量相等時，在噴口處會形成半球狀的小液滴，増 大靜電作用，使得液滴被拉伸成錐狀，即Taylor 錐。繼續(xù)增大靜電作用，超過一個臨界值后，靜電作用克服Taylor 錐的表面張力和黏滯力，形成射流，射流按要求凝聚在支撐體上形成過濾材料[21-23]。

圖16 靜電紡絲技術(shù)示意圖

AHN[24]等利用靜電紡絲技術(shù)制成了尼龍6 過濾材料，他發(fā)現(xiàn)溶液質(zhì)量分數(shù)對纖維直徑影響很大，質(zhì)量分數(shù)為15%，靜電紡纖維的平均直徑為80 nm，但有許多珠子，質(zhì)量分數(shù)增加到24%后，纖維直徑逐漸變厚到200 nm，且沒有珠粒，見圖17。將靜電紡濾料與HEPA 濾料進行了對比，在風(fēng)速5 cm·s-1、0.3 μm 的測試顆粒條件下，靜電紡濾料過濾效率可以達到99.993%，遠高于HEPA 濾料，見圖18 。

圖17 不同質(zhì)量分數(shù)的尼龍6 靜電紡濾料的SEM 圖

圖18 靜電紡濾料與HEPA 濾料過濾效率對比圖

ZHANG[25]等將不同直徑的聚對苯二甲酸乙二酯（PET）纖維作為PA-6 納米纖維靜電紡的接收層，通過調(diào)整PET 纖維的直徑和間隙，制備出了具有蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的過濾材料，見圖19。

圖19 不同直徑的PET 的截面SEM 圖

這個制作工藝過程描述為嵌入的聚酯纖維絲引起的散射，形成類波結(jié)構(gòu)的“褶板”現(xiàn)象。針對300～500 nm 的空氣中的顆粒，其過濾效率達到99.996%，過濾阻力降低到95 Pa。這種材料在呼吸器、醫(yī)療設(shè)備、發(fā)動機等領(lǐng)域?qū)哂泻軓姷母偁幜Α?/p>

靜電紡絲工藝先進獨特，對生產(chǎn)的纖維直徑以及分布控制精確度高，因此可根據(jù)不同需求制備小孔徑、高孔隙率的纖維網(wǎng)，非常適合制備常溫過濾材料。

5 駐極工藝

駐極工藝是指通過靜電法、熱極化法、電暈法等方式，將以聚合物為主的有機駐極體材料制作成能夠在一定時間內(nèi)儲存偶極電荷和空間電荷的電介質(zhì)材料的工藝。駐極過濾材料的過濾作用一部分是通過材料結(jié)構(gòu)上基礎(chǔ)的物理攔截過濾，另一部分是通過材料纖維上的靜電作用進行粉塵顆粒捕捉，因此提高過濾的同時卻沒有增加阻力。駐極纖維材料具有效率高、阻力低、價格便宜等特點，成為了最有應(yīng)用前景的常溫過濾材料之一[26-27]。

程博聞[28]等分別將不同含量的電氣石顆粒與PP混合，然后制作成無紡布，再通過電暈充電的方式對纖維網(wǎng)進行駐極處理，最后制得駐極熔噴無紡布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些駐極無紡布隨著電氣石質(zhì)量分數(shù)的增加，過濾效率出現(xiàn)先增加后減小的效果，其中效率最高無紡布的電氣石質(zhì)量分數(shù)為6%。原因是由于駐極而產(chǎn)生的靜電效應(yīng), 大大提高了材料的靜電吸附能力，捕捉粉塵顆粒能力提高，從而提高了整體材料的過濾效率，但隨著電氣石顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加，過多的顆粒使得其在纖維中分散不均勻，從而影響了電荷的儲存量，進而又降低了顆粒捕捉能力，過濾效率也降低了。YEOM[29]等將加入勃姆石納米顆粒的PA 溶液，電紡成平均直徑73～90 nm 的纖維材料，用電暈充電的方式對納米纖維網(wǎng)進行充電，使之成為駐極材料，微觀纖維形貌見圖20，實驗結(jié)果表明見圖21。當(dāng)過濾阻力大于25 Pa 后，含有勃姆石的PA6駐極納米纖維網(wǎng)的過濾效率比納米纖維網(wǎng)高出2 倍。

駐極體過濾材料高效、低阻、節(jié)能、抗菌的優(yōu)點使之在空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，民用領(lǐng)域中主要運用在空調(diào)凈化系統(tǒng)和呼吸防護口罩中，軍事領(lǐng)域中應(yīng)用于潛艇和封閉型水面艦艇的艙室、彈藥倉庫、坑道等場所的空氣凈化中[30-31]。

圖20 含有勃姆石PA6 駐極納米纖維網(wǎng)SEM 圖

圖21 含勃姆石纖維網(wǎng)過濾效率圖

6 覆膜工藝（粘合/超聲波覆合/噴涂）

常溫濾料中的覆膜工藝主要指的是覆合PTFE微孔饃。PTFE 微孔膜表面形態(tài)是具有蛛網(wǎng)狀的微孔結(jié)構(gòu)，具有孔徑小、孔隙率大、表面張力低等特點。同時，PTFE 微孔膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐酸堿腐蝕性以及憎水性等性能。但PTFE 微孔膜薄且軟，機械強力差，在實際運用中必須有相應(yīng)的支撐材料共同作用。常溫覆膜濾料選用的支撐材料一般為PET、PP、PE 等，而覆合方式基本為熱壓、粘合、超聲波覆合。

李猛[32]等通過熱粘覆合工藝（圖 22），將PET/PP 雙組份熔噴材料與 PTFE 微孔膜覆合，形成 PTFE /(PET/PP)復(fù)合濾材，在熱粘覆合時，PP 的熔點低于PET，因此PET 不變化，PP 進行熔融，產(chǎn)生粘合力，將PTFE 于其粘合成一體，見圖23。復(fù)合材料過濾性能主要由PTFE 微孔膜的過濾性能以及覆合時膜的孔道的堵塞率決定。性能測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)合濾材的過濾效率最高可達到 99.957%，過濾阻力降為350.78 Pa，能完全滿足HEPA 濾紙的過濾等級要求。且試驗證明，這種復(fù)合濾材具備可水洗再利用的性能，可多次使用。

圖22 覆合工藝示意圖

圖23 濾料截面SEM 圖

李琦[33]等根據(jù)實際工況建立粉塵回收裝置，模擬日常工作狀態(tài)，回收制藥企業(yè)制藥車間的7-ACA原料粉塵，選用多種濾料進行比較，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，建立過濾理論模型，得出PTFE 覆膜濾料過濾效率高且阻力損失比較低（見圖24、圖25），是最理想的粉塵回收濾料。這是由于覆膜濾料表面的PTFE膜平均孔徑小，大部分粉塵在進入纖維層前直接被阻攔住，無法進入內(nèi)部，且PTFE 表面張力低，粉塵不易聚集于表面，因此過濾速度增加后，覆膜濾料中粉塵無法進入纖維層內(nèi)部，不能堵塞孔道，阻力損失比較低，而其他濾料則有塵粒進入纖維層，堵住了孔道，阻力就會增加。

圖24 不同過濾速度下各濾料阻力損失對比圖

圖25 不同過濾速度下各濾料除塵效率對比圖

PTFE 覆膜常溫濾料具有高效低阻、可清潔再利用等特點，常用作室內(nèi)空氣凈化器的高效濾材，在化工行業(yè)中的催化劑回收以及醫(yī)藥行業(yè)中的藥粉回收過程中得到了越來越多的運用。

7 結(jié)束語

我國工業(yè)進程日新月異，對大氣環(huán)境污染的控制的要求越來越嚴(yán)格，空氣粉塵含量指數(shù)是大氣環(huán)境治理的重要指標(biāo)，而常溫濾料則是非高溫行業(yè)的主要空氣處理手段。隨著常溫濾料研究開發(fā)能力的提高，不同行業(yè)對濾料性能的要求也越來越專業(yè)。因此科研人員針對不同需求，開發(fā)出了多種濾料生產(chǎn)工藝。部分生產(chǎn)工藝基本成熟，工業(yè)化產(chǎn)品性能穩(wěn)定，但也有部分工藝工業(yè)化推進有難度，需要做進一步研究。相信隨著各個科研機構(gòu)、企業(yè)等對常溫濾料工藝技術(shù)研究投入的加大，空氣過濾材料在大氣環(huán)境治理中的應(yīng)用前景將更加廣闊。