CN95空調(diào)濾清器過濾材料性能淺析

夏冬

CN95空調(diào)濾清器能夠?qū)?.3 μm非油性顆粒的過濾效率達(dá)到95%以上。其中，起到主要作用的是CN95過濾材料，而在過濾材料中起到?jīng)Q定作用的是熔噴布性能。熔噴布表面通過超聲波或者熱熔膠的方式復(fù)合1層稀疏基材，可以起到減小阻力，提升容塵量的作用。

空調(diào)濾;過濾材料;空氣流速;復(fù)合方式

0 前言

受新冠病毒疫情影響，口罩已成為人們出行的必備品。N95級別口罩因其高效的過濾效果，可以給人們帶來更高級別的防護(hù)。近年來，隨著我國汽車的普及，人們在汽車內(nèi)的時間大大增加。作為汽車“口罩”的空調(diào)濾清器，其關(guān)注度也在逐漸提高。2020年2月12日，天津華誠認(rèn)證中心推出了國內(nèi)首個CN95級別認(rèn)證，即汽車空調(diào)濾清器過濾等級認(rèn)證。根據(jù)汽車空調(diào)濾清器的顆粒過濾效率指標(biāo)，認(rèn)證產(chǎn)品將被劃分為5級，其中最高等級為“CN95級”。其中，“C”表示汽車，“N95”表示空調(diào)濾清器過濾效率級別，即對0.3 μm非油性顆粒的過濾效率超過95%[1]。

在空調(diào)濾清器中，起到至關(guān)作用的是濾清器中的“CN95”過濾材料（以下簡稱“過濾材料”），研究其性能和作用機(jī)理具有重要的意義。本文主要從不同材料的組合、復(fù)合工藝、氣流方向等方面進(jìn)行淺析。需要說明的是，在同尺寸下，過濾材料的用量、折幅、折數(shù)、折角等參數(shù)，同樣會對空調(diào)濾清器的性能起到非常大的影響。能否找出其中的最優(yōu)比，并建立數(shù)學(xué)模型，對空調(diào)濾清器的研發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。因本文篇幅有限，在此不作贅述。

1 試驗(yàn)與測試

1.1 材料的選擇

本次試驗(yàn)共選用3種基材和2種N95熔噴布，分別采用3種復(fù)合方式進(jìn)行（圖1，圖2）。其中，A方式為基材與熔噴布自然層疊;B方式為基材與熔噴布通過超聲波進(jìn)行復(fù)合;C方式為基材與熔噴布采用熱熔膠進(jìn)行復(fù)合。研究人員通過選取不同的組合，制造出本次試驗(yàn)與測試的過濾材料，并分別進(jìn)行標(biāo)示。例如：“1-a-A”代表選用基材1和熔噴布a，通過自然層疊的方式制作出過濾材料。

圖1 過濾材料的復(fù)合示意圖

圖2 基材和熔噴布的3種不同復(fù)合方式

1.2 試驗(yàn)過程

在相同的測試條件下，研究人員對制造出的過濾材料對其基重和透氣量性能分別采用《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分：單位面積質(zhì)量的測定》（GB/T 24218.1—2009）[2]和《紡織品 織物透氣性的測定》（GB/T 5453—1997）[3]的方法進(jìn)行測定，對其過濾性能采用《汽車 空調(diào)濾清器 第1部分：粉塵過濾測試》（GB/T 32085.1—2015）[4]的方法進(jìn)行測定。測試項(xiàng)目及試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合方式對于過濾材料基本性能的影響

選用基材2及熔噴布a，采用不同復(fù)合方式的測試結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，相同材料不同的復(fù)合工藝方式會造成CN95過濾材料的基重增加和透氣量減小。

在基重方面，由于熱熔膠顆粒的加入，熱熔膠復(fù)合方式在基重方面增加較多，由自然層疊的86.26 g增加到了90.24 g，而采用超聲波復(fù)合方式只增加了1.28 g。

在透氣量方面，由于熱熔膠復(fù)合方式中熱熔膠包裹住了材料的一部分纖維，并且堵塞了一部分材料的空隙，造成透氣量明顯降低。透氣量結(jié)果由455.92 L/（m2·s）降低到了440.05 L/（m2·s），而采用超聲波復(fù)合方式的透氣量降低很小，只降低到了455.65 L/（m2·s）。

另外，在測試透氣量時，相同基材及相同復(fù)合方式，由于進(jìn)氣面的不同（熔噴面/基材面），對透氣量也有一定程度的影響。采用基材面進(jìn)氣的透氣量均高于熔噴面進(jìn)氣方式，增量約為3.5%～9.6%。

2.2 空氣流速、復(fù)合方式、進(jìn)氣面對于初始壓力降的影響

選用基材1及熔噴a采用不同復(fù)合方式的測試結(jié)果見圖3及表3。從中可以看出，隨著空氣流速的增加，過濾材料的初始壓力降顯著增加，比如1-a-A材料的初始壓力降由254 Pa增加到了1 141 Pa。這是因?yàn)殡S著空氣流速的增大，空氣通過介質(zhì)層的摩擦損失增大，能量損失增大，造成壓力降上升。

鑒于基材、熔噴材料空隙結(jié)構(gòu)的均一性不同，以及復(fù)合過程中造成的均勻性改變，總體來看，層疊和超聲波復(fù)合方式結(jié)果相近;雖然從結(jié)果上來看，采用熱熔膠復(fù)合方式比層疊、超聲波復(fù)合方式的壓力降更低，但是從理論上來說，由于熱熔膠的加入，材料空隙率變低，壓力降會更高。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因可能是熱熔膠復(fù)合方式受到復(fù)合工藝的影響較大，造成材料均勻性較層疊、超聲波復(fù)合方式較差。

進(jìn)氣面的不同也會對過濾材料的的壓力降造成比較大的影響。在本試驗(yàn)中，采用基材面（透氣量高）作為進(jìn)氣面的過濾材料，其壓力降相對采用熔噴面（透氣量低）作為進(jìn)氣面的小?？諝饬髁吭酱?，壓力降下降值越大。比如，1-a-B材料隨著空氣流量的增加下降值由3.7%增加到了12.2%。分析其原因，可能是采用基材面作為進(jìn)氣面，基材起到整流的作用?？諝庠诮?jīng)過基材后，從“無序”變成相對“有序”狀態(tài)，減少了熔噴材料的迎風(fēng)面，起到了減少阻力的作用。

2.3 空氣流速、復(fù)合方式、進(jìn)氣面對于分級過濾效率的影響

選用基材2和基材3及熔噴布b，采用不同復(fù)合方式的測試結(jié)果見圖4及表4。從中可以看出，隨著空氣流速的增大，過濾效率除個別數(shù)據(jù)外基本呈現(xiàn)遞減趨勢。在空氣流量達(dá)到600 m3/h（流速2.11 m/s）時，過濾效率降低趨勢尤為顯著。在空氣流量150～300 m3/h（流速0.53～1.05 m/s）時，過濾材料基本能滿足0.3 μm非油性顆粒95%以上的過濾效率。

在顆粒物過濾中，過濾效率主要取決于熔噴材料的性能。通過表4中的數(shù)據(jù)可以看出，采用不同的基材、復(fù)合方式及進(jìn)氣面，對過濾材料的性能影響不大。

2.4 空氣流速、復(fù)合方式、進(jìn)氣面對于容塵量的影響

如圖5和表5所示，從趨勢上看，過濾材料的容塵量表現(xiàn)為隨著空氣流速的增加而下降。例如，1-b-B基材隨著空氣流量的增大，容塵量由1.18 g降低到了0.57 g。

采用超聲波和熱熔膠復(fù)合方式的容塵量會比層疊復(fù)合方式的低。例如，在空氣流量為300 m3/h條件下，以基材面進(jìn)氣時，相對于層疊復(fù)合方式，采用超聲波和熱熔膠復(fù)合方式的容塵量分別由2.05 g降低到1.20 g和1.54 g。

相對于采用基材面進(jìn)氣，采用熔噴面進(jìn)氣的容塵量顯著降低，特別是相對層疊復(fù)合方式，偏差達(dá)到了117%～150%。熔噴面進(jìn)氣容塵量顯著降低的可能原因?yàn)槿蹏娒鎸τ陬w粒物的攔截效率高，易形成濾餅，堵塞過濾材料空隙，造成了壓力降上升速度加快，導(dǎo)致容塵量偏低。在基材面作為進(jìn)氣面的情況下，首先會對較大顆粒物進(jìn)行過濾，使進(jìn)入熔噴面的顆粒物濃度降低，且其表面疏松結(jié)構(gòu)不易形成濾餅。由基材到熔噴布形成的由梳到密的梯度過濾結(jié)構(gòu)，增加了過濾材料的容塵能力。

3 結(jié)論

從上述試驗(yàn)可以看出，采用熱熔膠復(fù)合方式對于過濾材料的基重和透氣量影響較大，而采用超聲波復(fù)合方式對于材料的基重和透氣量影響較小，其相關(guān)特性近似于層疊方式?？紤]到材料的可加工性，在此推薦CN95空調(diào)濾清器過濾材料的業(yè)內(nèi)企業(yè)采用超聲波復(fù)合方式進(jìn)行生產(chǎn)。

在CN95空調(diào)濾清器過濾材料的設(shè)計(jì)制造過程中，在熔噴布表面復(fù)合1層稀疏的基材，比如長纖等，除了可以起到保護(hù)熔噴布不被破壞，提高材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等特點(diǎn)外，還能夠起到減少過濾材料的進(jìn)氣阻力，提升容塵量的作用。

CN95空調(diào)濾清器過濾材料的性能主要取決于材料中熔噴布的性能，在空氣流速為0.53～1.05 m/s時，材料的過濾性能尤佳，而復(fù)合方式對其過濾性能的影響較小。

[1]CATARC標(biāo)志認(rèn)證實(shí)施規(guī)則 汽車空調(diào)濾清器過濾等級[J].中汽研華誠認(rèn)證（天津）有限公司，2020-2-12.

[2]GB/T 24218.1—2009 紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分：單位面積質(zhì)量的測定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3]GB/T 5453—1997 紡織品 織物透氣性的測定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[4]GB/T 32085.1—2015 汽車 空調(diào)濾清器 第1部分：粉塵過濾測試[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.