濾紙微納結(jié)構(gòu)對品質(zhì)因子的影響

蔡曉塹 唐敏 梁云 胡健

摘要：本研究制備了以亞微米級玻璃棉為主體的微納結(jié)構(gòu)濾紙，探究了不同粒徑過濾顆粒對濾紙過濾性能的影響。結(jié)果表明，粗纖維（平均直徑0.69μm）濾紙?jiān)谔囟竭^濾顆粒下表現(xiàn)出優(yōu)于細(xì)纖維（平均直徑0.24μm）濾紙的過濾性能。當(dāng)過濾顆粒粒徑≤100 nm 時，粗纖維濾紙對80 nm 和100 nm 顆粒過濾的品質(zhì)因子最大，過濾性能更好;當(dāng)過濾顆粒粒徑>100 nm 時，濾紙對150、200和300 nm 顆粒過濾的品質(zhì)因子接近，此時粗纖維和細(xì)纖維濾紙的過濾性能接近。關(guān)鍵詞：玻璃棉;直徑分布;最易穿透粒徑;品質(zhì)因子

中圖分類號：TS722?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??? DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2021.12.001

Influence of Filter Paper Micro-nano Structure on Quality Factor

CAI Xiaoqian? TANG Min*?? LIANG Yun? HU Jian

（School ofLight Industry and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510640）

（*E-mail ：tangminde@163. com）

Abstract ：A micro-nano structure filter paper with submicron glass wool was prepared，and the influence of different particle diameter filter particles on the filtration performance of filter paper was explored . The results showed that the filter paper with crude fiber （ average diameter of 0.69μm） had better filtration performance than the filter paper with fine fiber （average diameter of 0.24μm） under a specific particle size. When the filter particle size was less than or equal to 100 nm，the filter paper with crude fiber had the largest quality factor for 80 nm and 100 nm particles，and the filtration performance was better. When the filter particle size was greater than 100 nm，the filter paper had a similar quality factor for 150 nm，200 nm and 300 nm particles，and the filtration performance of filter paper with crude fiber and filter paper with fine fiber was similar.

Key words ：glass wool;diameter distribution;most penetrating particle size;quality factor

隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷加快，我國空氣污染問題不斷加劇[1]。高效空氣濾紙能有效去除懸浮在空氣中的細(xì)小微粒，在超大規(guī)模集成電路、原子能發(fā)電站、放射性醫(yī)療、食品加工、制藥及精密制造等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[2]。品質(zhì)因子是濾紙穿透率的對數(shù)值與過濾阻力的比值，是評價濾紙優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)[3]，穿透率和過濾阻力越小則品質(zhì)因子越高，品質(zhì)因子越高，說明濾紙的過濾性能越好[4]。纖維直徑是影響空氣濾紙結(jié)構(gòu)和性能的重要因素[5-7]，經(jīng)典過濾理論認(rèn)為，纖維直徑越小，濾紙的過濾性能越好[8-9]。更高過濾效率、更低過濾阻力的高效空氣濾紙是未來的發(fā)展趨勢?？諝鉃V紙主要由微米纖維和納米纖維組成，是一種典型的微納結(jié)構(gòu)，其中，高效空氣濾紙以亞微米級纖維（100～1000 nm）為主體，然而，目前對于亞微米級纖維占主體濾紙的研究較少，研究者們主要集中在微米級纖維占主體濾紙的結(jié)構(gòu)和性能的研究[10-12]。

纖維直徑是影響微納結(jié)構(gòu)濾紙過濾性能的重要因素，同時，玻璃棉的直徑具有一定的離散性分布，因此對其直徑的表征是濾紙研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前常用的玻璃棉直徑表征方法主要有打漿度法[13]、自動成像分析技術(shù)[14]、BET 比表面積法[15]、顯微鏡法[16-18]等。顯微鏡法是目前最直接的一種直徑表征方式，本研究采用此法進(jìn)行纖維直徑的表征。

最易穿透粒徑法是評價高效濾紙過濾性能最嚴(yán)格的方法，它能準(zhǔn)確反映微納結(jié)構(gòu)對高效濾紙性能的影響。最易穿透顆粒（ MPPS ）[19]通常是指粒徑范圍為100～300 nm 的顆粒，這一粒徑范圍的顆粒最難被纖維捕集。目前關(guān)于過濾顆粒的研究主要集中在顆粒形狀[20]、顆粒電荷[21]、顆粒類型等方面，Wang 等人[22]通過開發(fā)的數(shù)值模型研究了不同粒徑顆粒下濾紙的品質(zhì)因子。結(jié)果表明，對于小于100 nm 的顆粒，微米纖維濾紙比納米纖維濾紙擁有更好的過濾性能。Hung 等人[23]將平均直徑分別為185 nm 和94 nm 的纖維與同一微米級基材復(fù)合并在相同測試面流速下進(jìn)行效率測試，結(jié)果顯示，平均直徑為94 nm 的纖維復(fù)合濾紙對100～380 nm 的顆粒過濾品質(zhì)因子較高;而平均直徑為185 nm 的纖維復(fù)合濾紙對50～90 nm 的顆粒過濾品質(zhì)因子更高。上述研究雖然探討了顆粒粒徑對過濾過程的影響，但是尚未研究顆粒粒徑對以亞微米級纖維占主體濾紙過濾性能的影響。

綜上所述，為了深入探究在不同粒徑過濾顆粒下微納結(jié)構(gòu)對濾紙過濾性能的影響，本研究利用顯微鏡法對玻璃棉直徑進(jìn)行表征，制備4種不同直徑分布的濾紙，并通過透氣度、過濾效率和品質(zhì)因子等的分析，探究濾紙?jiān)诓煌竭^濾顆粒下的過濾性能，為高效空氣濾紙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1? 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

4種不同規(guī)格的玻璃棉，編號分別為： BLM1（打漿度65°SR）、 BLM2（打漿度61°SR）、 BLM3（打漿度44°SR）、 BLM4（打漿度34°SR）。1種短切玻璃纖維（以下簡稱短切玻纖），直徑6μm ，長度7 mm，編號是 BX。

95568纖維疏解機(jī)，澳大利亞 PTI 公司; NO.2542-A 自動抄片器，日本 KRK 公司;Modles 140平板干燥器，美國 Emerson 公司;Phenom G2 Pro 掃描電子顯微鏡 （ SEM ），荷蘭 Phenom-World 公司; ME203E/02精密電子天平，瑞士 METTLER TOLEDO 公司;ImageJ 纖維自動測量軟件，美國 National Insti? tutes of Health;FX 3300透氣度儀，瑞士Textest公司; YG142厚度儀，寧波紡織儀器廠; CFP-1100-A 毛細(xì)流量孔徑測試儀，美國 PMI 公司。

1.2? 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1? 玻璃棉直徑分布的測定

采用顯微鏡法對玻璃棉纖維直徑進(jìn)行自動和手動測量，所用測試軟件為 ImageJ。

1.2.2? 亞微米級纖維濾紙的制備

分別稱取玻璃棉和短切玻纖于纖維疏解器中，加入稀 H2 SO4控制混合纖維懸浮液的 pH 值為2.5～3.0，設(shè)置疏解轉(zhuǎn)數(shù)為12000轉(zhuǎn)。將疏解完成的漿料倒入紙頁成型器中，加水混合至10 L ，并加入稀 H2 SO4調(diào)整 pH 值。疊放10張吸水紙于濕紙幅上，用圓滾筒輕輕滾壓，接著將手抄片放置于平板干燥器中，干燥溫度105℃，翻面時間間隔為2 min ，直至達(dá)到恒質(zhì)量。使用透氣度儀在測試壓力200 Pa 、測試面積20 cm2的測試條件下，控制濾紙透氣度在30～40 mm/s ，濾紙配方如表1所示。

1.2.3? 表面形貌表征

使用掃描電子顯微鏡觀測濾紙的表面形貌。

1.2.4? 厚度測試

按照 GB/T 3820—1997，使用厚度儀對濾紙的厚度進(jìn)行測量。

1.2.5? 透氣度測試

按照 GB/T 5453—1997，使用透氣度儀對濾紙的透氣度進(jìn)行測量。

1.2.6? 孔徑測試

使用毛細(xì)流量孔徑測試儀測量濾紙的平均孔徑。

1.2.7? 過濾效率測試

圖1為本研究根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[24-25]搭建的高效濾紙過濾效率測試裝置，該裝置主要分為4個組成部分，分別是空氣凈化系統(tǒng)、氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)、單分散顆粒篩分和計(jì)數(shù)系統(tǒng)、過濾效率測試系統(tǒng)。其工作原理為：壓縮空氣經(jīng)空氣凈化系統(tǒng)后成為潔凈空氣，通過改變質(zhì)量流量控制器的流量來控制進(jìn)入霧化器（3076，美國 TSI 公司）的潔凈空氣流量，從而產(chǎn)生不同粒徑分布的多分散 NaCl 氣溶膠，這些氣溶膠經(jīng)吸水硅膠后被充分干燥，成為固體顆粒，并進(jìn)入差分電遷移率分析儀（3082，美國 TSI 公司）進(jìn)行篩選，得到單分散粒徑的顆粒，隨后單分散顆粒經(jīng)中和器達(dá)到玻爾茲曼電荷平衡狀態(tài)，接近大氣環(huán)境中的顆粒實(shí)際帶電狀況，然后與潔凈空氣混合進(jìn)入特殊夾具，含有單分散 NaCl 顆粒的混合氣體進(jìn)入測試管道并流過濾紙。在夾具上下游采用凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)器（3775，美國 TSI 公司）測試上下游顆粒濃度，并由式（1）計(jì)算穿透率 P。

式中，Ndown和Nup分別為下游和上游顆粒的數(shù)量濃度，個/cm3;E 為過濾效率，%。

本研究中，過濾效率的測試顆粒粒徑為80、100、150、200和300 nm ，濾紙有效測試面積為5 cm2，測試面流速為5 cm/s。

2 結(jié)果與討論

2.1? 玻璃棉直徑表征

為了探究顯微鏡法自動測量玻璃棉直徑的可靠性，對手動和自動測量的玻璃纖維直徑進(jìn)行對比。一般采用圖像法手動測量足夠數(shù)量的纖維，認(rèn)為得到的平均直徑是可靠的。通常纖維直徑越小測量誤差越大，因此，選擇4種玻璃棉中最細(xì)的 BLM1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， BX 和 BLM1的自動和手動平均直徑測量結(jié)果對比見表2。圖2為 BLM1自動和手動測量直徑分布對比圖。

從表2可以看出，對于直徑分布均一的 BX ，顯微鏡法自動與手動測量的平均直徑非常接近，誤差僅為0.1%;而對于纖維直徑呈現(xiàn)多分散分布的 BLM1，顯微鏡法自動與手動測量的平均直徑結(jié)果較為接近，誤差為4.2%。結(jié)合圖2可知，自動和手動測量 BLM1的直徑分布的整體趨勢較為接近，其中自動測量的峰值略低于手動測量的峰值，這可能與手動測量過程中的人工測量誤差和自動測量過程中的纖維識別誤差有關(guān)。綜上，顯微鏡法自動測量能較為快速和準(zhǔn)確地測量纖維直徑分布，適用于玻璃棉直徑的表征。

顯微鏡法自動測量4種玻璃棉的直徑分布見圖3，測得 BLM1～BLM4的平均直徑分別為0.24、0.31、0.55和0.69μm 。打漿度可以粗略地反映纖維的粗細(xì)，根據(jù)4種玻璃棉的出廠打漿度值可知，從 BLM1到 BLM4，打漿度逐漸減小，說明纖維直徑逐漸增大，這和使用顯微鏡法自動測量的纖維平均直徑變化趨勢一致。

2.2? 濾紙表面形貌分析

圖4為濾紙 A 、B 、C 、D 的 SEM 圖。從圖4可以看出，4 種濾紙的纖維直徑粗細(xì)不均，主要為0.2～6.0μm ，呈現(xiàn)典型的微納結(jié)構(gòu)。從濾紙 A 到濾紙 D，纖維直徑逐漸增大。濾紙 A 、B 、C 、D 表面結(jié)構(gòu)較為致密，形成的孔隙結(jié)構(gòu)較小。

2.3? 纖維直徑對濾紙基本性能的影響

表3是4種濾紙基本性能的測試結(jié)果。從表3可以看出，4種濾紙的透氣度在32～38 mm/s 之間，這說明4種濾紙的透氣度變化不顯著。在過濾過程中，透氣度和過濾效率是影響品質(zhì)因子的關(guān)鍵因素，因此，4種濾紙的透氣度差距小保證了濾紙間過濾性能的可對比性。

孔徑是影響濾紙過濾性能的重要因素，纖維直徑直接影響濾紙的孔徑。緊度反映的是濾紙的緊密程度。由表3還可以看出，從濾紙 D 到濾紙 A ，濾紙的孔徑呈逐漸減小趨勢，濾紙 A 、B 、C 的緊度基本不變，濾紙 D 的緊度略小。這是因?yàn)殡S著組成濾紙的纖維直徑的減小，粗纖維所占組分減小，細(xì)纖維占比增加，更多的細(xì)纖維穿插在纖維骨架結(jié)構(gòu)中，使得大孔隙被分割成小孔隙，纖維之間交織得更加緊密，因此，濾紙平均孔徑減小，緊度略為增大。

2.4? 纖維直徑對濾紙穿透率的影響

為了探究在不同粒徑過濾顆粒下纖維直徑對微納結(jié)構(gòu)濾紙過濾性能的影響，在測試面流速為5 cm/s 的條件下，對濾紙 A 、B 、C 、D 在80～300 nm 的單分散顆粒下進(jìn)行過濾效率測試，并做出穿透率分布圖，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，4種濾紙的穿透率均有唯一的最高點(diǎn)（ MPPS ）。根據(jù)深層過濾機(jī)理[26]，在顆粒過濾過程中，小顆粒（<100 nm）在過濾過程中主要進(jìn)行布朗運(yùn)動，通過擴(kuò)散效應(yīng)被纖維捕集，這種小顆粒隨著粒徑的增大，擴(kuò)散效應(yīng)越來越弱，顆粒被捕集的機(jī)會減小，從而使得過濾效率降低。大顆粒（>150 nm）由于質(zhì)量相對較大，所以在過濾過程中具備足夠的動量，能較易從流線中脫離出來，并通過慣性效應(yīng)被纖維捕集，這種大顆粒隨著粒徑減小，慣性效應(yīng)減小，顆粒越難被纖維捕集，從而出現(xiàn)過濾效率降低的現(xiàn)象。而對于粒徑范圍在100～150 nm 之間的顆粒而言，擴(kuò)散效應(yīng)和慣性效應(yīng)都不足以使得其被纖維捕集，因此，該粒徑范圍內(nèi)的顆粒能較易穿過濾紙纖維層而成為最易穿透顆粒。

此外，筆者還發(fā)現(xiàn)隨著玻璃棉平均直徑從0.24μm 增大到0.69μm ，最易穿透粒徑從100 nm 增大到150 nm 。濾紙的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，顆粒除了被濾紙表面攔截外，也有部分會隨著氣流進(jìn)入濾紙孔道內(nèi)，裹挾著顆粒的氣流難以通過狹窄的孔道，極大地增加了顆粒與纖維摩擦和碰撞的概率[27]，因此，濾紙的孔隙越小，顆粒被纖維捕獲的幾率就越大。同時，隨著組成濾紙纖維直徑的減小，濾紙的孔隙被分割，成為更小的孔隙。根據(jù)上述最易穿透粒徑的相關(guān)內(nèi)容可知，最易穿透粒徑受擴(kuò)散效應(yīng)和慣性效應(yīng)的綜合影響。而隨著纖維直徑的減小，濾紙孔隙變小，由于慣性效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)的不足而穿透纖維濾紙的顆粒粒徑會有所減小。因此，濾紙 A 和 B 的最易穿透粒徑小于濾紙 C 和 D 的最易穿透粒徑。

2.5? 纖維直徑對濾紙品質(zhì)因子的影響

穿透率的對數(shù)值與過濾阻力的比值稱為品質(zhì)因子[3-4]，品質(zhì)因子是評價濾紙過濾性能的綜合指標(biāo)，品質(zhì)因子越大，濾紙的綜合性能就越好。濾紙的穿透率 P 針對的是同一粒徑的被過濾顆粒。品質(zhì)因子的計(jì)算如式（2）所示。

式中，? Q 是品質(zhì)因子， Pa1;Δp 是過濾阻力， Pa ;P 是穿透率，%。

為了評價纖維直徑對含有微納結(jié)構(gòu)濾紙過濾性能的影響，采用品質(zhì)因子對濾紙綜合性能進(jìn)行分析，4種濾紙?jiān)?0～300 nm 顆粒粒徑下的品質(zhì)因子如圖6所示。從圖6可知，不同粒徑過濾顆粒對應(yīng)的濾紙品質(zhì)因子有所差異。玻璃棉纖維平均直徑從0.69μm 減小到0.24μm 的情況下，當(dāng)顆粒粒徑為80 nm 時，濾紙品質(zhì)因子從3.63×10-2 Pa-1減小到3.19×10-2 Pa-1，減小約12.2%;當(dāng)顆粒粒徑為100 nm 時，濾紙品質(zhì)因子從3.34×10-2 Pa-1減小到3.03×10-2 Pa-1，減小約9.1%。當(dāng)顆粒粒徑為150 nm 和200 nm 時，玻璃棉平均直徑為0.24μm 的濾紙品質(zhì)因子最大，分別為3.12×10-2 Pa-1和3.30×10-2 Pa-1，其中，最大和最小品質(zhì)因子間的變化幅度分別為4.8%和4.6%。當(dāng)顆粒粒徑為300 nm 時，玻璃棉纖維平均直徑為0.69μm 的濾紙品質(zhì)因子最大，為3.51×10-2 Pa-1，最大和最小品質(zhì)因子間的變化幅度為7.8%。

一方面，基于經(jīng)典單纖維理論可知，纖維直徑越小，過濾效率越高[8-9]。纖維直徑的變化會引起濾紙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，纖維直徑減小，意味著細(xì)纖維占比增加，更多的細(xì)纖維穿插在纖維骨架結(jié)構(gòu)中，使得大孔隙被分割成小孔隙，纖維之間交織得更加緊密，表現(xiàn)為濾紙平均孔徑減小和緊度增大（表3），并且隨著小孔隙增多，氣流通過濾紙表面時顆粒與纖維發(fā)生摩擦和碰撞的概率會大大增加，表現(xiàn)為過濾效率增大。同時，氣流通過濾紙時產(chǎn)生的動量損失會增大，表現(xiàn)為過濾阻力增大。另一方面，通常利用滑流效應(yīng)[28]來解釋納米纖維濾紙的壓降降低和過濾效率增大現(xiàn)象。隨著纖維尺寸減小至納米級，纖維直徑與空氣分子平均自由程接近，流過濾紙的氣流不能看成連續(xù)流體，與連續(xù)流相比，處于滑移流狀態(tài)的物體對迎面而來的塞流擾動更小，因此流線更直，更接近纖維，表現(xiàn)為過濾效率增大。同時，空氣分子碰撞纖維的幾率減小，動量交換減少，流體對纖維的拖拽力減小，表現(xiàn)為過濾阻力降低。

綜上所述，可以得到如下結(jié)論：品質(zhì)因子作為綜合評價濾紙過濾效率和過濾阻力的指標(biāo)與纖維直徑?jīng)]有必然聯(lián)系;在濾紙結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化過程中，需要根據(jù)過濾顆粒粒徑對濾紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以得到具有較佳品質(zhì)因子的濾紙;當(dāng)顆粒粒徑≤100 nm 時，粗纖維（0.69μm）濾紙對80 nm 和100 nm 顆粒過濾的品質(zhì)因子最大，分別為3.63×102 Pa1和3.34×102 Pa1，過濾性能更好;當(dāng)顆粒粒徑>100 nm 時，濾紙對150、200、300 nm 和 MPPS 顆粒過濾的品質(zhì)因子接近，此時，纖維平均直徑為0.24～0.69μm 的濾紙品質(zhì)因子差別較小，粗纖維和細(xì)纖維濾紙的過濾性能接近。Wang 等人[22]通過開發(fā)的數(shù)值模型研究了不同粒徑顆粒下纖維濾紙的品質(zhì)因子，結(jié)果表明，對于小于100 nm 的顆粒，粗纖維濾紙比細(xì)纖維濾紙擁有更好的過濾性能，這和本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相匹配。

3 結(jié)論

采用4種不同直徑分布的玻璃棉制備濾紙，探究在80～300 nm 過濾顆粒下纖維直徑對微納結(jié)構(gòu)高效濾紙結(jié)構(gòu)和性能的影響，為高效空氣濾紙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

3.1? 粗纖維（平均直徑為0.69μm）濾紙?jiān)谔囟竭^濾顆粒下表現(xiàn)出優(yōu)于細(xì)纖維（平均直徑為0.24μm）濾紙的過濾性能。

3.2? 隨著玻璃棉平均直徑從0.24μm 增大到0.69μm，高效濾紙的最易穿透粒徑從100 nm 增大到150 nm，平均孔徑逐漸增大，緊度略為減小。

3.3? 對于以亞微米級玻璃棉為主體的微納結(jié)構(gòu)高效濾紙，當(dāng)過濾顆粒粒徑≤100 nm 時，粗纖維濾紙對80 nm 和100 nm 顆粒過濾的品質(zhì)因子最大，過濾性能更好;當(dāng)過濾顆粒粒徑>100 nm 時，濾紙對150、200和300 nm 顆粒過濾的品質(zhì)因子接近，此時粗纖維和細(xì)纖維濾紙的過濾性能接近。

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（責(zé)任編輯：董鳳霞）