高效低阻空氣過(guò)濾材料研究進(jìn)展

楊吉震，劉強(qiáng)飛，何瑞東，吳韶華，何宏偉，寧 新，周 蓉，董湘琳，齊貴山

(1.青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071；2.青島大學(xué) 非織造材料與產(chǎn)業(yè)用紡織品創(chuàng)新研究院，山東 青島 266071；3.山東省特型非織造材料工程研究中心，山東 青島 266071；4.山東省興國(guó)新力環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，山東 淄博 255000)

城鎮(zhèn)化的崛起一般伴隨著空氣污染問(wèn)題的出現(xiàn)，空氣中的細(xì)小顆粒物(PM)，尤其是空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5 μm(PM2.5)的顆粒物，對(duì)人體健康特別是呼吸系統(tǒng)具有很大威脅[1]。目前，空氣凈化采用的主要方式是過(guò)濾，過(guò)濾材料通常是由濾布、濾紙以及微孔膜等多孔介質(zhì)構(gòu)成，按照使用溫度可分為常溫過(guò)濾材料、高溫過(guò)濾材料以及超高溫過(guò)濾材料。2019年12月，新型冠狀病毒(COVID-19)疫情爆發(fā)以來(lái)，各國(guó)對(duì)醫(yī)療防護(hù)用品的需求量急劇增長(zhǎng)，尤其是作為個(gè)人在公共空間有效防止病毒傳播的基礎(chǔ)防護(hù)裝備——口罩，成為了人們出行的必需品，使得越來(lái)越多的人開(kāi)始從專(zhuān)業(yè)角度關(guān)注過(guò)濾材料的性能，紡織過(guò)濾材料的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化也成為業(yè)界研發(fā)和生產(chǎn)的重點(diǎn)。

對(duì)于空氣過(guò)濾應(yīng)用而言，纖維基過(guò)濾材料具有工業(yè)自動(dòng)化加工程度高，纖維膜所構(gòu)筑的微納米孔隙結(jié)構(gòu)可調(diào)控，多層功能差異性的不同尺度纖維層可進(jìn)行復(fù)合和產(chǎn)量大等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。疫情以來(lái)，非常態(tài)化市場(chǎng)的供需情況，給靜電紡納米纖維膜在口罩等商用過(guò)濾產(chǎn)品中的應(yīng)用帶來(lái)了新的契機(jī)，如東華大學(xué)覃小紅教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了靜電紡納米纖維口罩的商品化落地與市場(chǎng)銷(xiāo)售[2]。一般來(lái)說(shuō)，隨著纖維材料過(guò)濾效率的提高，過(guò)濾阻力也會(huì)相應(yīng)正相關(guān)增大。這是由于通過(guò)層層堆積的纖維材料所構(gòu)筑的孔徑越小，細(xì)小顆粒物在隨著空氣流動(dòng)通過(guò)膜材料時(shí)被攔截吸附的概率越大。與此同時(shí)，氣體流速和通量也會(huì)受到限制，進(jìn)而導(dǎo)致過(guò)濾效率的提高與過(guò)濾阻力的增大[3]。

空氣過(guò)濾材料的過(guò)濾機(jī)制主要有5種，分別是靜電吸附、布朗擴(kuò)散、攔截效應(yīng)、慣性沉積、重力沉降，其中對(duì)于粒徑在1 μm以下的顆粒物，主要是前3種機(jī)制發(fā)揮作用，過(guò)濾效率提高的關(guān)鍵在于有效利用這3種過(guò)濾機(jī)制[4]。從空氣過(guò)濾材料角度出發(fā)，本文主要圍繞靜電紡納米纖維膜、常溫熔噴空氣過(guò)濾材料以及耐高溫針刺過(guò)濾氈3種材料，針對(duì)目前的研究現(xiàn)狀，歸納分析了提高材料過(guò)濾效率的途徑，主要包括駐極化、微納結(jié)構(gòu)化、超細(xì)纖維應(yīng)用及梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與后處理等，以期對(duì)空氣過(guò)濾材料的理論研究和工業(yè)生產(chǎn)提供借鑒與思考。

1 駐極化

駐極的實(shí)質(zhì)是使材料帶電荷的過(guò)程，通過(guò)增大靜電效應(yīng)來(lái)提高材料的過(guò)濾效率，尤其是對(duì)粒徑在1 μm以下的亞微米顆粒物的過(guò)濾，值得注意的是駐極處理在提高材料過(guò)濾效率的同時(shí)，并不會(huì)明顯增加過(guò)濾阻力，因此，材料的駐極化在過(guò)濾領(lǐng)域具有很大發(fā)展?jié)摿5]。常規(guī)的駐極材料在一段時(shí)間后電荷易耗散消失，導(dǎo)致過(guò)濾效率下降。駐極的種類(lèi)很多，其中以電暈駐極和靜電駐極最為常見(jiàn)，還包括新穎的水駐極技術(shù)和摩擦駐極技術(shù)[6]。從電荷產(chǎn)生的渠道來(lái)看，目前主要有外加電場(chǎng)、添加無(wú)機(jī)納米駐極材料、摩擦駐極等方式。

1.1 靜電駐極

靜電駐極的機(jī)制大致為：在靜電紡絲過(guò)程中，直流電源對(duì)聚合物溶液施加電壓產(chǎn)生大量電荷，并原位注入到整個(gè)多組分溶液中，納米纖維形成期間，纖維表面電荷發(fā)生極化產(chǎn)生靜電荷，纖維完全固化后其內(nèi)部具有可長(zhǎng)久存在的靜電荷。靜電駐極的優(yōu)點(diǎn)是纖維表面與內(nèi)部都具有電荷，從而提高纖維對(duì)顆粒物的靜電吸附效果。除紡絲環(huán)境形成電荷外，不同材料之間相互復(fù)合還可增強(qiáng)駐極效果。聚偏氟乙烯(PVDF)、聚苯乙烯(PS)等都具有很高的介電常數(shù)，可產(chǎn)生較高的分子偶極矩，使纖維膜達(dá)到更高的表面電勢(shì)[7]。還可通過(guò)添加二氧化硅(SiO2)、二氧化鈦(TiO2)、鈦酸鋇(BaTiO3)等無(wú)機(jī)納米材料來(lái)提高靜電紡纖維膜的表面電勢(shì)[8]。

Li等[9]選用羥基磷灰石(HAP)納米顆粒作為電荷增強(qiáng)劑加入到PVDF紡絲前驅(qū)體溶液中，經(jīng)靜電紡絲成膜后，HAP納米顆?？删鶆蚍植迹沂筆VDF的極性β相的含量增加，纖維膜的表面電勢(shì)達(dá)到13.26 kV。Ding等[10]利用γ-縮水甘油氧丙基三甲氧基硅烷(GPS)改性的SiO2納米顆粒作為電荷增強(qiáng)劑，通過(guò)靜電紡絲技術(shù)使其均勻分散在PVDF纖維中，制備得到的納米纖維膜表面電勢(shì)高(12.4 kV)且電荷穩(wěn)定。該研究表明提高靜電駐極效果的方法不局限于尋找新的駐極納米顆粒，也可通過(guò)對(duì)已有的駐極顆粒進(jìn)行改性來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 電暈駐極

電暈駐極是一種常用的熔噴非織造材料駐極技術(shù)，其主要機(jī)制為：在金屬針上施加電壓，電極附近的空氣被高壓電場(chǎng)電離成正負(fù)離子，隨后這些離子通過(guò)靜電斥力沉積到熔噴非織造材料或纖維陷阱中，實(shí)現(xiàn)材料的表面電荷化。已有研究發(fā)現(xiàn)，駐極體材料的電荷儲(chǔ)存能力取決于材料中的電荷陷阱密度，可通過(guò)調(diào)節(jié)材料的微觀結(jié)構(gòu)尤其是晶相結(jié)構(gòu)，或者引入具有電荷保持特性的添加物2種方式來(lái)改善駐極體材料的電荷儲(chǔ)存能力[11]。

目前，晶型結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)主要是添加硬脂酸鹽，其他添加物質(zhì)報(bào)道極少。Liu等[12]在制備聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)雙組分紡粘材料時(shí)，將硬脂酸鎂(MgSt)加入PP后經(jīng)電暈駐極處理，得到了低過(guò)濾阻力、高過(guò)濾效率、高容塵量、三維蓬松結(jié)構(gòu)的雙組分紡粘空氣過(guò)濾材料。張劍鋒[11]以生物可降解的聚乳酸(PLA)為原料制備了熔噴過(guò)濾材料，經(jīng)電暈駐極發(fā)現(xiàn)，駐極體的電荷儲(chǔ)存量與材料的結(jié)晶度有關(guān)，結(jié)晶度越大，電荷儲(chǔ)存量越高；且駐極體的電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性與材料的晶型比例有關(guān)，結(jié)構(gòu)有序的晶型比例越高，電荷儲(chǔ)存越穩(wěn)定，并通過(guò)添加硬脂酸鹽的方式調(diào)控PLA的晶型結(jié)構(gòu)，探討了材料內(nèi)部晶型與駐極體過(guò)濾性能的關(guān)系。

引入具有電荷保持特性的添加物多以電氣石(TM)、SiO2、BaTiO3為主，摻雜這些添加物并經(jīng)電暈駐極，可明顯提升熔噴過(guò)濾材料的過(guò)濾效率，但這類(lèi)添加物屬于無(wú)機(jī)物，與基材相容性差，二者的結(jié)合牢度不好[13]。

1.3 摩擦駐極

摩擦駐極的機(jī)制為：2種不同極性的材料在相互接觸摩擦?xí)r發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，從而帶上電荷的過(guò)程，其駐極效果與纖維材質(zhì)、環(huán)境溫濕度、摩擦?xí)r間、接觸面積等因素有關(guān)。摩擦納米發(fā)電(TENG)技術(shù)是在納米尺度內(nèi)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，因其具有體積小、發(fā)電率高、操作性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注[14-15]。目前的研究表明，TENG與過(guò)濾效率的關(guān)系尚不清晰，在過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用還較少，但發(fā)現(xiàn)TENG在過(guò)濾領(lǐng)域與摩擦駐極有相似之處，二者在一定程度上可以結(jié)合。利用TENG技術(shù)的關(guān)鍵在于2種材料的選取，目前主要是以聚四氟乙烯(PTFE)作為易失電子的材料，得電子材料的種類(lèi)不盡相同。

Wang等[16]以納米SiO2修飾的膜裂PTFE纖維和聚苯硫醚(PPS)纖維為原料，經(jīng)梳理成網(wǎng)、針刺加固等工藝制備了針刺摩擦起電(N-TAF)空氣過(guò)濾材料，研究發(fā)現(xiàn)納米SiO2的加入使PTFE纖維表面出現(xiàn)凸起，粗糙度增加，使得梳理和針刺過(guò)程中纖維與纖維之間相互摩擦產(chǎn)生了更多的電荷，且后續(xù)還可通過(guò)摩擦使電荷再生，但N-TAF材料的耐高溫性能并未提及，經(jīng)高溫處理后材料表面是否還能有效的儲(chǔ)存電荷仍是未知。Guo等[17]在不改變傳統(tǒng)口罩結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)單電極的滑動(dòng)TENG電荷補(bǔ)充技術(shù)對(duì)口罩的中間過(guò)濾層PP通電處理后，可達(dá)到雙極充電的效果，該口罩經(jīng)過(guò)10次循環(huán)測(cè)試后，對(duì)PM0.3的過(guò)濾效率仍在95%以上。

1.4 水駐極

水駐極作為一種新型駐極工藝越來(lái)越受到研究者們的關(guān)注，其機(jī)制主要是在一定壓力下將水從噴霧裝置中噴出，形成高壓水射流，在高壓和負(fù)壓抽吸雙重作用下，水射流與材料發(fā)生摩擦產(chǎn)生電荷。工業(yè)上水駐極主要分為3個(gè)部分，即水處理、水摩擦以及烘燥。水駐極其實(shí)是一種液固摩擦的過(guò)程，其效果受液體pH值及電導(dǎo)率的影響。水摩擦后的非織造材料通過(guò)傳送裝置進(jìn)入烘房，采用熱風(fēng)穿透進(jìn)行烘干使其帶電。目前關(guān)于水駐極的研究很少，其水溶液的組成、流動(dòng)方式以及駐極材料的選取等尚不明確，在今后的研究中具有廣闊前景，同時(shí)也具有很大挑戰(zhàn)。

表1示出4種駐極方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。通過(guò)給材料選擇合適的駐極類(lèi)型，可使纖維材料具有最佳的過(guò)濾性能。

表1 不同駐極方式的對(duì)比

2 微納結(jié)構(gòu)化

微納結(jié)構(gòu)化主要是指在微米級(jí)的過(guò)濾材料中引入納米纖維后，在過(guò)濾材料表面或者內(nèi)部形成1層納米纖維膜。其中納米纖維膜起主要的過(guò)濾作用，從而顯著增強(qiáng)過(guò)濾材料的過(guò)濾效率，內(nèi)部的微米纖維發(fā)揮支撐作用，可改善單一納米纖維膜強(qiáng)力低、容塵量小的弊端；但由于納米纖維膜結(jié)構(gòu)致密、堆積密度大，導(dǎo)致其過(guò)濾阻力較大，為綜合評(píng)價(jià)材料的過(guò)濾性能，引入衡量指標(biāo)品質(zhì)因子(QF)，其值越大代表材料的綜合過(guò)濾性能越好。目前，用于制備納米纖維的方法主要有靜電紡絲法、熔噴法、相分離法、自組裝法、閃蒸法等[18]。微納結(jié)構(gòu)材料主要通過(guò)靜電紡絲技術(shù)、熔噴技術(shù)、芳綸納米分散液制備等與針刺、紡粘等技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)。

2.1 靜電紡絲技術(shù)

靜電紡絲技術(shù)制備微納結(jié)構(gòu)材料的主要機(jī)制是：將2種黏度差異較大的溶液進(jìn)行并排紡絲，在電場(chǎng)力作用下造成差異牽伸，從而形成細(xì)度具有明顯差異的微納結(jié)構(gòu)材料。與單一納米材料相比，微纖維的引入為過(guò)濾顆粒物提供了更長(zhǎng)的路徑，增加了材料的蓬松度，降低了材料的致密結(jié)構(gòu)，提高了纖維集合體的孔隙率和透氣性，一定程度上達(dá)到了高效低阻的空氣過(guò)濾要求。

當(dāng)微米纖維與納米纖維復(fù)合時(shí)，還可結(jié)合材料之間的極性和非極性，使復(fù)合材料產(chǎn)生更高的電荷，從而達(dá)到更高的過(guò)濾效率。Li等[19]采用高介電常數(shù)的納米PVDF和微米PS進(jìn)行復(fù)合，二者之間還會(huì)產(chǎn)生電感耦合提高駐極體效應(yīng)，不僅可達(dá)到高過(guò)濾效率(99.752%)和低壓降(72 Pa)的要求，還解決了聚合物和納米顆粒駐極體纖維的潛在毒性問(wèn)題。還有研究采用逐層紡絲將微納米纖維進(jìn)行層層復(fù)合，形成三明治結(jié)構(gòu)。Cai等[20]通過(guò)靜電紡絲技術(shù)將微米極性PS纖維分布在外層，納米非極性聚丙烯腈(PAN)纖維分布在內(nèi)層，得到具有三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合過(guò)濾材料，一方面微米纖維可產(chǎn)生曲折的過(guò)濾通道，另一方面極性與非極性聚合物材料還會(huì)產(chǎn)生大量的靜電荷，從而使材料達(dá)到99.96%的過(guò)濾效率和54 Pa的過(guò)濾阻力，由于外層PS的良好電絕緣性提高了電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性，保證了過(guò)濾材料良好的使用性能。

2.2 熔噴技術(shù)

熔噴技術(shù)是將高聚物熔體通過(guò)氣流噴吹，使熔體細(xì)流受到極度拉伸從而形成超細(xì)纖維，然后凝聚到成網(wǎng)簾上，經(jīng)自身黏合或熱黏合制備非織造材料的技術(shù)。常規(guī)的熔噴過(guò)濾材料直徑一般為1～5 μm，與普通微米過(guò)濾材料相比過(guò)濾效率有了很大的提高，但與納米材料相比過(guò)濾效率仍顯不足。熔噴過(guò)濾材料的納米化一直是一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。

張恒等[21]將PP切片與聚乙二醇(FEG)切片共混后，通過(guò)熔噴材料成形試驗(yàn)機(jī)制備了嵌入式微納結(jié)構(gòu)過(guò)濾材料發(fā)現(xiàn)，隨著加入的PEG的含量越多，材料的嵌入率(直徑小于800 nm纖維的數(shù)量與直徑大于4 000 nm纖維數(shù)量的比值)越高，同時(shí)材料的過(guò)濾效率提高并伴隨著過(guò)濾阻力的微小增大，其品質(zhì)因子呈增大的趨勢(shì)。何宏升等[22]將低熔融指數(shù)的PP切片與高熔融指數(shù)的PS切片共混后制備了具有微納結(jié)構(gòu)的熔噴過(guò)濾材料，經(jīng)電暈駐極處理后發(fā)現(xiàn)，該過(guò)濾材料對(duì)粒徑為0.26 μm的氯化鈉(NaCl)氣凝膠的過(guò)濾效率高達(dá)99.83%，過(guò)濾阻力僅為37.7 Pa。

對(duì)于解決熔噴過(guò)濾材料的納米化問(wèn)題，目前大致可歸納為3種途徑：一是利用新型熔噴設(shè)備，如雙組份熔噴技術(shù)；二是改變加工工藝，如減小噴絲孔孔徑、降低熔體擠出量以及增加熱空氣流動(dòng)速率等；三是從原料出發(fā)制備微納結(jié)構(gòu)的材料[23]。3種途徑都具有一定的局限性，均未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備與生產(chǎn)。

2.3 靜電紡絲制品與非織造布復(fù)合

近幾年來(lái)，很多研究者將靜電紡絲與非織造材料結(jié)合，主要可概括為2種形式：一是在產(chǎn)品成形之前，將靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維與微米級(jí)的纖維網(wǎng)結(jié)合，后續(xù)通過(guò)其他工藝如針刺等制備出具有微納結(jié)構(gòu)的材料；二是在產(chǎn)品成形之后，將靜電紡絲的接收輥筒替換為非織造布，將納米纖維紡制在非織造布上，后續(xù)通過(guò)熱壓加固或者黏合劑等將納米纖維膜與非織造布結(jié)合在一起。2種方法相比，后者制備的材料過(guò)濾阻力更高，但直接將納米纖維紡制在非織造布上具有一定困難，這主要是因?yàn)榉强椩觳家话爿^厚且硬度大，而靜電紡絲納米纖維細(xì)小且柔性大，其更易與柔軟的纖維網(wǎng)結(jié)合[24]。非織造布與靜電紡絲結(jié)合的典型形式包括：熔噴-靜電紡絲、熔噴-靜電紡絲-熔噴、紡粘-靜電紡絲-熔噴等[25]。Liu等[26]將微米PAN纖維梳理后，通過(guò)控制靜電紡絲時(shí)間將納米PAN引入到微米PAN表面，隨后通過(guò)交叉鋪網(wǎng)、針刺加固等工序制備了微納結(jié)構(gòu)過(guò)濾材料，測(cè)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)紡絲時(shí)間為30 min時(shí)，制備的微納結(jié)構(gòu)材料具有最高的QF值。

2.4 芳綸納米分散液及其復(fù)合過(guò)濾材料

Yang等[27]將芳綸溶解在堿性環(huán)境的二甲基亞砜(DMSO)中，溶液中的超堿體系使得芳綸發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng)后，芳綸分子鏈斷裂最終形成納米微纖的分散液。該方法制備的芳綸納米纖維(ANF)的直徑為3～30 nm，長(zhǎng)度為5～10 μm。芳綸納米分散液制作簡(jiǎn)單且成本低，但由于是液體狀態(tài)，如何在常規(guī)過(guò)濾材料中有效利用分散液中的納米微纖，使其形成微納結(jié)構(gòu)復(fù)合過(guò)濾材料，是當(dāng)前研究亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)。

劉培杰[28]先對(duì)PP熔噴非織造布進(jìn)行駐極處理，隨后通過(guò)層層自組裝(LBL)方法將PP熔噴非織造布與芳綸納米分散液結(jié)合，最終將制備材料與PTFE覆膜的材料對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者性能幾乎沒(méi)有差別。該研究證明了芳綸納米分散液與非織造布結(jié)合應(yīng)用于過(guò)濾領(lǐng)域具有可行性，但層層自組裝方法過(guò)于繁瑣。燕芮[29]在此基礎(chǔ)上采用旋涂法將芳綸納米分散液與駐極處理過(guò)的PP非織造布結(jié)合，發(fā)現(xiàn)制備的復(fù)合過(guò)濾材料具有較好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)賦予了材料理想的高效低阻性能。由于芳綸優(yōu)異的力學(xué)性能以及耐高溫特性，ANF應(yīng)用于高溫?zé)焿m凈化以及相關(guān)除塵領(lǐng)域有一定的發(fā)展前景[30]，但堿溶法存在著納米纖維的成形機(jī)制理論匱乏、結(jié)構(gòu)形貌尺寸調(diào)控難度大、制作周期長(zhǎng)等弊端[31]。

3 梯度設(shè)計(jì)及后處理方法

對(duì)于工業(yè)高溫?zé)煔鈨艋I(lǐng)域，超凈排放一直是不斷追求的目標(biāo)。從目前實(shí)際情況來(lái)看，工廠中應(yīng)用最多的依然是袋式除塵。雖然也有企業(yè)嘗試用水刺過(guò)濾材料，但其成本更高研制較少，真正的應(yīng)用并不多見(jiàn)，企業(yè)實(shí)際應(yīng)用最多的依然是針刺過(guò)濾材料。針刺氈一般面密度較大，孔徑分布在30 μm左右，對(duì)粒徑為1 μm左右顆粒物的過(guò)濾效率只有40%～50%。高溫?zé)煔膺^(guò)濾領(lǐng)域由于環(huán)境的復(fù)雜性[32]，提高其過(guò)濾效率與常溫過(guò)濾材料相比具有一定困難，目前主要的方法有超細(xì)纖維應(yīng)用及梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與后處理方法等。

3.1 超細(xì)纖維應(yīng)用及梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梯度過(guò)濾材料的設(shè)計(jì)理念主要是根據(jù)纖維特性和加工方式的不同，制備成由多個(gè)結(jié)構(gòu)和孔徑不同的纖維層組成的復(fù)合過(guò)濾材料。這樣獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得過(guò)濾時(shí)顆粒物不宜停留在過(guò)濾材料中形成堵孔，在增大過(guò)濾效率的同時(shí)減少了過(guò)濾阻力，同時(shí)延長(zhǎng)了過(guò)濾材料的使用壽命[33]。對(duì)于梯度過(guò)濾材料的研制，目前普遍認(rèn)為：當(dāng)超細(xì)纖維的添加比例為15%～30%時(shí)，材料具有最佳的過(guò)濾性能，當(dāng)添加比例超過(guò)50%后超細(xì)纖維發(fā)揮的作用已不太明顯；就過(guò)濾材料面密度而言，一般為550～800 g/m2，面密度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾阻力增大；就梯度過(guò)濾材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，最普遍的方法是在常規(guī)纖維中混紡超細(xì)纖維，但多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)加工成本較高，目前應(yīng)用還較少[34]。梯度過(guò)濾材料在未來(lái)前景較好，需要加大研發(fā)力度。張恒等[35]通過(guò)水刺加固將PTFE超細(xì)纖維層與PPS針刺氈復(fù)合制備得到了梯度過(guò)濾材料，測(cè)試發(fā)現(xiàn)超細(xì)纖維層面密度由(49±3.8)g/m2增大到(181±12.5)g/m2時(shí)，過(guò)濾材料對(duì)粒徑為2.05 μm 顆粒物的過(guò)濾效率由63.41%增大到91.87%，過(guò)濾阻力僅增大約20 Pa，基本實(shí)現(xiàn)了高效低阻效果。

3.2 浸漬、涂層和覆膜等后處理

PTFE乳液在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，這主要是因?yàn)榻?jīng)PTFE乳液處理后可提高基材的耐酸堿性能、耐高溫性能以及過(guò)濾精度，在工業(yè)化方面PTFE乳液的作用不可忽視，但PTFE乳液一般含固量在60%左右，其他物質(zhì)一般很難添加到PTFE乳液中，一旦發(fā)生破乳現(xiàn)象，基本上PTFE乳液便失去了作用，這在一定程度上也限制了其他物質(zhì)與PTFE的協(xié)同作用。

幾種工業(yè)中常用的提高過(guò)濾效率的方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。浸漬一般是將過(guò)濾材料放入PTFE乳液中一段時(shí)間后，用壓輥擠出多余液體再進(jìn)行烘干處理，影響浸漬的主要因素是浸漬時(shí)間和烘干溫度；涂層一般是在常規(guī)過(guò)濾材料表面涂覆1層 PTFE乳液；覆膜一般是將基材和PTFE膜一起喂入設(shè)備后經(jīng)熱壓黏合即可制備得到過(guò)濾材料。針對(duì)高溫?zé)煔獾某瑑襞欧牛材み^(guò)濾材料依然是首選材料，浸漬、涂層過(guò)濾材料只是輔助。高溫過(guò)濾領(lǐng)域目前面臨的主要問(wèn)題有材料的腐蝕問(wèn)題，如高溫腐蝕、酸堿腐蝕、水解腐蝕等，同時(shí)如何進(jìn)一步提升覆膜過(guò)濾材料的牢度也是難點(diǎn)所在。

表2 不同提升過(guò)濾效率方式的優(yōu)缺點(diǎn)

4 結(jié)束語(yǔ)

駐極化、微納結(jié)構(gòu)化、超細(xì)纖維應(yīng)用及梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與后處理等研究在解決過(guò)濾效率與過(guò)濾阻力矛盾，實(shí)現(xiàn)過(guò)濾材料高效低阻方面取得了顯著成效，對(duì)于紡織過(guò)濾材料的深入研究具有一定的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。隨著人們對(duì)空氣環(huán)境質(zhì)量的重視和實(shí)際應(yīng)用的需要，空氣過(guò)濾領(lǐng)域針對(duì)下列問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。

1)塵濾塵作用的影響。在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合，粉塵顆粒物等都是反復(fù)沉積在過(guò)濾材料上的，尤其是在煙塵濃度較大的場(chǎng)合，如何維持材料的過(guò)濾效率在較小范圍內(nèi)波動(dòng)的問(wèn)題值得深入研究。

2)過(guò)濾機(jī)制、過(guò)濾進(jìn)程的研究有待加強(qiáng)。過(guò)濾是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，氣流、顆粒物及過(guò)濾介質(zhì)在過(guò)濾過(guò)程中相互作用，以及不同進(jìn)程下顆粒物流經(jīng)路徑、介質(zhì)結(jié)構(gòu)與截留效率等相互關(guān)系尚不清楚。目前已開(kāi)發(fā)有FilterDict用于過(guò)濾過(guò)程的模擬，但使用費(fèi)用高，難以普及應(yīng)用。

3)靜電紡絲的產(chǎn)業(yè)化、熔噴工藝的納米化、針刺氈的使用壽命與高效低阻性能的實(shí)現(xiàn)都存在巨大挑戰(zhàn)。對(duì)于常溫過(guò)濾領(lǐng)域，駐極化和微納結(jié)構(gòu)化作為目前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，是2個(gè)具有潛力的研究方向，有望從實(shí)驗(yàn)室階段走向?qū)嶋H產(chǎn)品應(yīng)用開(kāi)發(fā)；對(duì)于高溫過(guò)濾領(lǐng)域，依然以工業(yè)化的2種方式為主，目前基本處于瓶頸階段，研發(fā)低成本高壽命的過(guò)濾材料任重道遠(yuǎn)。