高效空氣過濾材料的特性及檢測方法研究進展

豐蘭

( 航空工業過濾產品質量監督檢測中心，河南新鄉453019)

0 前言

通常來說，空氣過濾器是一種表面看上去簡單但技術復雜的產品，尤其是目前大量應用于潔凈室、建筑物、各種運輸工具客艙駕駛艙等內的高效空氣過濾器，隨著科技的發展，對高效空氣過濾器的功能要求也越來越高，從簡單的濾除空氣中的灰塵、顆粒等到濾除各種微生物、有害氣體、病毒等等。而這些空氣過濾器由于應用的場合不一樣而導致結構、檢測方法的不一樣，但是它們所應用的最關鍵部件——過濾材料，是類似的。

1 空氣過濾材料的特性與檢測方法現狀

1.1 空氣過濾材料的介紹

過濾材料通常是以植物纖維、合成纖維、無機纖維等原料，添加適量的化學品，使用造紙設備和造紙工藝抄造而成的、具有良好過濾性能的、疏松多孔的過濾介質。大多數過濾材料需要用樹脂補強。各種纖維組成有深度的網狀結構; 不同樹脂具有不同的補強效果。

過濾材料使用的纖維，主要有天然纖維、人造纖維、合成纖維、無機纖維、特殊纖維、納米纖維等。其中無機纖維中玻璃纖維以其具有耐腐蝕、耐濕、耐熱等眾多優點而被廣泛應用于防毒面具、高效空氣過濾器及亞高效空氣過濾器，圖1 顯示了從原料到過濾材料成形的一系列加工工藝流程。

從圖1 可以看出過濾材料的一般生產制作過程，其中每一步都直接影響了過濾材料的性能。生產出來的空氣過濾材料應該可以既有效地攔截塵埃粒子，又不對氣流形成過大阻力。無規則排列的纖維材料符合這些要求。雜亂交織的纖維形成對粉塵的無數道屏障，纖維間寬闊的空間允許氣流順利通過，如圖2 所示。

圖2 顯示了纖維空氣過濾材料攔截塵埃粒子的微觀圖，從圖中可以看出塵埃等在纖維材料中聚結在一起。隨著對高效空氣過濾器的功能要求越來越高，過濾材料的功能也要求越來越多。比如抗菌性的過濾材料，就不能簡單依靠攔截，而必須將其殺死，否則細菌在過濾材料中滋生繁衍就會帶來更多的問題。許多金屬離子有殺菌效果，其中最常見的是銀離子。理論上來講，材料中的銀離子緩慢遷移至材料表面，微生物的蛋白質因與銀離子接觸而凝固，導致微生物死亡。而實際上要求將此理論付諸實際也正是目前的最新研究熱點。

1.2 空氣過濾材料需要濾除的顆粒物

不管是塵埃、細菌還是病毒，都可以用顆粒粒徑的指標來描述，圖3 是美國斯坦福研究所(Stanford Research Institute)的研究人員曾給出一張粉塵顆粒度比較圖。

從圖3 可以看出細菌通常在1 μm 以上，病毒通常在0.1 μm 以下，而據報道，常見的流感病毒通常在0.08 ～0.12 μm之間，這些與人體健康息息相關的指標是必須要控制的，尤其是在密閉的高速運輸工具比如飛機、高鐵等中。研究表明，密閉的客艙駕駛艙等中的細菌通常可以被高效空氣過濾器濾除99.9%，但病毒由于其粒徑太小還是目前的一個研究難題。

1.3 空氣過濾材料的檢測方法

過濾材料生產出來后需要經過檢測以確定其性能參數，從而反映出過濾材料的結構特征和過濾性能的好壞。通常的檢測包括結構特征的檢測和過濾性能的檢測。結構特征的指標包括抗張強度、抗撕裂強度、耐破度、挺度、厚度、定量、孔徑等，過濾性能的指標包括粒徑的過濾效率、阻力、納污量等。

1.3.1 結構特征的檢測

過濾材料的結構特征指標的檢測通常采用常規儀器，比如抗張強度儀、抗撕裂強度儀、耐破度儀、挺度儀等等。

另外由于高效空氣過濾器多采用玻璃纖維過濾材料，就要考慮過濾材料的抗滲水性，因為玻璃親水，若不對材料做憎水處理則過濾材料吸潮后會長霉，繼而喪失強度。

1.3.2 過濾性能的檢測

過去，發達國家規定使用DOP 法測量高效空氣過濾材料的效率，用粒子計數法測量超高效空氣過濾材料的效率。早期的其他方法已經全部廢止，如鈉焰法、熒光素鈉法、油霧法。而目前，用于衡量高效空氣過濾材料的過濾性能的檢測標準主要是歐盟標準EN1822，此標準所使用的測試方法是利用激光粒子計數器或凝結核計數器測量過濾材料上下游的氣溶膠顆粒濃度，找出最易透過粒徑，得到效率曲線中的最低點，從而得出過濾材料的效率［1］。

從理論上來講，小于0.1 μm 的粒子布朗運動劇烈，主要作擴散運動，粒子越小，撞擊過濾介質的幾率越大，因此過濾效率越高; 大于0.3 μm 的粒子主要作慣性運動，粒子越大，效率越高。

在慣性和擴散都不顯著的0.1 ～0.3 μm 之間，效率有一處最低點，該粒徑大小的粉塵最難過濾，如圖4 所示。

2 國內外現狀對比和結論分析

據了解，國內生產過濾材料的廠家是國外所有廠家總數的幾倍，但是高端的過濾材料生產技術卻掌握在國外的幾家大公司手中。目前我國已經有大量廠家可以生產工業潔凈室和醫護設施使用的高效空氣過濾器，但航空高效空氣過濾器的生產卻寥寥，雖然它們從使用材料和加工工藝上頗為相似，但國外的各個生產廠商對其生產的高效空氣過濾器的檢測方法和設計思路嚴格保密，即使得到國外廠家的航空高效空氣過濾器的樣品，也很難實現仿制。況且國外廠家針對高端的過濾器通常只對國內銷售空氣過濾器成品，其使用的過濾材料也實行技術封鎖。

表1 列舉了目前各種國內外高性能復合濾材的研究現狀對比情況。

表1 國內外高性能復合濾材研究現狀對比表

玻璃纖維是高效空氣過濾器的主要材料，我國是世界第一生產大國，但產品的性能卻無法和國外相比，目前還無法生產出滿足比如航空過濾材料過濾效率、阻力、納污量等苛刻技術指標要求的產品。目前我國生產的很多高效空氣過濾器一般都需要采用進口的高效超高效過濾材料。但考慮到材料和加工設備等影響因素，開發出掌握自主知識產品的高效過濾材料才是發展的根本。

高效空氣過濾器用過濾材料是屬于低值易耗的產品，世界先進國家在十年前就已研制成功并用于軍民用飛機，如世界上最大的過濾器專業公司——美國PALL 公司一直壟斷著高性能復合過濾材料的研發技術，并且對我國尤其是軍用一直秉承技術封鎖的方式。我們若能抓住我國制造大飛機、高鐵等的大好時機，攻克多年來的高效過濾材料生產和檢測的技術瓶頸，定能實現技術市場的雙贏。

【1】EN 1822-3：1998.High Efficiency Air Filters(HEPA and ULPA) -Part 3：Testing Flat Sheet Filter Media［S］.