CN95空調濾清器過濾材料性能淺析

夏冬

CN95空調濾清器能夠對0.3 μm非油性顆粒的過濾效率達到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決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。

空調濾;過濾材料;空氣流速;復合方式

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。近年來，隨著我國汽車的普及，人們在汽車內的時間大大增加。作為汽車“口罩”的空調濾清器，其關注度也在逐漸提高。2020年2月12日，天津華誠認證中心推出了國內首個CN95級別認證，即汽車空調濾清器過濾等級認證。根據汽車空調濾清器的顆粒過濾效率指標，認證產品將被劃分為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]。

在空調濾清器中，起到至關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理具有重要的意義。本文主要從不同材料的組合、復合工藝、氣流方向等方面進行淺析。需要說明的是，在同尺寸下，過濾材料的用量、折幅、折數、折角等參數，同樣會對空調濾清器的性能起到非常大的影響。能否找出其中的最優比，并建立數學模型，對空調濾清器的研發具有重要的指導意義。因本文篇幅有限，在此不作贅述。

1 試驗與測試

1.1 材料的選擇

本次試驗共選用3種基材和2種N95熔噴布，分別采用3種復合方式進行（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行復合;C方式為基材與熔噴布采用熱熔膠進行復合。研究人員通過選取不同的組合，制造出本次試驗與測試的過濾材料，并分別進行標示。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 過濾材料的復合示意圖

圖2 基材和熔噴布的3種不同復合方式

1.2 試驗過程

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 非織造布試驗方法 第1部分：單位面積質量的測定》（GB/T 24218.1—2009）[2]和《紡織品 織物透氣性的測定》（GB/T 5453—1997）[3]的方法進行測定，對其過濾性能采用《汽車 空調濾清器 第1部分：粉塵過濾測試》（GB/T 32085.1—2015）[4]的方法進行測定。測試項目及試驗參數如表1所示。

2 試驗結果與討論

2.1 復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，采用不同復合方式的測試結果如表2所示。由表2可以看出，相同材料不同的復合工藝方式會造成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，而采用超聲波復合方式只增加了1.28 g。

在透氣量方面，由于熱熔膠復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。透氣量結果由455.92 L/（m2·s）降低到了440.05 L/（m2·s），而采用超聲波復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，相同基材及相同復合方式，由于進氣面的不同（熔噴面/基材面），對透氣量也有一定程度的影響。采用基材面進氣的透氣量均高于熔噴面進氣方式，增量約為3.5%～9.6%。

2.2 空氣流速、復合方式、進氣面對于初始壓力降的影響

選用基材1及熔噴a采用不同復合方式的測試結果見圖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。這是因為隨著空氣流速的增大，空氣通過介質層的摩擦損失增大，能量損失增大，造成壓力降上升。

鑒于基材、熔噴材料空隙結構的均一性不同，以及復合過程中造成的均勻性改變，總體來看，層疊和超聲波復合方式結果相近;雖然從結果上來看，采用熱熔膠復合方式比層疊、超聲波復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。導致這一結果的原因可能是熱熔膠復合方式受到復合工藝的影響較大，造成材料均勻性較層疊、超聲波復合方式較差。

進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。在本試驗中，采用基材面（透氣量高）作為進氣面的過濾材料，其壓力降相對采用熔噴面（透氣量低）作為進氣面的小。空氣流量越大，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氣面，基材起到整流的作用?？諝庠诮涍^基材后，從“無序”變成相對“有序”狀態，減少了熔噴材料的迎風面，起到了減少阻力的作用。

2.3 空氣流速、復合方式、進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，采用不同復合方式的測試結果見圖4及表4。從中可以看出，隨著空氣流速的增大，過濾效率除個別數據外基本呈現遞減趨勢。在空氣流量達到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中的數據可以看出，采用不同的基材、復合方式及進氣面，對過濾材料的性能影響不大。

2.4 空氣流速、復合方式、進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合方式的容塵量會比層疊復合方式的低。例如，在空氣流量為300 m3/h條件下，以基材面進氣時，相對于層疊復合方式，采用超聲波和熱熔膠復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氣，采用熔噴面進氣的容塵量顯著降低，特別是相對層疊復合方式，偏差達到了117%～150%。熔噴面進氣容塵量顯著降低的可能原因為熔噴面對于顆粒物的攔截效率高，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，導致容塵量偏低。在基材面作為進氣面的情況下，首先會對較大顆粒物進行過濾，使進入熔噴面的顆粒物濃度降低，且其表面疏松結構不易形成濾餅。由基材到熔噴布形成的由梳到密的梯度過濾結構，增加了過濾材料的容塵能力。

3 結論

從上述試驗可以看出，采用熱熔膠復合方式對于過濾材料的基重和透氣量影響較大，而采用超聲波復合方式對于材料的基重和透氣量影響較小，其相關特性近似于層疊方式。考慮到材料的可加工性，在此推薦CN95空調濾清器過濾材料的業內企業采用超聲波復合方式進行生產。

在CN95空調濾清器過濾材料的設計制造過程中，在熔噴布表面復合1層稀疏的基材，比如長纖等，除了可以起到保護熔噴布不被破壞，提高材料結構強度等特點外，還能夠起到減少過濾材料的進氣阻力，提升容塵量的作用。

CN95空調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，而復合方式對其過濾性能的影響較小。

[1]CATARC標志認證實施規則 汽車空調濾清器過濾等級[J].中汽研華誠認證（天津）有限公司，2020-2-12.

[2]GB/T 24218.1—2009 紡織品 非織造布試驗方法 第1部分：單位面積質量的測定[S].北京：中國標準出版社，2009.

[3]GB/T 5453—1997 紡織品 織物透氣性的測定[S].北京：中國標準出版社，1997.

[4]GB/T 32085.1—2015 汽車 空調濾清器 第1部分：粉塵過濾測試[S].北京：中國標準出版社，2015.