高效空气过滤材料的特性及检测方法研究进展

丰兰

( 航空工业过滤产品质量监督检测中心，河南新乡453019)

0 前言

通常来说，空气过滤器是一种表面看上去简单但技术复杂的产品，尤其是目前大量应用于洁净室、建筑物、各种运输工具客舱驾驶舱等内的高效空气过滤器，随着科技的发展，对高效空气过滤器的功能要求也越来越高，从简单的滤除空气中的灰尘、颗粒等到滤除各种微生物、有害气体、病毒等等。而这些空气过滤器由于应用的场合不一样而导致结构、检测方法的不一样，但是它们所应用的最关键部件——过滤材料，是类似的。

1 空气过滤材料的特性与检测方法现状

1.1 空气过滤材料的介绍

过滤材料通常是以植物纤维、合成纤维、无机纤维等原料，添加适量的化学品，使用造纸设备和造纸工艺抄造而成的、具有良好过滤性能的、疏松多孔的过滤介质。大多数过滤材料需要用树脂补强。各种纤维组成有深度的网状结构; 不同树脂具有不同的补强效果。

过滤材料使用的纤维，主要有天然纤维、人造纤维、合成纤维、无机纤维、特殊纤维、纳米纤维等。其中无机纤维中玻璃纤维以其具有耐腐蚀、耐湿、耐热等众多优点而被广泛应用于防毒面具、高效空气过滤器及亚高效空气过滤器，图1 显示了从原料到过滤材料成形的一系列加工工艺流程。

从图1 可以看出过滤材料的一般生产制作过程，其中每一步都直接影响了过滤材料的性能。生产出来的空气过滤材料应该可以既有效地拦截尘埃粒子，又不对气流形成过大阻力。无规则排列的纤维材料符合这些要求。杂乱交织的纤维形成对粉尘的无数道屏障，纤维间宽阔的空间允许气流顺利通过，如图2 所示。

图2 显示了纤维空气过滤材料拦截尘埃粒子的微观图，从图中可以看出尘埃等在纤维材料中聚结在一起。随着对高效空气过滤器的功能要求越来越高，过滤材料的功能也要求越来越多。比如抗菌性的过滤材料，就不能简单依靠拦截，而必须将其杀死，否则细菌在过滤材料中滋生繁衍就会带来更多的问题。许多金属离子有杀菌效果，其中最常见的是银离子。理论上来讲，材料中的银离子缓慢迁移至材料表面，微生物的蛋白质因与银离子接触而凝固，导致微生物死亡。而实际上要求将此理论付诸实际也正是目前的最新研究热点。

1.2 空气过滤材料需要滤除的颗粒物

不管是尘埃、细菌还是病毒，都可以用颗粒粒径的指标来描述，图3 是美国斯坦福研究所(Stanford Research Institute)的研究人员曾给出一张粉尘颗粒度比较图。

从图3 可以看出细菌通常在1 μm 以上，病毒通常在0.1 μm 以下，而据报道，常见的流感病毒通常在0.08 ～0.12 μm之间，这些与人体健康息息相关的指标是必须要控制的，尤其是在密闭的高速运输工具比如飞机、高铁等中。研究表明，密闭的客舱驾驶舱等中的细菌通常可以被高效空气过滤器滤除99.9%，但病毒由于其粒径太小还是目前的一个研究难题。

1.3 空气过滤材料的检测方法

过滤材料生产出来后需要经过检测以确定其性能参数，从而反映出过滤材料的结构特征和过滤性能的好坏。通常的检测包括结构特征的检测和过滤性能的检测。结构特征的指标包括抗张强度、抗撕裂强度、耐破度、挺度、厚度、定量、孔径等，过滤性能的指标包括粒径的过滤效率、阻力、纳污量等。

1.3.1 结构特征的检测

过滤材料的结构特征指标的检测通常采用常规仪器，比如抗张强度仪、抗撕裂强度仪、耐破度仪、挺度仪等等。

另外由于高效空气过滤器多采用玻璃纤维过滤材料，就要考虑过滤材料的抗渗水性，因为玻璃亲水，若不对材料做憎水处理则过滤材料吸潮后会长霉，继而丧失强度。

1.3.2 过滤性能的检测

过去，发达国家规定使用DOP 法测量高效空气过滤材料的效率，用粒子计数法测量超高效空气过滤材料的效率。早期的其他方法已经全部废止，如钠焰法、荧光素钠法、油雾法。而目前，用于衡量高效空气过滤材料的过滤性能的检测标准主要是欧盟标准EN1822，此标准所使用的测试方法是利用激光粒子计数器或凝结核计数器测量过滤材料上下游的气溶胶颗粒浓度，找出最易透过粒径，得到效率曲线中的最低点，从而得出过滤材料的效率［1］。

从理论上来讲，小于0.1 μm 的粒子布朗运动剧烈，主要作扩散运动，粒子越小，撞击过滤介质的几率越大，因此过滤效率越高; 大于0.3 μm 的粒子主要作惯性运动，粒子越大，效率越高。

在惯性和扩散都不显著的0.1 ～0.3 μm 之间，效率有一处最低点，该粒径大小的粉尘最难过滤，如图4 所示。

2 国内外现状对比和结论分析

据了解，国内生产过滤材料的厂家是国外所有厂家总数的几倍，但是高端的过滤材料生产技术却掌握在国外的几家大公司手中。目前我国已经有大量厂家可以生产工业洁净室和医护设施使用的高效空气过滤器，但航空高效空气过滤器的生产却寥寥，虽然它们从使用材料和加工工艺上颇为相似，但国外的各个生产厂商对其生产的高效空气过滤器的检测方法和设计思路严格保密，即使得到国外厂家的航空高效空气过滤器的样品，也很难实现仿制。况且国外厂家针对高端的过滤器通常只对国内销售空气过滤器成品，其使用的过滤材料也实行技术封锁。

表1 列举了目前各种国内外高性能复合滤材的研究现状对比情况。

表1 国内外高性能复合滤材研究现状对比表

玻璃纤维是高效空气过滤器的主要材料，我国是世界第一生产大国，但产品的性能却无法和国外相比，目前还无法生产出满足比如航空过滤材料过滤效率、阻力、纳污量等苛刻技术指标要求的产品。目前我国生产的很多高效空气过滤器一般都需要采用进口的高效超高效过滤材料。但考虑到材料和加工设备等影响因素，开发出掌握自主知识产品的高效过滤材料才是发展的根本。

高效空气过滤器用过滤材料是属于低值易耗的产品，世界先进国家在十年前就已研制成功并用于军民用飞机，如世界上最大的过滤器专业公司——美国PALL 公司一直垄断着高性能复合过滤材料的研发技术，并且对我国尤其是军用一直秉承技术封锁的方式。我们若能抓住我国制造大飞机、高铁等的大好时机，攻克多年来的高效过滤材料生产和检测的技术瓶颈，定能实现技术市场的双赢。

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