工业用空气过滤材料的研究

彭孟娜

(青岛大学纺织服装学院，山东 青岛 266071)

工业用空气过滤材料的研究

彭孟娜

(青岛大学纺织服装学院，山东 青岛 266071)

目前，人们对空气污染现状的重视逐渐增加，更多关于环保性质的法律法规逐渐出台。因此，各厂业为了顺应国家政策，同时也为了自身更好更快的发展，工业用空气过滤材料在应用上得到越来越广泛的发展。简单介绍了工业用空气滤材的特点、种类、应用领域及国内外的研究现状等，目的是能够推动工业用空气过滤材料的研究发展，为能更好的服务于工业领域奠定坚实的基础，实现工业领域的绿色可持续发展。

空气过滤材料 内涵 种类 应用 发展

0 研究背景及意义

随着工业化的生产，在一定范围内，大气中产生了此前不存在的微量物质，形成空气污染的因素很多,主要包括工业烟尘、有机挥发物、汽车尾气、扬尘等[1]。这些因素都可能会对人类、动植物以及物品、材料造成威胁，甚至产生一定的危害。因此，工业用空气过滤材料的开发生产也就应运而生，随着环保部门监管力度加大，空气过滤材料的普遍使用成为工业生产中不可或缺的一个程序。

1 空气过滤材料的内涵及特点

1.1 空气过滤材料的内涵

空气过滤材料主要应用于空气净化方面，以捕集尘粒为主[1]，即把对大气产生污染的粉尘微粒通过过滤技术控制在一定范围内，或者是将空气中的悬浮颗粒物通过空气循环过滤将其捕集在一起的滤料[2]。空气过滤材料有利于资源有效再分配、环境保护及人类身心健康。

目前，人们对空气质量及室内气体品质逐渐看重，越来越多的有关环保方面的法律法规出台并应用。因此，空气过滤材料在环境整治之中承担着越来越不可或缺的角色，发展空间也是越来越大，成为国际滤材市场中增速最大的组成成分。

1.2 空气过滤材料的特点

过滤材料的性能指标包括：透气性、断裂强度、拉伸强度、纤维直径、单重、分级除尘效率等。性能良好的滤料的衡量标准多样，具体而言包括以下三个方面：高强、高过滤效率、高透气率，即为了要求制作的过滤材料纤维具备良好的过滤性能应该尽量细且多。此外，还要保证过滤材料本身的安全性，不易老化，成本低。

2 空气过滤材料的种类、应用及发展现状

2.1 空气过滤材料的种类

作为滤材，必须具备3个基本要求：气体流速、产品质量和物理化学性能具备特殊的要求。袋式除尘器上所用的过滤布，原材料主要是天然纤维、合成纤维及无机纤维三大类[3]。按照加工方式，过滤布可分为织造布、无纺布及复合布三类。

2.1.1 纤维滤材

纤维过滤材料具有较大的比表面积，体积蓬松，价格低，易于加工等特点，这些特点决定了它始终占据着市场的绝大部分[4]。其中，非织造布过滤成布工艺短，成本低，过滤性能好，使其成为主导产品。 生产工艺主要有针刺法和熔喷法；主要使用的原材料包括聚酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚酰胺、PPS、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亚胺(P84)，偏芳香族聚酰胺(Nomex)、三聚氰胺等，此外，还包括玻璃纤维、陶瓷纤维、金属纤维等为主的无机纤维。

2.1.2 复合滤材

复合滤材是把不同种类的纤维交织在一起而形成的，用于消除单一滤材性能上的不足，涤纶与玻璃纤维交叉织造的最新开发的过滤材料就是此原理[5]。玻璃纤维过滤材料具有的特质很多，包括良好的耐温性，较低的伸长率，较高的强度，较好的耐腐蚀性等，较高的过滤效率。但是由于玻纤耐磨性较差，因此使用时容易磨损、断裂，影响使用寿命；而涤纶具有抗断裂、良好的耐磨性、较低的强度、较大的伸长率等特点。编织后的过滤器具有良好的性能，已开始应用。近几年来，复合滤材成为一个新焦点。

2.1.3 功能性滤材

功能性空气滤料作为空气过滤材料的一种新热点，它主要是针对一些特定行业，像耐高温、耐腐蚀、抗静电、有害气体的消除等行业[6]。例如PPS滤料具有优良的耐酸性、耐碱性、工作温度达190摄氏度。又如不锈钢纤维，将金属纤维加入到抗静电滤料中可用于防治静电吸附粉尘，有较大的系统阻力，致使滤袋可接受的负荷不断加大，损坏加重，减少使用寿命；同时可以防止一些含尘气体袋摩擦火花[7]。

2.1.4 高效、高性能滤料

(1)加厚型膨体玻纤布过滤材料[8]。

(2)各种耐高温纤维过滤材料：P84纤维、PPS纤维、芳纶纤维、预氧化碳纤维等各自分别与玻璃纤维混合制成的复合材料，属于针刺过滤毡滤料[9]。目前，已被广泛应用在汽车行业、制药工业、环保业、核工业及军事领域等。

(3)覆膜滤料：覆膜滤料是一种新型的除尘和物料方面的过滤材料。经过覆膜处理后表面十分光滑，其除尘原理称之为微孔筛滤，主要采用的是表面过滤，被过滤的物质近乎100%的被拦截下来，具有极高的除尘效率[5]。覆膜滤布的孔径(通常情况下是指平均孔径)有0.5um、1um、3um，目的是适应各种粒径的粉尘等，粉尘的分离性能优异，且能在高温下运行。

其中，聚四氟乙烯微孔膜，其原料是聚四氟乙烯树脂，经过特殊工艺双向拉伸形成的，孔隙率可超过85% 高可达1.5μm。如图1为聚四氟乙烯膜的微孔结构。为此，收集了两种PTFE滤膜，一种为耐强酸碱型，一种为耐高温型，它们直径均为150mm，耐强酸碱型孔径为0.22μm，耐高温型孔径为1μm。分别如图2：PTFE耐强酸碱型微孔滤膜；图3：PTFE耐高温型微孔滤膜。

图1 PTFE膜的微孔结构

图2 PTFE耐强酸碱型微孔滤膜

图3 PTFE耐高温型微孔滤膜

(4)驻极熔喷非织造滤料：其优点主要包括：较高的过滤效率、较大的容尘量、较小的空气阻力、价格低廉、稳定的过滤效率及化学稳定性高。此外，低吸湿性的熔喷过滤材料主要是聚丙烯生产出的。熔喷非织造布的纤维细度细、较大的比表面积、较高的孔隙率及优异的深层过滤性能，这些特点在需要深层过滤的条件下被认为是具有美好发展前景的滤料。

2.1.5 超高温滤料

目前适合制备高温过滤材料的有玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚苯硫醚纤维、聚四氟乙烯、碳纤维等[10]。这种过滤材料适合工业中产生的各种高温烟气，但是价格不菲，主要应用的场合环境相当艰苦且用的量较少。

(1)金属纤维针刺毡：可用于高温300℃～600℃，通常情况下使用温度为450℃，产品包括不锈钢针毡等[11]。

(2)高硅氧滤料：这类过滤材料以一种特别的玻纤为原料，能于600℃的高温环境中持续使用，最高可达到800℃。

(3)陶瓷纤维滤料：这类过滤材料能于760℃下连续使用，温度最高可达到1000℃[12]。

2.1.6 触媒涂层滤料

触媒涂层滤料是在滤布表面涂覆脱氮触媒，使滤料具有除尘与脱氮功能，若与碱性吸收剂并用，还可除去酸性气体，如二氧化硫、氮氧化物等[13]。

2.2 空气过滤材料的应用领域

2.2.1 钢铁工业

中国的钢铁产量极大，拥有钢铁企业众多，钢铁产业有四大高温烟气粉尘的污染源头，分别是高炉、电炉、转炉、烧结炉。粉尘排放量大，使得它成为使用过滤材料的第一大用户[14]。机织或无纺的耐高温袋式除尘器在钢铁工业中大约占到七成之上。

2.2.2 水泥工业

中国是世界上最大的水泥生产国，也是滤材的第二大用户[15]。水泥工业排放的气体因工艺而异，种类繁多，粉尘既有常温的，也有高温的，还有高湿、高浓度、易燃、易爆的，所以尽管水泥产业对袋式除尘器的用量很大，但对于过滤材料不能混为一谈，玻纤、玻纤膨体纱、覆膜滤材、涤纶针刺毡等均是常用原料。

2.2.3 有色冶金工业

有色冶金行业是第三大用户的过滤材料。将耐高温、耐腐蚀的玻纤滤料广泛应用在冶炼有色金属的冶炼炉、 贵铝炉、 阳极炉、 闪烁炉、 矿热炉、 沸腾炉中，不仅起到了净化烟气的作用，还能够回收贵金属。

2.2.4 化学工业

很多化工产业运用气凝胶制造粉状产品是在高温条件下进行的，大都使用袋式除尘器搜集像炭黑等物质。炭黑企业回收炭黑基本上是使用玻纤针刺毡和Nomex耐高温针刺毡过滤器，有接近百分百的过滤效率[16]。

2.2.5 室内空气净化

家庭所用的空调用量一年比一年普及，其所用的滤材绝大部分是普通塑料机织滤网，有较大的孔径，只能过滤的尘粒较大，因此空气滤材的一大潜在的市场是室内空气净化器。空气净化器的过滤材料一般是超细玻璃纤维[17]。空气净化器在国际上由较为迅速的发展，而中国的普及率较低，仅处于起步状态[18]。

2.3 空气过滤材料的发展现状

2.3.1 空气过滤材料的国内开发现状

现阶段，在滤料市场上，空气滤料的比例达到了1/3左右[19]。当前，中国高效过滤纤维的研发仍在初始阶段，极大部分依靠进口。当前耐高温过滤材料种类极少，纤维种类主要是玻璃纤维及间位芳纶；P84纤维应用领域很多，但是原材料以进口为主，并且价格贵；PPS纤维(聚苯硫醚)在中国已经能够大规模生产；聚四氟乙烯当前国内早已进行投资生产。虽然这样，高端市场主要是为美国和一些欧洲国家和地区的过滤材料公司垄断。

中国滤材在过滤效率及机械强度等方面上和国际上领先的高效滤材作比较，虽然已经到达乃至领先他们的水准，但是整体上还是有所差距，主要是材料均匀度差，抗变形能力差，防水，防火，霉菌等特殊的研究还不够深[20]。

2.3.2 空气过滤材料的国外发展现状

伴随着西方工业的发展，尤其是合纤的产生，过滤烟尘的纤维过滤材料性能的抬高再也不仅仅依靠纺织工艺的改善，通过物理化学处理及加工，使过滤材料的强度、耐热性、耐腐蚀性、透气性、阻燃性等性能均得到明显改善，且价格较低，品种多[21]。如今，纤维滤料过滤效率无限接近100%，并且对高温乃至粘性或湿度较大的烟尘也具有较好的过滤效率。国际上滤材的开发、出产、测试和使用已经够形成较完备的体系[22]。高效空气滤材的专研开发已涉及到高性能纤维(像PTFE、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维、金属纤维等)，向无纺布滤材、复合膜技术滤材及高功能滤材的方向前进。

3 结论

近几年来，国家针对环境方面的保护力度逐渐重视，高新科技产业的发展规模逐渐加大，具有超高效率特征的空气过滤设备其应用范围正在逐步拓广，滤材作为其核心，它的研发更是得到了极大看重。其未来发展总体可以概括为：织布类滤料向纤维珊类滤料发展；二维滤料向三维滤料发展；机织滤料向非织造滤料发展；短纤滤料向长纤滤料发展；复合加捻纤维滤料向单丝滤料发展；合纤滤料向覆膜滤料发展。

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2017-05-17

TS102

A

1008-5580(2017)03-0200-04

作者：彭孟娜(1992-)，女，硕士研究生，研究方向：纺织材料与纺织品设计。