复合滤纸的研究现状与进展

韩旭 惠岚峰

（天津科技大学造纸学院，天津市制浆造纸重点实验室，天津 300457）

在目前的滤纸市场中，由于对滤纸的使用时间和过滤效率的要求越来越高，单层滤纸已经逐渐不能满足市场的需求。现在，在国内外很多滤纸生产厂家都将目光转向多层复合滤纸，关于多层复合滤纸的相关研究也越来越多。复合滤纸属于梯度结构滤材，通常以植物纤维、合成纤维等为原料，添加一定的化学助剂，使用干法或湿法造纸工艺及设备抄造而成[1]。纤维过滤材料具有易加工、价格低廉、比表面积大、多孔性和柔软性好等特点，现已成为过滤材料的主导原料。截至目前，应用和研究最广泛的复合滤纸是玻璃纤维复合空气滤纸、熔喷纤维层复合滤纸和电纺纤维复合滤纸[2]。由于各种专用纤维和非织造布材料的高速发展，国内外的科学家们已结合一切可能采取的复合方式研究出一些高功能、高性能的复合滤纸，如采用带电荷的熔喷布与活性炭滤料复合，可对空气中微尘、霉菌、花粉的过滤[3]；进行了压皱的处理并添加了碳酸钙和乙丙橡胶粉使其在提高过滤效率的同时具有防腐功能的双层复合燃油滤纸等[4]。本文介绍了复合滤纸的过滤机理、制备方法和影响复合滤纸过滤性能的因素，最后简述了复合滤纸的发展趋势。

1 复合滤纸过滤机理

复合滤纸与单层滤纸的过滤机理无明显差别，均是采用以下几种方式：（1）惯性运动，当气流穿过或接近纤维时，直径较大的粒子由于惯性会偏离正确的流线，与纤维发生碰撞导致粒子被吸附分离；（2）拦截运动，气流绕过纤维时，若气流中部分粒子恰好接近纤维边缘则就会被纤维拦截吸附；（3）扩散运动，扩散运动本质为布朗运动，即粒子与气流脱离后做布朗运动，与纤维接触导致粒子沉积；（4）静电作用，气流穿过纤维时由于摩擦会使粒子和纤维产生电荷，通过电荷间的库仑力使粒子被吸附在纤维上。

2 复合滤纸优势

与单层滤纸相比，多层复合滤纸的过滤性能和物理性能都发生了改变。黄铖等依据多层复合滤纸和单层滤纸间透气率的关系（1/T=1/T1+1/T2+…+1/Tn）发现：在滤纸复合后透气度减小并小于每一层，且复合滤纸的厚度与各单层滤纸厚度之和大致相等[5]；复合滤纸的平均孔径小于各单层中平均孔径最小的那层[6]。赵璜等[7]研究发现，大幅度增加滤纸层数可以使孔径大、定量小的薄型滤纸的过滤效果增强。滤芯中薄型滤纸层数高达几百甚至几千层就是为了提高过滤效率。在油水分离时，复合滤纸的油污堵塞要轻于单层滤纸；复合滤纸的纳污容量要高于单层滤纸，过滤时间也比单层滤纸要长。赵璜等[7]的研究还表明，液压油过滤时使用这种双层滤纸卷绕而成的纸卷式滤芯，会使纳污容量大幅度提升；过滤精度可髙至0.3 μm左右。总的来说，在过滤性能上复合滤纸与单层滤纸相比具有4大优点：（1）使用寿命长；（2）强度高；（3）阻力上升幅度小；（4）过滤效率高。此外，滤纸复合后还附加了一些特殊的性质，例如：金鑫等[8]发明了一种具有抗污性的双层复合燃油滤纸，它可以和污染物形成稳定的包络物，从而减少环境污染。陈登宇[9]发明了一种含石棉纤维的双层复合燃油滤纸，在制备过程中添加了石棉纤维，所以大大提高了滤纸的耐高温性能。吴迪等[10]研究出一种阻燃抗菌复合空气滤纸，此滤纸以无碱玻璃微纤维和竹浆为基本原料，添加海泡石和壳聚糖、桧柏油等增加阻燃性和抗菌性。这些物质既不会对人体造成危害，也不会对环境造成污染。

3 复合滤纸制备方法

以更低的成本生产更高质量的纸是造纸工业长期追求的目标之一，纸的多层成型技术正是由于具备上述的优点而越来越受到造纸界的关注和重视[11]。国内外关于多层纸张复合成形已有系统的研究，纸页复合的方法有多种，包括在不同网笼上使用不同浆料的多圆网纸机，然后进行压榨变成层状产品；使用具有多个流浆箱的长网纸机；用三层流浆箱，每层为不同的浆料等[12]。早期多层纸张复合成形是采用多个流浆箱和多个成形网，通过各层独立成型再复合成多层纸页。Meinander等[13]设计的多层纸张复合成形方法就是利用多个流浆箱和多个成形网，分别先后成形后再复合；吴安波[14]设计的纳米纤维复合空气滤纸，也是先分别制备上过滤层与下过滤层后再贴合，最后复合一层纳米纤维；Kinnunen等[15]设计的三层复合成形也是采用三个流浆箱和三个成形网，三层纸页先后成形，只是流浆箱和成形网的相对位置有变化，导致三层纸页成形的顺序不同而已。但是这样不仅麻烦，占用空间大，而且增加了设备的投入资金，所以逐渐被生产厂家淘汰了。

当前，生产多层纸页大多采用多层成型流浆箱一次多层成型。一次多层成型是指纸料经多层流浆箱形成分层浆流，在成形网上逐层有序一次脱水成型复合多层湿纸页。这种工艺的主要特性是流浆箱与层间液相复合，层间存在混合区，所以层间结合强度好像与单层一样，不分层起泡[16]。一次成形生产出多层纸或纸板，这给多层复合纸或纸板的生产带来了很大的便利。多层流浆箱在具有单层流浆箱的优点的同时也保持多层流动的特点。多层流浆箱需要持续提供处于良好分散状态的多层浆料流进成形网内成形，同时要尽量避免层间混合。流浆箱内含有多个流道适用于多层浆料使用，每条流道内都配有对相应浆料进行布浆和调匀的锥管布浆器和管束，使各层浆料可以处于良好的分散或稳定流动的状态，每层浆料在最后的喷嘴加速区的末端汇合，之后进行脱水[16]。多层成形由于成形纸页结构的特殊性，一般采用双网成形器进行脱水。双网成型器的主要元件是一个表面开孔的真空成形辊，真空成形辊被内外网呈C型包覆，流浆箱喷出的浆流进入内外网之间的楔形空间内，依靠真空辊产生的真空压力和其转动时产生的离心力对湿纸幅进行双面脱水[17]。Page等[18]指出，瑞典造纸厂在抄造挂面纸板时与单层成型方法进行对比，在添加废纸浆时的单层成型纸的性能下降20%左右，而利用Beloit Converflo流浆箱三层成形方法时纸的性能仅下降了6%。利用多层流浆箱一次成型可使层间无气泡、强度好，既简化工艺流程，同时也为环保生产纸材料提供了思路[19]。飘片是多层成形流浆箱的一个重要部件，它是全幅宽的导流片，一般由聚碳酸酯材料制成，一直延伸到唇板末端，在唇板区形成薄的收敛流道。它除了在浆流中产生湍动或剪切力之外，还限定了收敛浆流的流道，并把浆流分隔成若干单独的浆层[20]。戴勤江[21]曾介绍过Beolit公司的敛聚式流浆箱，这是一种迳流式管束一飘片组分层薄浆道流桨箱，其堰口宽5638.8 mm，流浆箱内有两个匀整分配区 （又称节流扩散装置），分配区之间有扩散稳定室、无气垫和匀浆辊。该流浆箱中第一分配区由多层锥形扩散管组构成，第二分配区由飘片和孔板构成。这种流浆箱的流道可以保持浆料均匀分散，具有均匀流态；可以防止横流，改善纸页匀度；提高纸页强度。多层流浆箱的发展为多层纸页的形成提供了很大的便利。但是，多层流浆箱同样存在着关键的技术问题，即喷出的多层浆料会因为涡流的产生或是湍流而导致层间混合，严重影响了多层纸页的质量。Lloy等[22]的研究也证实存在层间混合现象。

近年，国内滤纸业已逐渐向多层复合型滤纸发展。对于多层复合滤纸的工厂生产，一些多层复合纸和纸板的研究成果具有重要的参考价值。但是，由于多数实验室并没有足够的空间和充分的条件，所以在实验室中通常会采取简化后的制备方法，主要有以下两种：

第一种复合滤纸简化制备方法的流程见图1。首先，按照单层滤纸的制备工艺先分别制备好第一层和第二层，在湿纸状态下将两层叠合在一起，尽量避免层与层间的气泡；然后，按照单层滤纸的制备工艺制备第三层，在湿纸状态下与复合好的前两层直接叠合在一起，尽量避免层与层间的气泡；最后，将三层复合滤纸放入弧形干燥器中干燥[23]。

图1 三层复合滤纸制备工艺流程1

第二种复合滤纸简化制备方法的流程见图2。首先，称取相应质量的浆1和浆 2，并用纤维解离器进行疏解；先将入流面层的纤维原料加入动态纸页成形器中喷浆上网，待入流面层的纤维原料喷完后不进行抽真空，让转筒继续转动，然后将出流面层的纤维原料（浆3和浆4）加入动态纸页器中喷浆上网，使浆料覆盖在出流面层上；待出流面层的纤维原料完全喷完后进行抽真空，取下复合湿纸页进行干燥处理，在干燥过程中不进行加压处理[24]。

图2 三层复合滤纸制备工艺流程2

4 复合滤纸过滤性能的影响因素

4.1 过滤材料

20世纪70年代，高性能复合过滤材料大多是利用植物纤维与合成纤维制备得到的。80年代末开始，陆续有了一些关于多层复合滤材的相关报道，主要是将不同过滤性能的过滤材料通过层层复合以达到提高过滤性能的目的。研究人员从最初的单一植物纤维，到植物纤维与合成纤维合成，再到把无纺布、桑皮纸等非织造纤维应用于滤纸复合，这期间取得了很多成就。植物纤维是制备滤纸的主要原料，不同种类纤维的性能大不相同，即使同一种类的纤维，出产地不同，其性能也不相同。不同性能的纤维原材料可以抄造出符合不同要求的滤纸。如滤纸中掺用一部分棉浆或龙须草可以改善过滤性能；掺入一部分玻璃纤维、聚酯纤维等可以提高使用寿命；加人一部分硫酸盐针叶木浆等可以改善滤纸的强度[25]；通过阔叶木浆用于表层可提高柔软度，针叶木浆可提高强度和松厚度使其达到要求[26]。但是只用植物纤维也会存在很多不足，例如阔叶浆细短、根数多、单位重量体积大、最大孔径小，但是孔隙率很低。在生产某些高性能滤纸时，以植物纤维为主，同时搭配一些合成纤维、无机纤维、人造纤维，可在提高滤纸的性能的同时满足一些特殊要求，如阻燃性、抗菌性等。吴安波[14]发明一种纳米纤维复合空气滤纸，即在过滤层上复合一层纳米纤维素，可以既保证滤纸的透气度和过滤效率，同时提高滤纸的防水性。朱勇等[27]在玻璃纤维和植物纤维复合的基础上又复合了一层碳纳米管，从而开发出一种可以高效过滤的功能性滤纸，这款滤纸具有抗菌、阻燃的特性。杨振威[28]研究通过湿法造纸的方法，加入相应的化学试剂，制备玻璃纤维纸。玻璃纤维直径小，可优化过滤精度；玻璃纤维模量高，纤维不易聚集，堆积密度低，过滤阻力低。因而可生产出具有高效率、低阻力性能的玻璃纤维空气过滤纸。重庆市造纸工业研究设计院研制出一种复合增强玻璃纤维空气过滤纸，这种滤纸采用无纺布等非织造布纤维类的高韧性材料与玻璃纤维复合，在增强过滤性能的同时，使滤纸具有抗水防霉等性能[29]。

4.2 层间阻力

目前关于滤纸的研究已证实，不论是空滤还是油滤，多层复合滤纸的过滤性能和使用寿命都强于单层滤纸，但是多层滤纸每层之间存在阻力会对滤纸的过滤性能产生影响。Cameron[30]在研究多层复合滤纸时发现，一定范围的阻力比可以导致过滤介质具有有利的特性，诸如高的污物容纳能力或高的过滤效率，同时还可以保持相对低的总基重。这种特性可以使过滤介质用于各种应用中。以三层复合滤纸为例，当第一层和第二层阻力一定时，第二层与第三层阻力比的增大会导致复合滤纸的纳污容量呈下降趋势，但是对过滤精度没有显著影响。他认为第一层与第二层的阻力比在1∶1～1∶6之间，第二层与第三层的阻力比在1∶1～1∶4之间最佳，这为复合滤纸的层间设计提供了很好的思路。黄铖[6]研究发现当第一层、第二层、第三层阻力比为1∶2∶3时，三层复合滤纸可达到最高的纳污容量和相对较高的过滤精度。合理设计多层复合滤纸的层间阻力比，会大大提高滤纸的过滤性能。

4.3 各层孔径变化

影响过滤材料过滤作用的主要因素是孔径尺寸及分布，高过滤精度就是通过孔径通道来实现的。在多层复合滤纸的研究中，也有研究表明多层复合滤纸各层孔径结构的设计会影响滤纸的过滤性能。刘振等[31]研究了各层孔径变化对3层复合滤纸过滤性能的影响，认为平均孔径不能决定复合滤纸的过滤性能，需要进一步研究各层的孔径分布。Nagy等[32]研究了固气过滤过程中多层过滤材料的孔径设计，认为顶层选用孔径大的过滤材料便于提高容尘量，中层可以选用小孔径滤材用于提高过滤精度，底层选用大孔径滤材起支撑作用。陈锋等[33]认为孔径递减的复合滤材可以保证滤材的过滤效率和容尘量。孔径递增的复合滤材的前两层可以达到较高的稳态饱和度，提高滤材的稳态过滤性能。同时这种孔径设计可以防止出现液滴二次夹带现象，适用于气液聚结过滤器。不同的过滤器可选用不同的孔径设计以达到最佳的过滤效果，可根据实际情况设计不同的孔径分布。

4.4 定量比

在复合滤纸中，可分为过滤层和精滤层。因此，过滤层和精滤层的定量比会影响复合滤纸的过滤效率。Cameron[30]的研究表明，复合滤纸不同层间的定量比可以根据过滤介质的实际特性而变化。在一些实例中，过滤介质（如预过滤层）的上游层具有比下游层（如主过滤层）更大的定量。例如，上游层和下游层之间的定量比例可以大于1：1、大于1.5：1或大于2：1。在其他实例中，过滤介质的上游层也有比下游层更小的定量，如上游层和下游层之间的定量比例可以小于 2：1、小于 1.5：1 或小于 1：1。 而在某些具体的实施方案中，上游层和下游层的定量比为1：1。杜齐等[24]研究发现，复合滤纸的容尘量随滤纸层间定量比的减小而减小。当定量比由3：1下降到2：1时，复合空气滤纸的容尘量有一定程度的下降。当定量比由3：1下降到1：1时，复合空气滤纸的容尘量下降更加明显，但是过滤效率的变化不明显。所以，滤纸层间定量比的变化对滤纸容尘量的影响较大，对滤纸过滤效率的影响较小。

4.5 孔隙率

滤纸中孔隙体积占总体积的百分数就是孔隙率。对于单层滤纸，孔隙率和孔径分布共同影响滤纸的容尘量。当孔径分布相近时，孔隙率影响滤纸的容尘能力，孔隙率越大，滤纸容尘量越高，过滤效率就越高；当孔隙率相近时，滤纸的孔径分布影响滤纸的容尘量，孔径分布主要集中在小孔径的滤纸容尘量低于孔径分布主要集中在大孔径的滤纸[34]。对于复合滤纸，过滤层的孔隙率对复合滤纸的容尘量及过滤效率的影响较大。当精滤层一定时，过滤层的孔隙率越大，复合滤纸的过滤效率越高。杜齐等[24]发现，当滤纸过滤层孔隙率的增大后，颗粒物通过过滤层沉积不易使复合滤纸表层堵塞，使滤纸的容尘量增大，滤纸的过滤阻力缓慢升高。所以，当出流面即精滤层一定时，提高孔隙率可以有效地提高复合滤纸的容尘量，同时有效地降低复合滤纸的过滤阻力。结合不同的滤材的特殊性能，增大孔隙率也可以提高滤纸的其他性能，例如透过性。

5 结语

已有研究证明，传统的单层滤纸不能同时满足良好的过滤精度和较长的使用寿命。而多层复合滤纸可以同时满足良好的过滤精度和较长的使用寿命。所以，多层复合滤纸将逐渐取代单层滤纸，市场前景广阔。利用多种工艺将多种过滤材料进行复合，可以使滤纸获得特殊的性质，将成为当今复合滤纸的发展趋势，科研工作者们也都在为通过各种过滤材料有效复合成滤纸而不懈努力。