过滤时间对空气过滤材料过滤性能的影响*

刘 超 汪泽幸2 柯勤飞

1.东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心， 上海 201620；2.湖南工程学院纺织服装学院， 湖南 湘潭 411101

环境的不断恶化导致空气污染问题日益严重。提高空气的质量除控制环境污染源外，使用空气过滤产品已成为当今人们的首选。非织造过滤材料具有纤维杂乱排列、弯曲结构多、孔径小、孔隙率高等特点[1]，被广泛应用于个体过滤防护、空气净化等领域[2-3]。

如今，人们对空气过滤材料的品质要求越来越高。纤网结构、纤维直径和驻极处理等都会影响空气过滤材料的过滤性能。除此之外，过滤时间也会影响其过滤性能。空气过滤的实质是材料对空气中的固体颗粒物进行拦截。随着过滤时间的延长，停留在空气过滤材料中的被拦截的固体颗粒物会越来越多[4-5]，这会对空气过滤材料的过滤性能产生越来越明显的影响。

本文将选取3块不同面密度的聚丙烯(PP)熔喷非织造材料试样，并在实验室通过静电纺丝法制备与熔喷非织造材料试样相同设计面密度的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜试样，通过设定各种过滤时间测试并比较两类共6块试样的过滤性能，研究过滤时间对空气过滤材料过滤效率和过滤阻力的影响。

1 静电纺纳米纤维膜试样的制备

原料：PAN，相对分子质量为150 000，上虞吴越经贸有限公司；二甲基甲酰胺(DMF)，国药集团化学试剂有限公司，分析纯。

FM-1302静电纺丝设备(配备了旋转收集辊，北京富友马有限公司)：喷丝头到滚筒表面的垂直距离在11 cm，喷丝针头内径为0.450 mm，x轴移动距离在18～20 cm，滚筒收集速度控制在250 r/min，纺丝液挤压速度为1.2 mm/s，温度为(25±2)℃，相对湿度为(60±5)%，纺丝电压为17 kV， PAN纺丝液质量分数为13%。利用该设备分别纺制面密度即设计面密度为10.00、 20.00及40.00 g/m2的PAN纳米纤维膜。

2 试样及性能表征

2.1 试样

6块试样的设计与实测面密度及其厚度归纳于表1，其中A1～A3为PP熔喷非织造材料试样(A1由杭州诗蓝过滤有限公司提供，未经过驻极处理；A2和A3均由宣城广能非织造有限公司提供，已经过驻极处理，且A3是A2叠加后形成的，两者的生产工艺完全相同)，B1～B3为实验室制备的静电纺PAN纳米纤维膜试样。

表1 试样设计与实测面密度及其厚度

2.2 性能表征

2.2.1 纤维结构形态

采用SU3500扫描电镜观察试样表面的纤维形态，利用Image-Pro Plus 6.0图像分析软件测量试样中纤维的直径。

对于建筑工程，采用以上介绍的装配建筑方案无疑是一个非常好的选择。根据该工程的特点，站内全部取消了建筑物，站内的35 kV、10 kV配电装置均采用E-HOUSE集装箱布置，二次设备采用预制式舱，均由厂家成套供应。土建施工单位仅需进行基础施工即可。

2.2.2 孔径

采用PMI CFP-1100AI孔径分析仪，通过泡点法测试试样的孔径特征。具体为试样经已知表面张力的润湿剂充分浸润后放入试样室，气体在压力作用下分别通过干态和湿态试样，通过计算气体通过试样时的压力变化和气流变化，得到试样的孔径及其分布。

2.2.3 过滤性能

LZC-K1型滤材综合性能测试台(苏州华达仪器设备有限公司)采用多分散实验氯化钠(NaCl)气溶胶进行定量控制发尘，气溶胶平均粒径在0.300 μm，质量中值直径在0.260 μm，流量为32 L/min。通过测量滤料两端固体颗粒物——NaCl气溶胶的浓度，计算得到试样的过滤效率(η)：

(1)

式中：K1——下游NaCl气溶胶的浓度；

K2——上游NaCl气溶胶的浓度。

过滤阻力采用高灵敏度的电子压力传感器测得。

3 结果及分析

3.1 纤维表面结构

图1为不同试样的扫描电镜照片，经Image-Pro Plus 6.0图像分析软件测量得到：试样A1中纤维的平均直径为(2.924±0.731)μm；试样A2、试样A3中纤维的平均直径分别为(3.172±0.935)和(3.215±0.873)μm，由于A3为A2的叠加，因此两者的纤维形态相似，纤维平均直径相近；静电纺纳米纤维膜的纤维直径较均匀，由于试样B1、试样B2和试样B3制备工艺参数相同，故纤维表面形态基本一致，纤维的平均直径相近，分别为(0.517±0.124)、(0.558±0.141)和(0.535±0.138)μm。

从图1可以看出：熔喷非织造材料试样中纤维均呈三维杂乱排列，且熔喷工艺属非稳态纺丝工艺，故其中的纤维粗细不匀、长短不一；静电纺纳米纤维膜试样中纤维直径明显小于熔喷非织造材料试样中纤维直径，且前者的纤维粗细更均匀，所形成的孔径更小。

图1 不同试样的扫描电镜照片

3.2 孔径

非织造材料中，纤维的三维杂乱排列形成了大小不一的孔隙，这些孔隙的直径和分布会直接影响空气过滤材料的过滤性能，并对过滤阻力影响显著[6]。表2归纳了6块试样的孔径状况，其中熔喷非织造材料试样的平均孔径明显大于静电纺纳米纤维膜试样的平均孔径，这与熔喷纤维直径大于静电纺纳米纤维有关，再加上熔喷纺丝为非稳态纺丝过程，熔喷纤维直径离散度大，故熔喷非织造材料试样的孔径分布宽度更大。表2中，3块熔喷非织造材料试样的平均孔径随着面密度和厚度的增加而逐渐下降；3块静电纺纳米纤维膜试样的平均孔径也随面密度和厚度的增加而逐渐减小。

表2 试样孔径

3.3 过滤效率

图2反映了不同试样的过滤效率随过滤时间的变化状况。

图2 不同试样的过滤效率随过滤时间的变化

从图2可以看出，随着过滤时间的增加，试样的过滤效率都呈现出了不同程度的增长趋势：

(1) 试样A1未经过驻极处理，其过滤机理完全依靠机械式拦截。当过滤时间为0 h时，A1的过滤效率仅为27.85%；当过滤时间为3 h时，A1的过滤效率增加不明显；当过滤时间延长到12 h时，A1的过滤效率也仅增加到33.77%。导致此现象的原因在于，熔喷非织造材料形成的孔径远大于NaCl气溶胶的平均粒径(0.300 μm)，故刚开始时被拦截的颗粒物仅附着在纤维表面，并未对孔隙形成堵塞，因此，过滤时间较短时过滤效率变化不明显，随着过滤时间的延长，部分孔隙会被NaCl气溶胶堵塞，过滤效率有所提高，但增幅很小。

(2) 试样A2和试样A3属高效过滤材料。当过滤时间为0时，它们的初始过滤效率便分别达到了97.43%和99.98%，但随着过滤时间的增加其过滤效率增长不明显。这是因为，试样A2和试样A3均经过了驻极处理，其静电吸附作用在过滤中占主导地位，但很高的初始过滤效率使得试样过滤效率进一步提高的空间有限，因此增长幅度不明显。

(3) 试样B1的过滤效率明显高于面密度相近的试样A1。两者均未经过驻极处理，不存在静电吸附作用，因此过滤机理主要依靠机械式拦截。由表2可知，静电纺纳米纤维膜的孔径远小于熔喷非织造材料，因此试样B1的过滤效率远高于试样A1。同时由于试样B1的孔径更小，被拦截的NaCl气溶胶更易堵塞其孔隙，故而表现为过滤时间为1 h时试样B1的过滤效率上升明显，过滤时间为12 h时过滤效率达到98.95%。除此之外，试样B1的过滤效率变化曲线均低于试样A2和试样A3。尽管试样B1面密度较小，其形成的孔径和纤维直径小于试样A2和试样A3，但是试样A2和试样A3经过了驻极处理，静电吸附作用可以极大地提高滤料的过滤效率，使熔喷非织造材料的过滤效率反而高于静电纺纳米纤维膜的过滤效率。可见，静电吸附作用在空气过滤材料的应用中意义重大。

此外，图2中未显示试样B2和试样B3。这是因为试样B2在过滤时间为1 h时过滤效率便达到99.93%，过滤阻力超过了1 000 Pa；试样B3在过滤时间为0时过滤效率就达到了99.99%，过滤阻力超过了1 000 Pa。两者过滤阻力很快就超出了设备的测试范围(≤1 000 Pa)，导致测试无法继续。

3.4 过滤阻力

图3为3块熔喷非织造材料试样过滤阻力随过滤时间的变化情况。

图3 熔喷非织造材料试样过滤阻力随过滤时间的变化

从图3可以看出，熔喷非织造材料试样过滤阻力随着过滤时间的增加呈不同程度的增长趋势：

(1) 当过滤时间为12 h时，试样A1和试样A2的过滤阻力相较于过滤时间为0时分别增加了5和12 Pa，增量较小，原因主要是过滤时间较短时，被拦截的NaCl气溶胶并未堵塞孔隙，故阻力变化较小；

(2) 试样A3过滤阻力增加较明显，其面密度和厚度在三者中最大，随着过滤时间的增加，部分较小的孔隙被拦截的NaCl气溶胶堵塞，过滤阻力增加。其中，当过滤时间为12 h时，试样A3的过滤阻力达80 Pa。

图4反映了试样B1的过滤阻力随过滤时间的变化情况：当过滤时间为0时，试样B1的过滤阻力便达到了61 Pa，大于熔喷非织造材料试样的过滤阻力，其原因与纳米纤维膜孔径很小有关；随着过滤时间的增加，越来越多的NaCl气溶胶堵塞孔隙，过滤阻力增长明显，其中过滤时间为12 h时，试样B1的过滤阻力增至586 Pa，超出空气过滤材料过滤阻力小于100 Pa的性能要求。

图4 试样B1过滤阻力随过滤时间变化

此外，当过滤时间为0时，试样B2的过滤阻力在785 Pa，试样B3的过滤阻力超过了1 000 Pa；当过滤时间为1 h时，试样B2的过滤阻力也超过了1 000 Pa。短时间内两者的过滤阻力均超出了设备的测试范围，故图4中未体现。

由此可见，过滤时间的增加对静电纺纳米纤维膜试样过滤阻力的影响明显，即纤维越细，过滤材料的孔隙率越高，孔径越小，随着过滤时间的增加过滤材料越易被堵塞，过滤阻力增加。因此，面密度较大的静电纺纳米纤维膜并不适合用于普通的空气过滤。

4 结论

过滤时间的增加会使过滤材料的过滤效率呈现出不同程度的增长趋势。静电纺纳米纤维膜试样的过滤效率随过滤时间的增加而明显增加，这是因为其过滤主要依靠机械式拦截，纤网孔隙率高、孔径小，长时间过滤后颗粒物易堵塞孔隙，过滤效率增长。熔喷非织造材料试样因结构蓬松、孔径大而孔隙不易被堵塞，故过滤效率增长不显著。

过滤时间的增加对静电纺纳米纤维膜试样过滤阻力的影响明显。静电纺纳米纤维膜试样中纤维直径更小，孔隙率更高，孔径更小，故随着过滤时间的增加，其更易被堵塞，过滤阻力增加显著。其中，设计面密度在20.00和40.00 g/m2的静电纺纳米纤维膜试样，其过滤阻力在短时间内便可超过1 000 Pa，超出空气过滤材料过滤阻力小于100 Pa的性能要求，导致无法测试。可见，面密度较大的静电纺纳米纤维膜并不适合用于空气过滤材料。设计面密度在10.00和20.00 g/m2的熔喷非织造材料试样，其过滤阻力增加较平缓；设计面密度在40.00 g/m2熔喷非织造材料试样厚度较大，纤网孔径较小，随着过滤时间的增加，部分微小孔隙被颗粒物堵塞，过滤阻力增加较明显。