复合空气滤纸研究进展

姚丽菲，陈 萍，惠岚峰

(中国轻工业造纸与生物质精炼重点实验室，天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学轻工科学与工程学院，天津，300457)

滤纸也称为过滤纸，由无机纤维、植物纤维和合成纤维中的一种或多种原料制成，并在其中加入合适的化学添加剂和填料。滤纸不仅可以从气体中去除有害的灰尘、烟雾、毒物等，还可以从液体中分离出污染物颗粒，同时阻隔细菌和微生物[1]。 因此，滤纸根据使用场所的不同通常分为空气滤纸和液体滤纸。

复合空气滤纸主要是指用于空气滤清器的滤纸，其油雾效率接近百分之百，主要用于过滤1μm以下的颗粒，其中包括1×10-5cm 至5×10-7cm 的气溶胶颗粒。 由于现代工业和科学技术的飞速发展，环境污染已成为严重威胁人类生命和健康的主要因素， 优质空气净化效果的新型滤料已成为研究和开发的热点[2]。 因此，迫切需要制造一种高效的过滤装置，能有效地过滤有害气体，防止空气中的有害气体流入人体。

1 复合空气过滤纸的发展概况

空气滤纸首次出现在第二次世界大战结束时，当时已经开始对空气滤纸进行研究， 并在法国，德国， 前苏联和其他国家使用。 空气滤纸主要配备在有军事指挥和防空设施的地点， 对空气进行过滤以防止这些大型军事设施受到有毒烟雾和放射性物质的攻击。 20 世纪50年代起，西欧、英国、美国、日本和其他国家迅速发展了空气滤纸的研究和生产，1960年开始， 美国对工业洁净室的使用达到了高潮，在20 世纪末期，日本在精密机械、电子工业中洁净室的普及率已经达到100%， 此后还成功开发出了10 级的0.1 μm 洁净室[3]。

从1950年开始，中国启动了空气滤纸的研究工作。 在军事工业的早期， 开发了高效的空气过滤器并将其用于冶金、电子、航空和其他生产领域的清洁工厂建设。 1970年后，空气净化技术取得了巨大的进步， 在此基础上开发了在实际生产中广泛使用的许多净化设备、净化工作台和相关检测设备。 80年代中期，净化技术获得从量到质的突破性、开创性进展， 特别是0.1 μm 过滤效率为99.9995%的高效空气滤纸和0.3 μm 的洁净隧道无隔板空气滤纸的研发为超大规模集成电路的开发创造了条件[4]。

空气滤纸在中国乃至世界范围内的快速发展和广泛使用与工业技术的迅速创新密不可分。 然而，单层空气滤纸在过滤效率等方面已经不能很好满足生产和生活需要。 近年， 精密机器和电子设备制造的快速发展提高了对生产和生活环境的要求， 故利用复合空气滤纸使空气中的灰尘量最小化， 以建立一个洁净室并提高产品的质量和可靠性是非常有必要的。 复合空气滤纸的性能直接反映在清洁设备的净化能力上，清洁设备的净化水平与现代科学、高科技以及现代工业产品质量的可靠性和产量密切相关，并对其发展有重大影响。 因此，工业化国家特别重视净化技术的发展， 这是评判科学技术创新和工业水平高低的重要指标。

2 复合空气滤纸滤材的选择

近年来， 随着的现代工业生产需求和人们对生活环境要求的提高，对空气洁净度的要求越来越高，复合空气滤纸各层对于新型优质过滤材料的使用成为科研工作者研究开发的热点。 其中包括无机纤维(玻璃纤维、陶瓷纤维等)，植物纤维及合成纤维(聚乙烯醇、聚氯乙烯一醋酸乙烯和恶二唑纤维等)。

2.1 玻璃纤维

玻璃纤维通常用作复合材料、电绝缘、热绝缘、印刷电路板等的增强材料， 并广泛用于国民经济的各个领域。 同时， 它是一种具有优异性能的无机非金属材料， 也是高科技发展必不可少的基本材料。第二次世界大战后，玻璃纤维被广泛使用，多年的实验研究表明玻璃纤维及其复合材料是高质量的高温防腐过滤材料。 因此， 由玻璃纤维原料制成的复合空气滤纸越来越受欢迎。

在抄造复合空气滤纸时加入少量玻璃纤维能有效提高其过滤效果， 这是由玻璃纤维本身优异的性能决定的（包括物理性能和化学性能）。

表1 给出了玻璃纤维、碳纤维、部分常用纺织纤维和金属材料的主要性能， 通过对比观察表内各项数据可以得出玻纤的基本物理性能。

表1 玻璃纤维、碳纤维、部分常用纤维和金属材料的物理性能

通过表1 的对比可知， 玻璃纤维比有机纤维致密，但低于金属纤维；玻璃纤维的抗拉强度高，断裂强度是相同重量的钢丝的2～4 倍。 玻璃纤维不会因环境温度的变化而变形， 最大伸长率仅为3%[5]；玻璃纤维的硬度与独特的脆性相结合， 形成了出色的低弯曲阻抗性。 这些特性充分证明玻纤在复合空气滤纸制备方面有着绝对的优势， 是不可多得的优良滤材。

在化学性能方面，玻璃纤维是截面呈圆形，笔直且直径不变的一种无机纤维，它能制得很微细，密度比天然纤维或大多数合成纤维的密度高， 并且不会引起燃烧。 因此，它具有非常好的耐热性，可用温度范围也较大。另外，玻璃纤维不具有天然纤维的润胀或帚化现象，并且对腐蚀性化学物质(例如酸和碱)具有良好的阻抗作用， 这使得玻璃纤维成为极好的过滤材料。尽管玻璃纤维具有许多优点，但由于其自身的化学特性(如柔软性和耐磨性差)和制造成本相对较高的问题[6]，通常选择一些其他具有良好强度的植物纤维与玻璃纤维进行混合抄造以获得具有良好性能的过滤材料。另外，玻璃纤维在水中的分散性差也是阻碍其成为最佳过滤材料的障碍， 故在进行混合抄造时需要对其进行一系列的处理使其成为较理想的玻璃纤维悬浮液， 再与植物纤维充分混合抄造复合空气过滤原纸[6]。

2.2 植物纤维

天然植物纤维具有价廉质轻、 强度和比刚度高等优良特性。 但由于天然纤维功能单一及应用领域狭窄， 因此针对改善天然植物纤维性能的研究引起了广泛重视。大量实验研究表明，通过化学溶液丝光化处理获得的不同形态天然纤维能广泛应用于各个领域。 因此，以可再生和可降解的天然纤维为基材，进行功能化处理改性研究是现代科技的发展趋势。

为了进一步提高滤纸的过滤效率和集尘能力，要求滤纸的质地比较松散，且阻力越低越好。这时仅靠调控打浆度和筛除细小纤维已经不能很好的满足要求，因此需要部分或全部使用纤维形态弯曲、富有弹性的丝光化浆[7]。

丝光化处理是用特定浓度的碱液浸渍纤维的过程。 一般的丝光化条件是：液体比例为1：6，NaOH 浓度为160 g/L，常温条件下，处理时间30～60 min。 植物纤维丝光化处理后得到充分润胀， 碱液扩散到纤维的细胞壁中， 溶解并除去纤维素结晶部分中的半纤维素、树脂和色素，纤维的无定形区域部分溶解，缩短了纤维的长度，增大了扭曲指数，减少了纸浆中细小纤维的含量。 丝光化处理后，纤维变得光滑、圆润和扭曲，这有助于改善纸的透气性[8－9]，是制备复合空气滤纸的主要滤材之一。

2.3 合成纤维

合成纤维是化学纤维的一个种类。 合成纤维与人造纤维的显著不同之处在于， 人造纤维是以天然纤维素纤维为原料制成， 而合成纤维则以合成高分子化合物为原料制成。 近年来，随着科学技术的不断创新和发展，研究人员发现了越来越多的适用于合成纤维生产的聚合物，在此基础上合成纤维的类型也在增加。特别是在研究中发现了一些具有特殊性能的合成纤维，这些纤维具有改善滤纸过滤性能和强度的特性，并且还可以赋予滤纸以特殊的特性。 使用合成纤维制造滤纸是滤纸工业发展的方向之一。

合成纤维具有表面光滑、 密度低和弹性高等特点。 表面光滑可以减小过滤过程中滤纸的阻力并提高过滤效率，如果纤维的粗细长短和重量相等，密度低则纤维的数量多、 体积大、 有利于降低滤纸的紧度，提高流体的透过性。 PVA(聚乙烯醇)、维荣（聚氯乙烯-醋酸乙烯）和恶二唑（聚间/对苯-1，3，4-恶二唑）纤维具有出色的化学纤维稳定性和热熔性能，在滤纸抄造过程中加入此类纤维是提高滤纸质量和增加滤纸种类的绝佳选择[10]。

3 复合空气滤纸的制备方法

国内外学者做过许多关于复合空气滤纸多层成形工艺的系统研究， 最开始是采用多个流浆箱和多个成形网， 通过各层独立成形后再复合形成多层纸页，由于其操作复杂、占用空间大且设备投资增加，目前逐渐被厂家淘汰[11]。 现在多采用多层成型流浆箱一次成型的方式抄造， 一次成型是指纸料经多层流浆箱分层浆流， 在成形网上逐层有序一次性脱水成型复合多层湿纸页， 形成的湿纸页的层间强度与单层相似且不分层起泡。 其中多层成型流浆箱的一个重要部件是飘片， 它一般放置在湍流发生器后一直延伸至唇板末端， 将单流道的流浆箱分隔成多个独立流道的流浆箱， 这样不同的浆料在独立的流道自身进行混合与湍流，最后同时进入成形区，形成多层纸页[12]。Beolit 公司的敛聚式流浆箱是一种迳流式管束－挠性导流片组分层薄浆道流浆箱， 该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[13]。 但使用多层流浆箱进行纸页成型也存在着因喷出浆料产生涡流或湍流现象而导致的层间混合现象等关键技术问题。

除此之外，为得到特殊性能，还可以采用负载的方式制备复合空气滤纸。 负载方式主要是通过控制真空抽吸力使分散液均匀分布在纸张中和通过喷涂方式使分散液自然过滤负载于纸张表面两种方式[14]。

对于超细纤维复合空气过滤纸， 目前主要的制备方式为静电纺纤维复合、造纸湿法成形多层复合、熔喷无纺布复合、覆膜复合等[15-16]。 其中，静电纺纤维复合、 造纸湿法成形多层复合是目前过滤材料领域内两种主要的超细纤维复合空气滤纸制备方式。静电纺丝复合是通过向聚合物溶液施加高压电形成强电场，使溶液从喷丝口拉出形成射流，在静电斥力的作用下， 射流会不断分裂直径变小， 同时溶剂挥发， 最终固化形成直径很小的纤维沉积到普通的过滤纸上， 这种干法复合技术可以在不明显增加阻力的前提下提高纸的过滤效率[17-19]。 湿法多层复合制备超细纤维复合滤纸是以造纸工艺为基础， 以水为载体， 超细纤维与其他纤维的混合悬浮液在纸机成形网上脱水， 经干燥等一系列处理形成的复合滤纸[20-21]。杨家喜等[22]利用这两种方式进行复合研究表明造纸湿法复合单次容尘量大，使用寿命长；对于有反吹过滤系统，应采用静电纺复合滤纸，有利于延长使用寿命。 但这两种方法制备复合滤纸的结构差异较大，目前还没有对两种方法进行系统比较的研究。

4 影响复合空气滤纸性能的因素

大量研究表明： 单层滤纸在过滤效率、 过滤阻力、纳污容量等方面较难达到一个很好的平衡点；多层复合过滤介质不仅能满足较高的过滤效率， 还能延长其使用寿命。因此，对于影响复合空气滤纸过滤效率因素的研究成为研究的重点。

4.1 定量

复合空气滤纸的总定量影响滤纸的过滤性能。复合空气滤纸的总定量增加，会导致其透气度变小，使得滤纸的孔径变小，大多数固体颗粒物被拦截，从而提高了滤纸的过滤精度。

4.2 纤维配比

复合空气滤纸原纸纤维的配比对成纸的性能至关重要。阔叶木浆是工业滤纸中最常用的纤维之一，可以有效控制滤纸的孔径，提高过滤精度，并且是大多纤维原料中最便宜的， 合理地使用阔叶木浆和寻找合适的阔叶木浆比例将有效地提高工业滤纸产品的质量并降低产品成本[23]。

4.3 透气度和孔径

与市售的单层滤纸相比， 复合空气滤纸的物理性能和过滤性能发生了显着变化。 透气度和孔径指数是复合空气滤纸的最重要指标， 为了获得膨松且有良好透气性的滤纸，多层复合滤纸中的每层之间的透气性必须保持恒定的平衡。 一般而言，复合滤纸的透气率过低时，其纳污容量会相应地降低；复合滤纸的透气率过高时，由于孔径变大使得较大的颗粒物质通过复合空气滤纸影响其过滤精度[24-25]。综上所述，对于复合空气滤纸的研究我们必须在保证其过滤精度的同时合理调整其透气度。

5 结束语

通过本文概述可以了解到在单层滤纸不能很好地满足人们生活和生产需求时， 科研人员通过对滤材、抄造方式等方面的研究，逐渐提出了复合空气滤纸的想法， 并将其作为现代科技工业发展的一个重要方向。 通过调节影响因素来抄造出具有高过滤效率和长使用寿命的复合滤纸成为科研热点， 科研工作者们也在为能早日研制出性能更为优良的复合空气滤纸而努力。