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( 航空工業(yè)過(guò)濾產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心，河南新鄉(xiāng)453019)

0 前言

通常來(lái)說(shuō)，空氣過(guò)濾器是一種表面看上去簡(jiǎn)單但技術(shù)復(fù)雜的產(chǎn)品，尤其是目前大量應(yīng)用于潔凈室、建筑物、各種運(yùn)輸工具客艙駕駛艙等內(nèi)的高效空氣過(guò)濾器，隨著科技的發(fā)展，對(duì)高效空氣過(guò)濾器的功能要求也越來(lái)越高，從簡(jiǎn)單的濾除空氣中的灰塵、顆粒等到濾除各種微生物、有害氣體、病毒等等。而這些空氣過(guò)濾器由于應(yīng)用的場(chǎng)合不一樣而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)、檢測(cè)方法的不一樣，但是它們所應(yīng)用的最關(guān)鍵部件——過(guò)濾材料，是類似的。

1 空氣過(guò)濾材料的特性與檢測(cè)方法現(xiàn)狀

1.1 空氣過(guò)濾材料的介紹

過(guò)濾材料通常是以植物纖維、合成纖維、無(wú)機(jī)纖維等原料，添加適量的化學(xué)品，使用造紙?jiān)O(shè)備和造紙工藝抄造而成的、具有良好過(guò)濾性能的、疏松多孔的過(guò)濾介質(zhì)。大多數(shù)過(guò)濾材料需要用樹脂補(bǔ)強(qiáng)。各種纖維組成有深度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu); 不同樹脂具有不同的補(bǔ)強(qiáng)效果。

過(guò)濾材料使用的纖維，主要有天然纖維、人造纖維、合成纖維、無(wú)機(jī)纖維、特殊纖維、納米纖維等。其中無(wú)機(jī)纖維中玻璃纖維以其具有耐腐蝕、耐濕、耐熱等眾多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于防毒面具、高效空氣過(guò)濾器及亞高效空氣過(guò)濾器，圖1 顯示了從原料到過(guò)濾材料成形的一系列加工工藝流程。

從圖1 可以看出過(guò)濾材料的一般生產(chǎn)制作過(guò)程，其中每一步都直接影響了過(guò)濾材料的性能。生產(chǎn)出來(lái)的空氣過(guò)濾材料應(yīng)該可以既有效地?cái)r截塵埃粒子，又不對(duì)氣流形成過(guò)大阻力。無(wú)規(guī)則排列的纖維材料符合這些要求。雜亂交織的纖維形成對(duì)粉塵的無(wú)數(shù)道屏障，纖維間寬闊的空間允許氣流順利通過(guò)，如圖2 所示。

圖2 顯示了纖維空氣過(guò)濾材料攔截塵埃粒子的微觀圖，從圖中可以看出塵埃等在纖維材料中聚結(jié)在一起。隨著對(duì)高效空氣過(guò)濾器的功能要求越來(lái)越高，過(guò)濾材料的功能也要求越來(lái)越多。比如抗菌性的過(guò)濾材料，就不能簡(jiǎn)單依靠攔截，而必須將其殺死，否則細(xì)菌在過(guò)濾材料中滋生繁衍就會(huì)帶來(lái)更多的問(wèn)題。許多金屬離子有殺菌效果，其中最常見(jiàn)的是銀離子。理論上來(lái)講，材料中的銀離子緩慢遷移至材料表面，微生物的蛋白質(zhì)因與銀離子接觸而凝固，導(dǎo)致微生物死亡。而實(shí)際上要求將此理論付諸實(shí)際也正是目前的最新研究熱點(diǎn)。

1.2 空氣過(guò)濾材料需要濾除的顆粒物

不管是塵埃、細(xì)菌還是病毒，都可以用顆粒粒徑的指標(biāo)來(lái)描述，圖3 是美國(guó)斯坦福研究所(Stanford Research Institute)的研究人員曾給出一張粉塵顆粒度比較圖。

從圖3 可以看出細(xì)菌通常在1 μm 以上，病毒通常在0.1 μm 以下，而據(jù)報(bào)道，常見(jiàn)的流感病毒通常在0.08 ～0.12 μm之間，這些與人體健康息息相關(guān)的指標(biāo)是必須要控制的，尤其是在密閉的高速運(yùn)輸工具比如飛機(jī)、高鐵等中。研究表明，密閉的客艙駕駛艙等中的細(xì)菌通常可以被高效空氣過(guò)濾器濾除99.9%，但病毒由于其粒徑太小還是目前的一個(gè)研究難題。

1.3 空氣過(guò)濾材料的檢測(cè)方法

過(guò)濾材料生產(chǎn)出來(lái)后需要經(jīng)過(guò)檢測(cè)以確定其性能參數(shù)，從而反映出過(guò)濾材料的結(jié)構(gòu)特征和過(guò)濾性能的好壞。通常的檢測(cè)包括結(jié)構(gòu)特征的檢測(cè)和過(guò)濾性能的檢測(cè)。結(jié)構(gòu)特征的指標(biāo)包括抗張強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、耐破度、挺度、厚度、定量、孔徑等，過(guò)濾性能的指標(biāo)包括粒徑的過(guò)濾效率、阻力、納污量等。

1.3.1 結(jié)構(gòu)特征的檢測(cè)

過(guò)濾材料的結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)的檢測(cè)通常采用常規(guī)儀器，比如抗張強(qiáng)度儀、抗撕裂強(qiáng)度儀、耐破度儀、挺度儀等等。

另外由于高效空氣過(guò)濾器多采用玻璃纖維過(guò)濾材料，就要考慮過(guò)濾材料的抗?jié)B水性，因?yàn)椴ＡвH水，若不對(duì)材料做憎水處理則過(guò)濾材料吸潮后會(huì)長(zhǎng)霉，繼而喪失強(qiáng)度。

1.3.2 過(guò)濾性能的檢測(cè)

過(guò)去，發(fā)達(dá)國(guó)家規(guī)定使用DOP 法測(cè)量高效空氣過(guò)濾材料的效率，用粒子計(jì)數(shù)法測(cè)量超高效空氣過(guò)濾材料的效率。早期的其他方法已經(jīng)全部廢止，如鈉焰法、熒光素鈉法、油霧法。而目前，用于衡量高效空氣過(guò)濾材料的過(guò)濾性能的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要是歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN1822，此標(biāo)準(zhǔn)所使用的測(cè)試方法是利用激光粒子計(jì)數(shù)器或凝結(jié)核計(jì)數(shù)器測(cè)量過(guò)濾材料上下游的氣溶膠顆粒濃度，找出最易透過(guò)粒徑，得到效率曲線中的最低點(diǎn)，從而得出過(guò)濾材料的效率［1］。

從理論上來(lái)講，小于0.1 μm 的粒子布朗運(yùn)動(dòng)劇烈，主要作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，粒子越小，撞擊過(guò)濾介質(zhì)的幾率越大，因此過(guò)濾效率越高; 大于0.3 μm 的粒子主要作慣性運(yùn)動(dòng)，粒子越大，效率越高。

在慣性和擴(kuò)散都不顯著的0.1 ～0.3 μm 之間，效率有一處最低點(diǎn)，該粒徑大小的粉塵最難過(guò)濾，如圖4 所示。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀對(duì)比和結(jié)論分析

據(jù)了解，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)過(guò)濾材料的廠家是國(guó)外所有廠家總數(shù)的幾倍，但是高端的過(guò)濾材料生產(chǎn)技術(shù)卻掌握在國(guó)外的幾家大公司手中。目前我國(guó)已經(jīng)有大量廠家可以生產(chǎn)工業(yè)潔凈室和醫(yī)護(hù)設(shè)施使用的高效空氣過(guò)濾器，但航空高效空氣過(guò)濾器的生產(chǎn)卻寥寥，雖然它們從使用材料和加工工藝上頗為相似，但國(guó)外的各個(gè)生產(chǎn)廠商對(duì)其生產(chǎn)的高效空氣過(guò)濾器的檢測(cè)方法和設(shè)計(jì)思路嚴(yán)格保密，即使得到國(guó)外廠家的航空高效空氣過(guò)濾器的樣品，也很難實(shí)現(xiàn)仿制。況且國(guó)外廠家針對(duì)高端的過(guò)濾器通常只對(duì)國(guó)內(nèi)銷售空氣過(guò)濾器成品，其使用的過(guò)濾材料也實(shí)行技術(shù)封鎖。

表1 列舉了目前各種國(guó)內(nèi)外高性能復(fù)合濾材的研究現(xiàn)狀對(duì)比情況。

表1 國(guó)內(nèi)外高性能復(fù)合濾材研究現(xiàn)狀對(duì)比表

玻璃纖維是高效空氣過(guò)濾器的主要材料，我國(guó)是世界第一生產(chǎn)大國(guó)，但產(chǎn)品的性能卻無(wú)法和國(guó)外相比，目前還無(wú)法生產(chǎn)出滿足比如航空過(guò)濾材料過(guò)濾效率、阻力、納污量等苛刻技術(shù)指標(biāo)要求的產(chǎn)品。目前我國(guó)生產(chǎn)的很多高效空氣過(guò)濾器一般都需要采用進(jìn)口的高效超高效過(guò)濾材料。但考慮到材料和加工設(shè)備等影響因素，開發(fā)出掌握自主知識(shí)產(chǎn)品的高效過(guò)濾材料才是發(fā)展的根本。

高效空氣過(guò)濾器用過(guò)濾材料是屬于低值易耗的產(chǎn)品，世界先進(jìn)國(guó)家在十年前就已研制成功并用于軍民用飛機(jī)，如世界上最大的過(guò)濾器專業(yè)公司——美國(guó)PALL 公司一直壟斷著高性能復(fù)合過(guò)濾材料的研發(fā)技術(shù)，并且對(duì)我國(guó)尤其是軍用一直秉承技術(shù)封鎖的方式。我們?nèi)裟茏プ∥覈?guó)制造大飛機(jī)、高鐵等的大好時(shí)機(jī)，攻克多年來(lái)的高效過(guò)濾材料生產(chǎn)和檢測(cè)的技術(shù)瓶頸，定能實(shí)現(xiàn)技術(shù)市場(chǎng)的雙贏。

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