高效空气过滤器的过滤介质

摘要：对驻极熔喷材料、超细玻璃纤维纸、eP'ITE薄膜和静电纺纳米纤维网等过滤介质进行了有关高效空气过滤(HEPA)性能的实验。研究结果表明，在达到相同HEPA过滤要求时，驻极熔喷材料的压降比其他材料的压降低很多；对空气中含有的不同微粒各过滤介质的过滤效率和压降呈现出不同的变化趋势。
　　关键词：高效空气过滤器，过滤器，过滤介质，过滤性能
　　中图分类号：TQ028、26 文献标识码：A 文章编号：1004—7093(2007)03—0010—03
  高效空气过滤器(HEPA filter)广泛地应用于要求清洁无菌的房间(电子产品和药品的生产场所、手术室)以及其他应用领域(如空气净化器、真空袋式除尘器和口罩)。超细玻璃纤维垫、熔喷(MB)纤网、静电纺纤网和ePTFE薄膜等各种介质都可达到HEPA的过滤要求。

过滤介质用超细纤维或纳米纤维制成，或具有纤维状结构，以使其有较大的纤维表面积或是在原纤结构中存在很多微孔。过滤介质的面密度、集尘量和使用寿命各不相同，不同成分和结构的材料更有着迥异的压降。与亚微米级超细玻璃纤维和纳米纤维静电纺纤网相比，熔喷纤网的超细纤维直径较粗，必须经过驻极化(EC)才能达到HEPA级的过滤效率，其他一些介质也可经驻极化提高过滤效率而不会增加压降。应用驻极化的熔喷聚丙烯纤网的优势在于其低压降和较高的集尘量。尽管熔喷聚丙烯纤网的电荷衰减很慢，但进入的油粒和发动机排出的废气对其长期储存和使用有影响。本文将对经过驻极和未经驻极的各种介质在用于HEPA过滤时的过滤效率、压降和使用寿命进行比较。
    1 HEPA过滤介质
    本实验选用的材料是驻极熔喷(ECMB)材料、超细玻璃纤维纸、ePTFE薄膜和静电纺纳米纤维网。熔喷材料是在TANDEC的Reicofil 24”双组分熔喷生产线上生产的，驻极是在适用于厚型和高面密度产品的TANTRET T—II上完成的。静电纺聚酰胺纳米纤维直径范围为50～60 nm，在TANDEC的静电纺设备上生产，超细玻璃纤维纸和ePrFE薄膜都是工业产品。
    2 实验
    用TSI 8130自动过滤测试仪测定熔喷材料和口罩在加载NaCI和DOP颗粒时的效率。测试中采用的NaCI平均粒径为0．067 m，几何标准偏差(GSD)为1．6 m；DOP平均粒径为0．2 m，几何标准偏差与前者相同。用于过滤效率(FE)比较时，气溶胶浓度为100 mg／m ，流动速率分别为1632、64和96 L／min。微粒加载试验也用于研究材料的衰减性(过滤效率的衰减和DOP的增加)。过滤面积为100 em ，气溶胶流动速率为32 L／min，相当于过滤速度为5．3 cm／s。
    3 结果与讨论
    从表1可见，90 g／m 驻极熔喷材料在流动速率为32 L／min(过滤速度为5．3 cm／s)时，过滤效率可达到99．996％，压降为84．3 Pa。而其他材料要达到所要求的HEPA过滤效率，其压降比驻极熔喷材料高得多，如玻璃纤维纸压降达到409．6 Pa，ePTFE薄膜是1 129．0 Pa，静电纺纳米纤维材料是590．9 Pa。驻极熔喷材料的过滤效率随过滤速度的增加而下降。当过滤速度增加时，气溶胶的迁移力将克服静电力，因此静电力将失去对移动微粒的捕获能力。依照布朗扩散机理，HEPA过滤介质的作用就是捕获以低过滤速度(如2．5 cm／s)移动的微小颗粒，而高速运动的大颗粒则通过使用预滤器，由惯性撞击或直接拦截机理的作用而被捕获。
   DOP气溶胶在驻极熔喷材料上的过滤效率比NaC1在该材料上的过滤效率低得
多。DOP不带电，介电常数很高。由于介电常数大，驻极熔喷材料纤维中由电荷形成的电场将会减弱，对DOP颗粒的吸引力也因此而下降。如同从NaC1中观察到的情况一样，驻极熔喷材料的过滤效率将随DOP过滤速度的提高而下降，其他材料的过滤效率随过滤速度的提高无明显变化。
    过滤介质的使用寿命是十分重要的指标。驻极熔喷材料的过滤效率随NaC1微粒的加载而增加(图2，这是由于NaC1微粒在过滤材料上会粘结成饼，其他介质的情况也是如此。然而，随DOP微粒的加载，驻极熔喷材料的过滤效率却会下降，这是由于DOP微粒凝聚在纤维表面，形成了覆盖层，由于DOP层的高介电常数，使得由纤维中的电荷形成的电场强度下降。
    如图3所示，经TANTRET T—II充电的驻极熔喷材料耐DOP衰减的能力要比普通的工业用驻极熔喷材料强得多。充电方法的选择对于介质有效带电及耐DOP衰减是一个重要课题。应用较高面密度(例如180 g／m )的驻极熔喷材料，可在很大程度上弥补DOP加载对降低过滤效率的影响(图4)，这是由于DOP微粒可有更长的时间使电荷停滞在驻极熔喷纤维上。
    HEPA级的ePTFE薄膜有很高的压降，因而限制了其在过滤方面的应用。ePTFE可以制成压降较小的多孔薄膜，但其过滤效率也随着相应下降。ePTFE薄膜多用于表面过滤，因此在薄膜上会很快形成尘饼，压降骤然上升。
    图5和图6是供热、通风和空调系统过滤器(HVAC)用的ePTFE薄膜、玻璃纤维纸和驻极熔喷材料的比较，三者有相似的初始压降。    当ePTFE薄膜遇上油粒(如DOP)时，薄膜将被颗粒浸湿，孔隙很快被油填满，薄膜上的有效孔隙就会减少，薄膜的过滤速度将随有效孔隙容积的下降而上升，因此ePTFE薄膜随油粒加载增加，其过滤效率下降而压降上升。

    4 结论
    在达到相同HEPA过滤要求时，驻极熔喷材料的压降比其他材料的压降低很多。在遇到DOP颗粒时，驻极熔喷材料的过滤效率较低。随着DOP的加载，驻极熔喷材料的过滤效率下降，但可通过采用不同的充电方式来减慢驻极熔喷材料过滤效率下降的速度，使用较大面密度的驻极熔喷材料也可达到这一目的。玻璃纤维纸随DOP的加载，其过滤效率和压降都无明显变化，但随NaCI的加载，其过滤效率和压降都上升。ePTFE薄膜随油粒的加载，其过滤效率下降而压降上升，但随NaCI的加载，其过滤效率和压降都上升。

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