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高效空氣過濾器的過濾介質

摘要：對駐極熔噴材料、超細玻璃纖維紙、eP'ITE薄膜和靜電紡納米纖維網等過濾介質進行了有關高效空氣過濾(HEPA)性能的實驗。研究結果表明，在達到相同HEPA過濾要求時，駐極熔噴材料的壓降比其他材料的壓降低很多；對空氣中含有的不同微粒各過濾介質的過濾效率和壓降呈現出不同的變化趨勢。
　　關鍵詞：高效空氣過濾器，過濾器，過濾介質，過濾性能
　　中圖分類號：TQ028、26 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7093(2007)03—0010—03
  高效空氣過濾器(HEPA filter)廣泛地應用于要求清潔無菌的房間(電子產品和藥品的生產場所、手術室)以及其他應用領域(如空氣凈化器、真空袋式除塵器和口罩)。超細玻璃纖維墊、熔噴(MB)纖網、靜電紡纖網和ePTFE薄膜等各種介質都可達到HEPA的過濾要求。

過濾介質用超細纖維或納米纖維制成，或具有纖維狀結構，以使其有較大的纖維表面積或是在原纖結構中存在很多微孔。過濾介質的面密度、集塵量和使用壽命各不相同，不同成分和結構的材料更有著迥異的壓降。與亞微米級超細玻璃纖維和納米纖維靜電紡纖網相比，熔噴纖網的超細纖維直徑較粗，必須經過駐極化(EC)才能達到HEPA級的過濾效率，其他一些介質也可經駐極化提高過濾效率而不會增加壓降。應用駐極化的熔噴聚丙烯纖網的優勢在于其低壓降和較高的集塵量。盡管熔噴聚丙烯纖網的電荷衰減很慢，但進入的油粒和發動機排出的廢氣對其長期儲存和使用有影響。本文將對經過駐極和未經駐極的各種介質在用于HEPA過濾時的過濾效率、壓降和使用壽命進行比較。
    1 HEPA過濾介質
    本實驗選用的材料是駐極熔噴(ECMB)材料、超細玻璃纖維紙、ePTFE薄膜和靜電紡納米纖維網。熔噴材料是在TANDEC的Reicofil 24”雙組分熔噴生產線上生產的，駐極是在適用于厚型和高面密度產品的TANTRET T—II上完成的。靜電紡聚酰胺納米纖維直徑范圍為50～60 nm，在TANDEC的靜電紡設備上生產，超細玻璃纖維紙和ePrFE薄膜都是工業產品。
    2 實驗
    用TSI 8130自動過濾測試儀測定熔噴材料和口罩在加載NaCI和DOP顆粒時的效率。測試中采用的NaCI平均粒徑為0．067 m，幾何標準偏差(GSD)為1．6 m；DOP平均粒徑為0．2 m，幾何標準偏差與前者相同。用于過濾效率(FE)比較時，氣溶膠濃度為100 mg／m ，流動速率分別為1632、64和96 L／min。微粒加載試驗也用于研究材料的衰減性(過濾效率的衰減和DOP的增加)。過濾面積為100 em ，氣溶膠流動速率為32 L／min，相當于過濾速度為5．3 cm／s。
    3 結果與討論
    從表1可見，90 g／m 駐極熔噴材料在流動速率為32 L／min(過濾速度為5．3 cm／s)時，過濾效率可達到99．996％，壓降為84．3 Pa。而其他材料要達到所要求的HEPA過濾效率，其壓降比駐極熔噴材料高得多，如玻璃纖維紙壓降達到409．6 Pa，ePTFE薄膜是1 129．0 Pa，靜電紡納米纖維材料是590．9 Pa。駐極熔噴材料的過濾效率隨過濾速度的增加而下降。當過濾速度增加時，氣溶膠的遷移力將克服靜電力，因此靜電力將失去對移動微粒的捕獲能力。依照布朗擴散機理，HEPA過濾介質的作用就是捕獲以低過濾速度(如2．5 cm／s)移動的微小顆粒，而高速運動的大顆粒則通過使用預濾器，由慣性撞擊或直接攔截機理的作用而被捕獲。
   DOP氣溶膠在駐極熔噴材料上的過濾效率比NaC1在該材料上的過濾效率低得
多。DOP不帶電，介電常數很高。由于介電常數大，駐極熔噴材料纖維中由電荷形成的電場將會減弱，對DOP顆粒的吸引力也因此而下降。如同從NaC1中觀察到的情況一樣，駐極熔噴材料的過濾效率將隨DOP過濾速度的提高而下降，其他材料的過濾效率隨過濾速度的提高無明顯變化。
    過濾介質的使用壽命是十分重要的指標。駐極熔噴材料的過濾效率隨NaC1微粒的加載而增加(圖2，這是由于NaC1微粒在過濾材料上會粘結成餅，其他介質的情況也是如此。然而，隨DOP微粒的加載，駐極熔噴材料的過濾效率卻會下降，這是由于DOP微粒凝聚在纖維表面，形成了覆蓋層，由于DOP層的高介電常數，使得由纖維中的電荷形成的電場強度下降。
    如圖3所示，經TANTRET T—II充電的駐極熔噴材料耐DOP衰減的能力要比普通的工業用駐極熔噴材料強得多。充電方法的選擇對于介質有效帶電及耐DOP衰減是一個重要課題。應用較高面密度(例如180 g／m )的駐極熔噴材料，可在很大程度上彌補DOP加載對降低過濾效率的影響(圖4)，這是由于DOP微?？捎懈L的時間使電荷停滯在駐極熔噴纖維上。
    HEPA級的ePTFE薄膜有很高的壓降，因而限制了其在過濾方面的應用。ePTFE可以制成壓降較小的多孔薄膜，但其過濾效率也隨著相應下降。ePTFE薄膜多用于表面過濾，因此在薄膜上會很快形成塵餅，壓降驟然上升。
    圖5和圖6是供熱、通風和空調系統過濾器(HVAC)用的ePTFE薄膜、玻璃纖維紙和駐極熔噴材料的比較，三者有相似的初始壓降。    當ePTFE薄膜遇上油粒(如DOP)時，薄膜將被顆粒浸濕，孔隙很快被油填滿，薄膜上的有效孔隙就會減少，薄膜的過濾速度將隨有效孔隙容積的下降而上升，因此ePTFE薄膜隨油粒加載增加，其過濾效率下降而壓降上升。

    4 結論
    在達到相同HEPA過濾要求時，駐極熔噴材料的壓降比其他材料的壓降低很多。在遇到DOP顆粒時，駐極熔噴材料的過濾效率較低。隨著DOP的加載，駐極熔噴材料的過濾效率下降，但可通過采用不同的充電方式來減慢駐極熔噴材料過濾效率下降的速度，使用較大面密度的駐極熔噴材料也可達到這一目的。玻璃纖維紙隨DOP的加載，其過濾效率和壓降都無明顯變化，但隨NaCI的加載，其過濾效率和壓降都上升。ePTFE薄膜隨油粒的加載，其過濾效率下降而壓降上升，但隨NaCI的加載，其過濾效率和壓降都上升。

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