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关于多孔材料过滤精度的探讨佘勃强，董领锋，吴引江，周 济，王翠翠(西安宝德粉末冶金有限责任公司，陕西 西安 710201)摘要：从多孔材料过滤精度的定义出发，探讨了过滤精度的评定方法和过滤精度与冒泡孔径间的关系，指出了过滤精度与冒泡孔径间具有一定的数值换算关系及换算注意事项，同时也 指出了在过滤器设计使用和滤材选用时要考虑过滤精度评定时的试验条件、要结合工况条件 对滤材标定过滤精度值进行修正。关键词：多孔材料；过滤精度；多次通过法；冒泡孔径；中图法分类号：tq050.4文献标识码：a文章编号：1005-8265(2013)02-0038-04多孔材料是一种具有连通孔隙的特殊结构功能材料，大多用来做过滤材料，衡量一个过滤器性 能好坏的重要指标是过滤精度，因此，在过滤器的 设计和过滤材料选用时首要考虑的就是过滤精 度。同时，过滤精度也是多孔材料生产厂家进行产 品性能等级划分的一个重要依据。本文从过滤精 度的定义出发，探讨了过滤精度的测试和标定方 法，过滤精度与多孔材料孔径之间的关系，最后指 出了多孔材料过滤精度标定和过滤器设计使用及 滤材选用时的注意事项。1 过滤精度的定义多孔材料大多用来做过滤材料，以过滤器的 形式应用于各行业。过滤器的过滤精度主要取决 于过滤材料的孔径和孔径分布1，因此，将过滤器 的过滤精度这一名词引入多孔材料，产生多孔材 料过滤精度的称谓。目前，我国对过滤精度的定义仍然没有制定 统一的国家标准，现有的过滤精度的定义来源于 液压行业，具体有以下四种定义2：定义 1：多孔材料（过滤器）能够滤除的固体 颗粒的公称尺寸。定义 2：多孔材料（过滤器）能够滤除按重量 计 98%的大于某一尺寸的颗粒，该颗粒尺寸值即 为名义过滤精度。有的行业采用能够滤除按重量计 95 %的大于某一尺寸的颗粒，确定名义过滤精度（也称为公称过滤精度）。定义 3：多孔材料（过滤器）允许通过的最大 颗粒尺寸，或拦截的最小颗粒尺寸，一般用最大孔 径表示，一般成为绝对过滤精度。定义 4：多孔材料（过滤器）上游单位容积中 大于某一给定尺寸的颗粒与下游单位容积中大于 同一给定尺寸的颗粒数之比即 过滤比 （也称为 值）。 = nu xndn -n1d 100% =（1- ）100%x =undx式中：x 为过滤比；x 为过滤器（多孔试样）的过滤效率；nu 为过滤器（多孔试样）上游单位体积 介质中大于规定尺寸的粒子数量；nd 为过滤器（多孔试样）下游单位体积介质中大于相同尺寸的 粒子数量。以上定义与 1992 年胡声林对液压行业过滤 器的过滤精度的定义及其存在的问题进行探讨时 所提及的四种过滤精度定义的提法基本一致，按照胡声林的探讨结果3，定义 1 的提法过于笼统、 规定的内容不完善，定义 2 的评定方法（二次大战 时期美国军工部门采用的滤油器评定方法 milf-5504a）的重现性差，定义 3 的提法不够客观准收稿日期：2013-02-05作者简介：佘勃强（1978-），男，硕士，工程师，e-mail:13571491018126.com.过滤与分离 journal of filtration & separation2013 vol.23 no.2 39 确。用 过滤比作为评定过滤器性能的指标比较符合过滤器对污染物的实际滤除能力，因此，定义4 为大家普遍认可和接纳。有的多孔材料生产厂家在对产品进行性能等 级划分是采用 =75，过滤效率 =98.6%时的颗粒 尺寸做为产品等级划分的依据，并将其称为名义 过滤精度4。2 过滤精度的评定方法评定过滤精度的方法有单次通过试验法、多 次通过试验法和小球通过法等。随着科技的发展， 多次通过试验法具有了较好的重复性和再现性， 因此，用多次通过试验法评定 过滤比来表征过 滤精度为大家逐渐接受5-8 。上世纪 80 年代初, 制 定了被大多数国家认可的 iso4572 标准，该标准 采用 acftd 空气滤清器精细试验粉尘 (air fine test dust)，并用光学显微镜对不规则形状的颗粒 测出最大长度尺寸作为颗粒大小公称直径尺寸。 随着科技的发展，自动颗粒计数器逐渐成为颗粒 计数的主要方法，自动颗粒计数器收集颗粒对光 强度的变化还可以检测出颗粒的等效投影直径， 为了适应这一变化，1999 年又新研制出 isomtd 中级试验粉尘(iso medium test dust)，并相应制定 了 iso16889：1999 标准以代替 iso4572。由于采 用的粉尘颗粒及颗粒大小公称尺寸的标定方法不 同，iso16889 的测定结果与 iso4572 的测定结果 不同。我国于 2002 年相应制定了等效 iso16889 的国家标准 gb/t18853-2002。多次通过试验法最初由美国俄克拉何马州立 大学流体动力研究中心费奇博士领导开发，后成 为美国国家标准，1981 年被纳入国际标准，是液 压技术考核滤芯过滤性能的试验方法。具体试验方法是：模拟过滤元件在液压系统内的工作条件， 在试验系统中按规定投入试验用粉末，让试验油 液以额定的流量循环通过滤芯或过滤材料，当污 染油液通过被试滤芯或过滤材料时会产生压差， 同时连续不断地向试验系统注入试验污染物，直到被试滤芯两侧的压差达到规定的极限值，与此 同时，记录被试滤芯压差随时间的变化，并在规定 的时间间隔内从过滤元件的上、下游取样点同时 取样 通过自动颗粒计数器直接对油样中的颗粒进行记数 （同时检测颗粒物的等效投影直径），来确定过滤元件对不同颗粒尺寸污染物的 过滤 比。为了保证试验结果的可再现性，iso16889 和 gb/t18853 对试验过程、油液、粉尘、流量等试验 条件均作了较为严格的规定。gb/t18853 规定试 验粉尘采用 isomtd 粉尘（iso 12103-a3，必须符 合 iso 12103-1 的规定)；采用规定性能的石油基试验油液、油液粘度 15 mm /s 士 1.0 mm /s、试验22油液的静态电导率在 1 000 ps/m10 000 ps/m 的范围内；规定典型多次通过试验中的流量为 100l/min、上游基本重量污染度预定值为 10 mg/l 。9与上述多次通过试验法不同，单次通过试验法的试验方法是加入系统的试验粉尘只通过被试 过滤元件一次，系统中油液是不循环的，被试过滤 元件上游油箱内混有试验粉尘的油液通过过滤元 件后流入下游油箱，测定过滤元件上游油液单位 体积内所含的大于某一确定尺寸的颗粒数与下游 油液单位体积内所含的大于同一尺寸的颗粒数之 比，即得 过滤比的值。表 1 是单次通过试验法与 多次通过试验法过滤比测定结果的对比。表 1 单次通过法与多次通过法测定的 过滤比值对比10粒径（m）5610.11112单次通过 多次通过 单次通过 多次通过 5.06.580.086.195.016.475.093.998.718.5200.094.699.520.7369.095.299.7由表 1 可以看出不同的试验方法 （不同的试验条件）评定的过滤精度是不同的，多次通过法测 定的 值比单次通过法测定的 值大，并且颗粒 尺寸越大，差异越大。测定结果产生差异的其原因 是两者的试验方法和过程不同，单次通过法只是 污染物一次通过过滤元件，没有从污染物堵塞微 孔积累成滤饼开始到达到极限压差滤芯寿命终止 的这段过程，而这个过程正是过滤元件提高过滤 效能的过程，因此，单次通过法测定的过滤精度值 要比多次通过法测定的低。另外，在 iso16889 和 gb/t18853 中的颗粒 尺寸大小的确定都是采用投影等效直径的方法， 该方法采用遮光原理，当一个颗粒通过传感区时，过滤与分离 journal of filtration & separation 40 2013 vol.23 no.2光被遮蔽的量是与颗粒尺寸成正比的。这种测试原理决定了它所给出的结果只是与颗粒的投影面 积相等的圆的直径，并不能表示出颗粒的实际最 大尺寸，我们分析图 1 所示两种颗粒形状的情况， 图 1（a）表示一个圆球，图 1（b）表示一长圆柱体， 当按图示方向光照时，其投影面积均等于 r2 ， 因此，自动颗粒计数器均可能将其判定为尺寸2r 的颗粒。但是，对于具有图 1（b）形状的颗粒来 说，尺寸为 r 的孔洞，它也有通过的可能，而对于 图 1（a）所示的球体，肯定不能通过。因此，过滤精 度与污染颗粒物的形状也有很大关系。iso4003（等效国家标准 gb5249）给出了烧结金属粉末多孔材料的过滤精度与最大冒泡孔径间 的的换算经验系数：对由均匀球形粒子所制作的 多孔金属约为 0.4，而对不规则粒子所制作的多孔 金属约为 0.2 13，汤慧萍等人通过试验研究进一步 给出了常用非球形金属粉末烧结多孔材料最大孔 径与过滤精度间的换算关系为 d （过滤精度）=2/3。左彩霞等人通过试验研究指出多层不锈钢cdmax纤维毡的过滤精度与最大气泡孔径呈直线关系,实验得出的经验关系为 37 000 与第一气泡点压 力之比或 0.4 与最大孔径的乘积，且上述关系只 有在高孔隙的情况下才成立，并且增加纤维毡的 单重有利于过滤精度的稳定14。过滤精度主要取决于过滤材料的孔径和孔径 分布，孔径尺寸与代表某尺寸颗粒的 过滤比值 之间是有一定联系的，其关系仍然只是一个经验 的统计关系，不能合理的从数学关系和物理意义 上解释。需要注意的是，多孔材料在过滤过程中起 主要作用的不是孔眼拦截，而是吸附和惯性碰撞 等，不同类型的多孔材料对颗粒的吸附效果是不 同的，不能相互取代，不能千篇一律地让某孔径尺 寸代表某尺寸颗粒的被阻截率，孔径尺寸不能代 表过滤精度，也不能给过滤器标称精度15。最大气 泡孔径与过滤精度间的换算关系或经验系数有一 定的局限性，在应用时要注意不同的多孔材料有 自己的经验系数，应用经验系数时一定要材质结 构和工艺方法都稳定。4 结论通过以上探讨可以得出以下结论：（1）过滤精度与冒泡孔径间具有一定的联系， 运用换算关系或经验系数可以近似地从最大气泡 孔径推算过滤精度，但是，冒泡试验只是作为一种 控制质量的试验，而不作为一种确定多孔材料性 能等级的试验，过滤精度值的最终确定必须用相 关试验来验证。在运用换算关系时还要注意不同 的多孔材料有不同的经验系数，应用经验系数时 一定要材料结构和工艺方法稳定。（2） 多孔材料的过滤精度是在特定试验条件 下基于数理统计的方法获得的具有模糊论性质的 性能指标值，其测定结果取决于多孔材料本身和光照方向光照方向姨2 r姨22r(a)r2(b)图 1 投影等效直径大小相同的不同尺寸颗粒3 过滤精度与多孔材料孔径间的关系对多孔材料孔径的测量一般有直接法或间接 法两种。直接法有显微镜观察测量法, x 射线小角 度散射测量法, 电子显微镜观察法等。间接法是利 用一些与孔径有关的物理现象, 通过实验测出各 有关物理参数, 并在孔隙为均匀通直圆孔的假设 条件下计算出孔隙的等效孔径,具体有汞压入法、 气泡法、离心力法、透过法、气体吸附法、悬浊液过 滤法等。气泡法（或称冒泡法）具有仪器设备简单、 操作容易、重复性好的优点，被广泛应用于多孔材 料的质量控制检测中,国内不锈钢、钛、镍等金属 多孔材料则主要采用这一方法,但是，此方法测出 的孔径只是等效最大孔径, 未反映出多孔材料的 真实孔径及实际过滤精度。评定过滤精度的多次通过试验法对试验装置 的要求高、试验时间长，并且对试件是破坏性的， 不便于生产厂家直接用来控制产品质量，而气泡 法作为生产质量监控的检测手段被广泛应用。因 此，研究过滤精度与最大气泡孔径之间的换算关 系或经验系数是一个非常有意义的课题12。过滤与分离 journal of filtration & separation2013 vol.23 no.2 41 测定时的试验条件（试验油液粘度、电导率；颗粒物形状、颗粒物粒度分布；试验液污染物浓度；试 验流量；等等）。因此，在过滤器的设计、使用及滤 材选用过程中，不能局限于工况要求什么过滤精 度就简单地选用同等标称精度值的滤材，还需考 虑该种滤材在过滤精度标定时的试验条件，将此 试验条件与工况条件进行对比分析，对标称过滤 精度值进行适当地修定，从而更合理地选用滤材 和确定过滤器的设计结构参数及使用操作参数。6 戴天翼.我国过滤材料的标准亟待起草与颁发j.产业用纺织品,2003（, 9）:25-26.7 戴天翼.中国过滤材料性能测试方法标准的现状及建标 工作j.产业用纺织品,2007（, 1）:31-35.8 陈景新.关于液压过滤精度标称的发展与探讨j.液压与 气动,2011（, 11）:40-45.9 gb/t18853-2002, 液压传动过滤器 评定滤芯过滤性能 的多次通过方法s.10 王同庆. 过滤元件过滤性能的单次通过和多次通过试 验比较j.过滤与分离,2000,10（2）:34-36.11 戴天翼.冒泡试验与过滤精度j.产业用纺织品,2003,（7）:15-19.12 汤慧萍,张清,奚正平,等.金属多孔材料最大气泡孔径 与过滤精度的关系j.稀有金属材料与工程,2007（, s3）:559-561.13 gb5249-1985, 可渗透性烧结金属材料 气泡试验孔径 的测定（附录 a）s.14 左彩霞,廖际常.多层不锈钢纤维毡的过滤精度研究j.粉末冶金工业,1997（, 6）:10-13.15 戴天翼.孔径尺寸不是过滤精度j.液压气动与密封,2003（, 6）:34-38.参考文献：1 奚正平, 汤慧萍, 董领锋. 烧结金属多孔材料 m. 北京:冶金工业出版社, 2009.2 张清,张正德,魏海荣.多孔材料过滤精度表征方法j.过 滤与分离,2000,10（1）:33-37.3 胡声林.过滤精度定义存在的若干问题探讨j.液压与 气动,1992（, 4）:51-54.4 左彩霞,陈清勤,杨延安,等.一种对烧结金属纤维毡过滤 等级划分的方法j.粉末冶金工业,2011（, 3）:40-44.5 戴天翼.液压过滤器过滤精度标称的现状与发展j.液 压与气动,1995（, 4）:3-6.study on the filtering precision of porous materialshe bo-qiang，dong ling-feng，wu yi-jiang，zhou ji，wang cui-cui（xian baode powder metallurgy co., ltd, xian 710201, china)abstract: the evaluation methods of filtering precision and the relationship between filtering precision