静电驻极空气过滤材料空气过滤材料及其技术进展

静电驻极空气过滤材料空气过滤材料及其技术进展 近些年来，随着国内外对环境保护力度的逐步加大和高技术产业的发展需要，高效空气过滤设备的应用领域正加速拓展，作为过滤设备核心的过滤材料，其研究和开发也得到了空前的重视。本文主要介绍了近年来国内外空气过滤技术的发展状况及取得的成果，以及在其研究与发展过程中有待研究解决的问题，并提出了该类产品的发展趋势。 Booming of hi-Tech industries and stricter environmental standards have promoted the development of industrial HEPA air-filter, as well as its key ponentfilter material. This article mainly introduced the ststus quo of air-filter technology at home and abroad, taking some high-performance products as examples, and pointed out the future of this industry. 随着工业的迅猛发展，人类生存环境不断受到挑战，其中之一就是空气污染；同时，现代科学和现代工业，特别是电子、精密机械、冶金、宇航、核能、化工等工业以及医疗、制药、食品等行业的发展，对工艺环境的空气洁净度也提出了更高的要求。目前，解决空气质量问题最有效的方法就是空气过滤。 1空气过滤技术的发展概况 过滤，就是使流体通过过滤介质把所含的固体颗粒或有害成分分离出去的过程。主要有液 ? 固、气 ? 固、液 ? 气相的分离。过滤方式有滤芯、滤网、滤布、滤纸、滤袋和膜；过滤介质主要有纤维滤料、复合滤料和功能性滤料等。 纤维滤料具有比表面积大、体积蓬松、价格低廉、容易加工、多孔性和柔性等特点，现已成为空气过滤材料的主导产品，使用原料包括天然纤维、合成纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、金属纤维等。 复合滤料是将不同性能的纤维交织在一起形成的滤料，以克服单一纤维滤料在性能上的缺陷。如玻璃纤维与涤纶复合滤料，可兼具玻璃纤维滤料的耐高温、耐腐蚀、高强度、低阻力，以及涤纶的耐折、耐磨性好等优点。 功能性滤料是针对特定行业（如耐高温、耐腐蚀、抗静电、拒水、拒油、阻燃、清除有害气体等）而开发的空气过滤材料，正越来越多地应用于工业烟气处理、室内空气净化等领域。 20世纪80年代以前，空气过滤材料的分级大体分为初效和中高效两种过滤级别，HEPA 过滤材料的过滤效率一般要求高于 99.97%，故人们认为它已经能够满足使用要求；80年代以来，随着新的测试方法的出现，使用评价技术的提升以及对过滤材料要求的提高，人们发现HEPA过滤材料存在一些问题，于是新一代的ULPA过滤材料应运而生，它对 0.12 m的粒子过滤效率高于 99.999%；进入90年代以后，美国的Lydall公司从应用的角度对过滤材料的分级重新进行了调整，将过滤材料分为 4 级，即Class 1000 ASHRAE、Class 2000 Prefilter /Hospital、Class 3000 HEPA和Class 5000 ULPA，其中后两者属于高效过滤材料。 按照我国国家标准GB/T14295 xx空气过滤器和GB13554高效空气过滤器标准的规定，在额定风量下空气过滤分为粗效、中效、高中效、亚高效和高效，其中高效过滤是对粒径 0.1 mm的粒子的过滤效率 99.999%。 近年来，随着科技的发展和新型纤维材料的出现，空气过滤技术在滤料的研制及开发、过滤机理的研究及过滤设备的开发与应用等方面都取得了很大的发展。 2空气过滤技术的发展 空气过滤理论分为经典过滤理论和现代过滤理论。前者主要以“单一纤维模型”为基础，认为材料的过滤效率由 3 种机制决定，即惯性效应、截留效应和扩散效应，整个颗粒的捕集依靠多种捕集机理的联合作用；后者证明了惯性沉淀的正确性和最大穿透力粒子的存在，认为过滤效率是截留效应、布朗扩散效应、重力效应、沉淀效应与压力效应的集合，过滤可能存在的机理为拦截、惯性碰撞、扩散、静电效应、库仑吸引 ? 排拆、映像力、电泳力和沉淀（重力）。 作为过滤材料必须满足 3 个基本要求：适当的气流速度、稳定的产品质量和优越的物理化学性能。用纤维制品进行气体过滤的优势在于其孔径的大小和纤维的形状可广泛地进行选择，并能进行结构设计。两种或两种以上的纤维可以形成强力和过滤性能较好的织物；采用不同的纱线和编织方法可生产出织物组织松紧度不同的机织过滤材料，并可确定孔径的大小。纤维过滤材料还具有结构和操作简单、能耗低以及收集物处理方便等优点，尤其是当粒径 1 m时更为明显。 纤维过滤材料可以是机织物、针织物和非织造材料，其中非织造材料在气体过滤中应用最为广泛（占所有过滤材料的 70% 左右）。在非织造材料中，由于不必考虑编织方法、纱线捻度、编织密度等因素，单根纤维的性能就起了决定作用。 3高效过滤材料的研究现状 3.1国外发展现状 随着西方工业的发展，特别是合成纤维的出现，作为过滤烟尘的纤维过滤材料，不再靠单纯的纺织工艺提高滤料的性能，而是引入了物理和化学的加工、处理方法，使滤料的强度、耐热、耐腐、透气、阻燃等性能显著提高，价格更加低廉，品种日趋多样化。至20世纪80年代，欧美已研制出一些性能更加优越的纤维滤料，如美国Gore（戈尔）公司生产的聚四氟乙烯（PTFE）覆膜滤料能够高效地捕集亚微米粒子；由美国唐纳森公司研发的褶皱滤料过滤面积比普通滤料大数倍，而今已经能够过滤数百摄氏度的高温烟气。纤维滤料发展到今天，不仅可以接近 100% 地过滤超细粒子，而且可以过滤高温甚至粘性较高或湿度较大的烟尘。 目前，国外过滤材料的研究、生产、测试和应用已形成一个较完整的系统。其高效空气过滤材料的研究开发已经向采用高技术高性能纤维（如玻璃纤维、聚四氟乙烯、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维、金属纤维等）开发非织造过滤材料、复合膜技术过滤材料和高功能过滤材料的方向发展。 3.2国内开发现状 我国的高效过滤材料和袋式除尘技术是同步发展的。20世纪70年代开发了玻璃纤维机织滤料、208涤纶绒布、729聚酯机织滤料。80年代初，随着非织造材料的发展，又研制成功了合成纤维针刺毡，使袋式除尘器的除尘效果提高了一个数量级；之后，又研制成功了芳砜纶针刺毡滤料，可耐 210 的高温，并应用于钢铁、有色、炭黑等工业的高温烟气处理；防静电、耐高温、抗腐蚀、防油防水等合成纤维针刺毡产品的开发和生产基本满足了除尘的需求。90年代后期，我国又开发了聚四氟乙烯微孔覆膜滤料，实现了表面过滤，达到高效低阻的效果。目前我国已能生产玻纤机织布、常温化纤针刺毡、防静电针刺毡、防油防水针刺毡、耐高温耐腐蚀针刺毡、驻极熔喷过滤材料、各种玻纤滤料及聚四氟乙烯覆膜滤料等。 目前，我国高效过滤用纤维的研制仍处于起步阶段，多数依赖进口。例如目前用于高炉煤气净化的国产耐高温滤料品种较少，使用纤维的品种主要集中在玻璃纤维和间位芳纶两种原料上。水泥、电力、钢铁、垃圾焚烧等行业除尘应用的P84纤维主要依赖进口，价格昂贵；PPS（聚苯硫醚）纤维目前国内已能批量生产；PTFE目前国内已有公司生产，在垃圾焚烧炉袋式除尘器和火电厂燃煤锅炉袋式除尘器上都有应用。虽然如此，高端滤料市场主要还是为美国和欧洲一些国家和地区的滤料公司所垄断，在新建的大型项目上更是如此。 与世界上先进的高效过滤材料相比，我国的过滤材料尽管在过滤效率和机械强度等指标上能够达到甚至超过他们的水平，但是在整体上还存在一定的差距，主要是材料均匀度差，抗形变能力普遍较差，防水、防火、防霉等特殊性能的研究还不够深入。 4新型高效空气过滤材料 近年来，高效空气滤料的发展很快，品种繁多，性能各异，主要有以下几大类型。 4.1高效、高性能滤料 （1）加厚型膨体玻纤布过滤材料。 （2）各种耐高温纤维滤料：P84纤维、PPS纤维、芳香族聚酰胺纤维、预氧化碳纤维等分别和玻纤混配复合，制成针刺过滤毡滤料。 （3）覆膜滤料：表面经覆膜形成光滑面，其除尘机理为微孔筛滤，除尘效率高，对极细的粉尘也十分有效，粉尘剥离性能好，并且能够在高温下工作。 （4）驻极熔喷非织造滤料：使用驻极熔喷非织造材料制成的滤料具有过滤效率高、容尘量大、空气阻力小、过滤效率随时间衰减不明显及价格便宜等优点，这种材料在通风、空调和净化工程中具有广阔的应用前景。另外，使用聚丙烯生产的熔喷滤料化学稳定性高，吸湿低。同时在需要深层过滤的情况下，熔喷非织造材料因其纤维细、比表面积大、空隙率高以及优良的深层过滤效能等特点，被认为是最具有前途的过滤材料。目前国际上有预防病毒功能（包括SARS病毒）的手术口罩（N95、N97、N99）中就采用了这种过滤材料。 4.2超高温滤料 采用此类滤料对工业生产中产生的各类高温烟气过滤不必预先冷却，但滤料价格昂贵，主要用于温度环境十分恶劣的场合，用量很少。 （1）金属纤维针刺毡：可在 300 600 的高温下使用，一般使用温度为 450 ，产品包括不锈钢针刺毡等。 （2）高硅氧滤料：这种滤料由一种特殊的玻璃纤维制成，可在 600 的高温中长期使用，最高使用温度达 800 。 （3）陶瓷纤维滤料：此类滤料可在 760 下长期使用，最高使用温度可达 1 000 。 4.3触媒涂层滤料 触媒涂层滤料是在滤布表面涂覆脱氮触媒，使滤料具有除尘与脱氮功能，若与碱性吸收剂并用，还可除去酸性气体，如二氧化硫、氮氧化物等