微納米纖維復合濾紙的過濾性能研究

余 嬌 王 迪 孫召霞 曾靖山 唐 敏 胡 健

（華南理工大學輕工科學與工程學院，廣東廣州，510640）

燃氣輪機在運行期間需要吸入大量空氣，混雜在空氣中的污染物進入燃氣輪機會造成設備部件侵蝕、沖蝕、結垢、冷卻通道堵塞、腐蝕等現象[1]，嚴重影響燃氣輪機的運行效率和維護保養。安裝在燃氣輪機進氣位置的過濾系統可以濾除空氣中的污染物，保障設備安全有效地運行。濾紙作為過濾系統的核心材料，其性能直接決定了過濾系統的凈化能力。根據單根纖維過濾理論，濾紙中纖維直徑越小、比表面積越大，越能提高濾紙的過濾效率[2]，因此微納米纖維被廣泛用于制備復合濾紙。

近年來用于制備微納米纖維的方法有拉伸法、模板合成法、相分離法、自組裝法等[3]。拉伸法適用范圍窄、設備要求高；模板合成法受模板限制；相分離法和自組裝法過程復雜、周期長。綜合考慮工藝可控性、纖維尺度可控性及生產成本等方面要求，這些方法均具有一定的局限性。靜電紡絲法和熔噴法均能夠連續制備聚合物微納米纖維，這兩種方法操作簡單，工藝可控性較強，是目前過濾材料領域制備微納米纖維復合濾紙的兩種重要方法。靜電紡絲法可制備直徑20～2000 nm 的纖維，制備過程是使帶電荷的高分子聚合物溶液在電場作用下流動并從噴絲口噴出形成射流，并在電場中受靜電斥力的作用使射流不斷分裂形成直徑很細的纖維，在此過程中溶劑揮發，聚合物固化形成纖維沉積在基材上[4-6]。熔噴法可制備纖維直徑200～2500 nm 的纖維，制備過程是使聚合物原料受熱熔融形成熔體，熔體經過分配流道到達噴頭前端的噴絲孔擠出，再在高溫高速氣流的牽伸作用下受到進一步的拉伸，形成超細纖維并冷卻固化沉積在基材上[7-8]。這兩種方法制備的纖維直徑小，用于復合濾紙后過濾效率高，在實際應用中的性能差異對過濾材料結構設計有重要意義，但是目前相關研究較少。劉超等人[9]采用實驗室自制靜電紡絲復合濾紙與商品熔噴復合濾紙探究了過濾時間對兩種復合材料過濾效率和阻力的影響。研究發現由于靜電紡絲復合濾紙孔徑小，過濾時間增加后其效率和阻力的變化比熔噴復合濾紙更為顯著。雖然該研究將兩種復合濾紙進行了對比，但是對于材料的最易穿透粒徑、容塵阻力變化、反吹效果等核心性能未進行系統探究。

本研究以靜電紡絲復合濾紙和熔噴復合濾紙為原料，對二者的過濾效率、過濾阻力、容塵性能和反吹性能進行系統對比，探討高性能復合空氣濾紙的結構設計機理，為進一步提升濾紙性能提供理論依據。

1 實驗

1.1 實驗材料

靜電紡絲復合濾紙、熔噴復合濾紙，廣州華創化工材料科技開發有限公司；ISO A2 細灰12103-1，美國PTI 粉末技術公司；癸二酸二辛酯（DEHS），上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 性能表征

1.2.1 掃描電子顯微鏡（SEM）分析

使用SEM（G2 Pro Y，荷蘭Phenom-World 公司）觀察濾材的表面形貌，通過Image J 軟件測量SEM 圖片中復合濾紙纖維的直徑，每個樣品測量50根纖維。

1.2.2 厚度測定

按照GB/T 3820—1997，使用手持式厚度儀（YG142，寧波紡織儀器廠）對復合濾紙的厚度進行測量。

1.2.3 透氣度測定按照GB/T 5453—1997，使用透氣度儀（FX 3300，瑞士Textest公司）對復合濾紙的透氣度進行測量。

1.2.4 孔徑分析

按照ASTM-F316—03，使用毛細流量孔徑測試儀（CFP-1100-A，美國PMI公司）對復合濾紙的平均孔徑進行測試。

1.2.5 初始過濾效率測定

按照標準EN143，使用自動濾料測試臺（8130，美國TSI 公司）對復合濾紙的初始過濾效率進行測試，測試顆粒為質量中值粒徑0.26 μm的NaCl顆粒。

1.3 分級過濾效率測試

圖1 為本研究根據相關標準文獻[10-12]搭建的單分散分級過濾效率實驗系統裝置圖[13]。其主要工作原理為：凈化后的壓縮空氣通過質量流量控制器1，以一定流量進入霧化器（3076，美國TSI 公司）產生多分散NaCl 顆粒，經干燥后進入差分電遷移率分析儀（3082，美國TSI 公司）篩選得到單一粒徑（單分散）的NaCl 顆粒，顆粒進入中和器達到玻爾茲曼電荷平衡狀態，然后與潔凈空氣混合進入夾具，含有單分散NaCl 顆粒的混合氣體進入測試管道并流過濾紙。在夾具上下游采用凝結核粒子計數器（3775，美國TSI公司）測試上下游顆粒濃度，過濾效率E(%)計算見式（1）。

式中，Ndown和Nup分別為下游和上游顆粒的數量濃度，個/cm3。

本研究中，單分散分級過濾效率測試的粒徑有20、30、50、80、100、150、200、300、400、500 nm，復合濾紙有效測試面積為100 cm2，測試面流速為5.3 cm/s。

1.4 容塵性能測試

國內外濾紙容塵性能測試標準均采用固體顆粒進行測試，但是空氣中污染物成分復雜，含有大量的固體顆粒物及油性液滴[14]，因此研究油灰混合容塵對濾紙實際應用具有指導性意義。宋強等人[15]對不同比例的油性液滴和A2細灰混合容塵時發現，當A2細灰和油性液滴的質量比為1∶1 時，濾紙容塵量最小。本研究將采用純固體粉塵和質量比為1∶1 的油灰混合顆粒物對復合濾紙的容塵性能進行研究。

容塵量測試實驗系統示意圖如圖2 所示。該測試系統主要由2個顆粒發生器（發塵器RGB1000，德國Palas 公司；霧化器AGK2000，德國Palas 公司）、中和器（CD2000，德國Palas 公司）、質量流量控制器和夾具組成。當只加載A2 細灰時，通過調節發塵器加灰速率來改變A2細灰濃度，并利用中和器使A2細灰達到玻爾茲曼電荷平衡狀態，然后與潔凈的稀釋氣體在混合室內混合，最后經過夾具流過濾紙，此時霧化器不工作；當加載A2 細灰和DEHS 油灰混合顆粒時，通過控制2個顆粒發生器的流量來調節油灰混合顆粒的濃度，然后油灰混合顆粒與稀釋氣體在混合室內混合，最后經過夾具流過濾紙。

圖1 單分散分級過濾效率實驗裝置圖[13]Fig.1 Experimental device diagram of monodisperse classification filtration efficiency[13]

圖2 容塵實驗裝置圖Fig.2 Experimental setup of loading test

容塵實驗中，加載純固體粉塵時，A2 細灰的質量濃度為1000 mg/m3；加載油灰混合顆粒時，A2 細灰質量濃度為250 mg/cm3、DEHS 質量濃度為250 mg/cm3。對應的終止阻力均為2000 Pa，測試面流速11.1 cm/s，測試面積100 cm2。

1.5 反吹性能測試

采用德國TOPAS 公司AFC 131 實驗臺，參照標準VDI3926對兩種復合濾紙的反吹性能進行測試。實驗用粉塵為A2 細灰，加灰質量濃度為1000 mg/m3，測試面流速為11.1 cm/s，測試面積176 cm2。當加灰過程中阻力達到2000 Pa時，使用噴吹壓力300 kPa的壓縮空氣對復合濾紙反吹60 ms。反吹測試循環10次，每次反吹后記錄壓差，按照GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術要求》用粉塵剝離率來評價濾紙的清灰性能。剝離率根據式（2）進行計算。

式中，K為剝離率，%；P為終止阻力（本研究為2000 Pa），Pa；Pi為第i次清灰阻力，Pa；P0為潔凈濾紙的阻力，Pa。

2 結果與討論

2.1 復合濾紙表面形貌分析

圖3 為兩種復合濾紙的SEM 圖。由圖3 可以看出，兩種復合濾紙均由表層超細纖維和基材組成，其中熔噴復合濾紙表面纖維直徑較大，熔噴纖維層較厚。經Image J軟件測得，圖3(a)入流面熔噴纖維層的纖維直徑為0.5～1.0 μm，纖維直徑分布不均勻，纖維之間結構疏松。圖3(c)入流面靜電紡絲層纖維直徑為150～300 nm，結合圖3(d)可以看出，靜電紡絲層非常薄，與熔噴復合濾紙相比纖維粗細更為均勻，纖維之間緊密搭接，形成的孔隙結構較小。

2.2 復合濾紙基本性能分析

兩種復合濾紙的基本性能測試結果如表1 所示。從表1 中可以看出，靜電紡絲復合濾紙的定量、厚度、透氣度均小于熔噴復合濾紙。熔噴復合濾紙的平均孔徑比靜電紡絲復合濾紙大，前者的平均孔徑約是后者的1.8 倍。為了能更好地觀察兩種復合濾紙孔隙結構之間的差異，將兩種復合濾紙的孔徑分布繪成柱狀圖進行對比，結果如圖4 所示。從圖4 中可以明顯看出，靜電紡絲復合濾紙的孔徑主要集中在2～8 μm，而熔噴復合濾紙的孔徑主要集中在6～16 μm。兩種復合濾紙的孔徑分布均比較集中，結合圖3可知，靜電紡絲纖維直徑細，纖維搭接比較緊密。

由表1 還可以看出，熔噴復合濾紙和靜電紡絲復合濾紙的初始過濾效率非常接近，兩種復合濾紙對0.26 μm NaCl 顆粒的過濾效率分別為60.2%和61.0%。為了比較不同應用環境中兩者的性能差異，接下來對兩種復合濾紙進行了分級過濾效率特征曲線、容塵性能和反吹性能的研究。

圖3 兩種復合濾紙SEM圖Fig.3 SEM images of two composite filter papers

表1 兩種復合濾紙的基本性能Table 1 Basic properties of two composite filter papers

2.3 分級過濾效率曲線分析

兩種復合濾紙對不同尺寸顆粒的分級過濾效率測試結果如圖5所示。在分級過濾效率曲線中，過濾效率的最低點所對應的粒徑稱之為最易穿透粒徑（MPPS）。從圖5 中可以看出，熔噴復合濾紙的最易穿透粒徑為200 nm，相應過濾效率為50.1%；靜電紡絲復合濾紙的最易穿透粒徑為150 nm，相應過濾效率為53.6%。在粒徑為20～80 nm的范圍內，兩種復合濾紙的過濾效率均呈降低趨勢，這是因為20～80 nm的顆粒在過濾時以擴散效應為主，隨著粒徑增大，過濾效率降低[16]。對于150 nm以上的顆粒，過濾以攔截和慣性碰撞為主，根據經典單纖維過濾理論，纖維直徑越小，顆粒攔截效率越高[17]，因此靜電紡絲復合濾紙過濾效率高于熔噴復合濾紙。

2.4 容塵性能分析

兩種復合濾紙加載純A2 細灰、A2 細灰與DEHS油灰混合顆粒時的阻力變化如圖6 所示。從圖6（a）中可以看出，當加載的純A2 細灰質量濃度為1000 mg/cm3（ISO 5011—2014 標準推薦濃度）時，隨著時間增加，兩種復合濾紙的阻力呈線性增長。此過濾過程可分為3 個階段[18]：深層過濾階段、過渡階段和表面過濾階段。在深層過濾階段，顆粒物被纖維捕集并沉積在纖維表面及濾紙纖維孔隙中，阻力隨著顆粒的持續捕集而逐漸增大，顆粒物在濾紙的纖維上形成樹狀結構[19]。在過渡階段，被捕集的顆粒物參與到后續的過濾過程，濾紙的阻力增大速率明顯加快。當濾紙中的有效孔道被堵塞后，顆粒物在濾紙表面形成濾餅，此時濾紙的阻力快速上升，即為表面過濾階段。兩種復合濾紙表面為微納米纖維層，加載A2 細灰時表面顆粒隨機分布并很快在濾紙表面形成濾餅，達到終止阻力時熔噴復合濾紙和靜電紡絲復合濾紙的容塵量分別為91.7 g/m2和92.0 g/m2（如表2所示），兩者差異不大。

圖4 兩種復合濾紙孔徑分布圖Fig.4 Pore size distribution diagram of two composite filter papers

圖5 兩種復合濾紙過濾效率曲線Fig.5 Filtration efficiency curves of two composite filter papers

圖6 兩種復合濾紙容塵阻力變化Fig.6 Resistance changes in loading process of two composite filter papers

表2 兩種復合濾紙容塵量測試結果Table 2 Test results of dust holding capacity of two composite filter papers

圖6(b)是兩種復合濾紙加載油灰混合顆粒的阻力變化圖。由圖6(b)可知，熔噴復合濾紙達到終止阻力所需的時間更長，熔噴復合濾紙形成濾餅所需時間約645 s，而靜電紡絲復合濾紙形成濾餅需要時間約103 s，對應的熔噴復合濾紙和靜電紡絲復合濾紙的容塵量分別為30.1 g/m2和9.1 g/m2（如表2 所示）。兩者差異原因是因為當DEHS 和A2 細灰質量比為1∶1時，DEHS 吸附在固體顆粒物上面，并在流體曳力的作用下使顆粒團呈現連續分布[15]。靜電紡絲復合濾紙表面較為平整、孔徑小，混合顆粒在流體曳力的作用下容易在其表面形成連續分布狀態，導致深層過濾時間短、壓差增長快；而熔噴復合濾紙的表面結構更疏松、孔徑更大，混合顆粒物在其表面形成濾餅所需的時間較長，但形成濾餅后阻力急劇增加。

2.5 反吹性能分析

兩種濾紙均為微納米纖維復合濾紙，在特定的應用場景可以反吹再利用。圖7是兩種復合濾紙在反吹性能測試過程中的阻力變化圖。從圖7可以看出，靜電紡絲復合濾紙完成10 次反吹的時間為1618 s，熔噴復合濾紙完成10次反吹的時間為1274 s。在前2 次反吹時，靜電紡絲復合濾紙的壓差增長快于熔噴復合濾紙，反吹2 次后熔噴復合濾紙壓差增長速度更快，并且在每次反吹后靜電紡絲復合濾紙的阻力均比熔噴復合濾紙的阻力低。原因是因為熔噴復合濾紙表面結構疏松，平均孔徑大于靜電紡絲復合濾紙，過濾時表面過濾和深層過濾共同作用，加載A2 細灰時隨著時間增加顆粒進入材料內部，導致反吹時材料內部的顆粒難以被清理[20]，因此熔噴復合濾紙后期反吹壓差增長快，達到反吹終止阻力所需時間短。

圖7 兩種復合濾紙反吹過程阻力變化Fig.7 Resistance change diagram during back blow of two composite filter papers

粉塵剝離率反映了濾紙的反吹效果，表3 是兩種復合濾紙的反吹粉塵剝離率。從表3可以看出，隨著反吹次數增加，同一濾紙的剝離率逐漸減小；反吹次數相同的情況下，靜電紡絲復合濾紙的粉塵剝離率大于熔噴復合濾紙。經過10 次反吹后，熔噴復合濾紙的剝離率由90.7%降到54.0%，而靜電紡絲復合濾紙的剝離率由91.1%降到62.6%，這說明靜電紡絲復合濾紙表面的粉塵更容易被吹落。

表3 反吹后的粉塵剝離率Table 3 Dust stripping rate after back blowing

為了探究兩種復合濾紙反吹后粉塵的剝離情況及復合濾紙結構的破壞情況，采用SEM 觀察反吹10 次后的復合濾紙，如圖8 所示。從圖8 可以看出，反吹后的熔噴復合濾紙與清潔濾紙相比，其孔隙結構已被A2 細灰堵塞，部分區域已經明顯形成濾餅。靜電紡絲層纖維直徑小，可看到反吹10 次后大部分A2 細灰留著在濾紙表面并形成塊狀團聚物，但是由于靜電紡絲纖維強度差，經過10 次反吹后濾紙表面存在明顯破洞現象，部分A2細灰從破洞處進入濾紙基材。

3 結論

本研究以靜電紡絲復合濾紙和熔噴復合濾紙為原料，對二者的過濾效率、過濾阻力、容塵性能和反吹性能進行了系統對比。

3.1 在實驗測試條件下，靜電紡絲復合濾紙的最易穿透粒徑為150 nm，相應的過濾效率為53.6%；熔噴復合濾紙的最易穿透粒徑為200 nm，相應的過濾效率為50.1%。

3.2 相同條件下加載純A2細灰時，熔噴復合濾紙的阻力增長速率小于靜電紡絲復合濾紙。兩種復合濾紙迅速進入表面過濾階段，阻力上升趨勢接近，達到終止阻力時的容塵量分別為91.7 g/cm2和92.0 g/cm2；加載油灰混合顆粒時，熔噴復合濾紙形成濾餅需要645 s，靜電紡絲復合濾紙形成濾餅需要103 s，達到終止阻力時對應的容塵量分別為30.1 g/cm2和9.1 g/cm2。在油灰混合的環境中，微納米纖維層結構疏松的熔噴復合濾紙具有更優異的容塵性能。

3.3 經過10 次反次循環后，熔噴復合濾紙剝離率由90.7% 降到54.0%，靜電紡絲復合濾紙剝離率由91.1%降到62.6%，微納米纖維層結構致密的靜電紡絲復合濾紙的反吹性能優于熔噴復合濾紙，但反吹后易出現表面層破損。

圖8 反吹10次后兩種復合濾紙的SEM圖Fig.8 SEM images of composite filter paper after back blowing 10 times of two composite filter papers