復合濾紙的研究現狀與進展

韓旭 惠嵐峰

（天津科技大學造紙學院，天津市制漿造紙重點實驗室，天津 300457）

在目前的濾紙市場中，由于對濾紙的使用時間和過濾效率的要求越來越高，單層濾紙已經逐漸不能滿足市場的需求。現在，在國內外很多濾紙生產廠家都將目光轉向多層復合濾紙，關于多層復合濾紙的相關研究也越來越多。復合濾紙屬于梯度結構濾材，通常以植物纖維、合成纖維等為原料，添加一定的化學助劑，使用干法或濕法造紙工藝及設備抄造而成[1]。纖維過濾材料具有易加工、價格低廉、比表面積大、多孔性和柔軟性好等特點，現已成為過濾材料的主導原料。截至目前，應用和研究最廣泛的復合濾紙是玻璃纖維復合空氣濾紙、熔噴纖維層復合濾紙和電紡纖維復合濾紙[2]。由于各種專用纖維和非織造布材料的高速發(fā)展，國內外的科學家們已結合一切可能采取的復合方式研究出一些高功能、高性能的復合濾紙，如采用帶電荷的熔噴布與活性炭濾料復合，可對空氣中微塵、霉菌、花粉的過濾[3]；進行了壓皺的處理并添加了碳酸鈣和乙丙橡膠粉使其在提高過濾效率的同時具有防腐功能的雙層復合燃油濾紙等[4]。本文介紹了復合濾紙的過濾機理、制備方法和影響復合濾紙過濾性能的因素，最后簡述了復合濾紙的發(fā)展趨勢。

1 復合濾紙過濾機理

復合濾紙與單層濾紙的過濾機理無明顯差別，均是采用以下幾種方式：（1）慣性運動，當氣流穿過或接近纖維時，直徑較大的粒子由于慣性會偏離正確的流線，與纖維發(fā)生碰撞導致粒子被吸附分離；（2）攔截運動，氣流繞過纖維時，若氣流中部分粒子恰好接近纖維邊緣則就會被纖維攔截吸附；（3）擴散運動，擴散運動本質為布朗運動，即粒子與氣流脫離后做布朗運動，與纖維接觸導致粒子沉積；（4）靜電作用，氣流穿過纖維時由于摩擦會使粒子和纖維產生電荷，通過電荷間的庫侖力使粒子被吸附在纖維上。

2 復合濾紙優(yōu)勢

與單層濾紙相比，多層復合濾紙的過濾性能和物理性能都發(fā)生了改變。黃鋮等依據多層復合濾紙和單層濾紙間透氣率的關系（1/T=1/T1+1/T2+…+1/Tn）發(fā)現：在濾紙復合后透氣度減小并小于每一層，且復合濾紙的厚度與各單層濾紙厚度之和大致相等[5]；復合濾紙的平均孔徑小于各單層中平均孔徑最小的那層[6]。趙璜等[7]研究發(fā)現，大幅度增加濾紙層數可以使孔徑大、定量小的薄型濾紙的過濾效果增強。濾芯中薄型濾紙層數高達幾百甚至幾千層就是為了提高過濾效率。在油水分離時，復合濾紙的油污堵塞要輕于單層濾紙；復合濾紙的納污容量要高于單層濾紙，過濾時間也比單層濾紙要長。趙璜等[7]的研究還表明，液壓油過濾時使用這種雙層濾紙卷繞而成的紙卷式濾芯，會使納污容量大幅度提升；過濾精度可髙至0.3 μm左右。總的來說，在過濾性能上復合濾紙與單層濾紙相比具有4大優(yōu)點：（1）使用壽命長；（2）強度高；（3）阻力上升幅度小；（4）過濾效率高。此外，濾紙復合后還附加了一些特殊的性質，例如：金鑫等[8]發(fā)明了一種具有抗污性的雙層復合燃油濾紙，它可以和污染物形成穩(wěn)定的包絡物，從而減少環(huán)境污染。陳登宇[9]發(fā)明了一種含石棉纖維的雙層復合燃油濾紙，在制備過程中添加了石棉纖維，所以大大提高了濾紙的耐高溫性能。吳迪等[10]研究出一種阻燃抗菌復合空氣濾紙，此濾紙以無堿玻璃微纖維和竹漿為基本原料，添加海泡石和殼聚糖、檜柏油等增加阻燃性和抗菌性。這些物質既不會對人體造成危害，也不會對環(huán)境造成污染。

3 復合濾紙制備方法

以更低的成本生產更高質量的紙是造紙工業(yè)長期追求的目標之一，紙的多層成型技術正是由于具備上述的優(yōu)點而越來越受到造紙界的關注和重視[11]。國內外關于多層紙張復合成形已有系統的研究，紙頁復合的方法有多種，包括在不同網籠上使用不同漿料的多圓網紙機，然后進行壓榨變成層狀產品；使用具有多個流漿箱的長網紙機；用三層流漿箱，每層為不同的漿料等[12]。早期多層紙張復合成形是采用多個流漿箱和多個成形網，通過各層獨立成型再復合成多層紙頁。Meinander等[13]設計的多層紙張復合成形方法就是利用多個流漿箱和多個成形網，分別先后成形后再復合；吳安波[14]設計的納米纖維復合空氣濾紙，也是先分別制備上過濾層與下過濾層后再貼合，最后復合一層納米纖維；Kinnunen等[15]設計的三層復合成形也是采用三個流漿箱和三個成形網，三層紙頁先后成形，只是流漿箱和成形網的相對位置有變化，導致三層紙頁成形的順序不同而已。但是這樣不僅麻煩，占用空間大，而且增加了設備的投入資金，所以逐漸被生產廠家淘汰了。

當前，生產多層紙頁大多采用多層成型流漿箱一次多層成型。一次多層成型是指紙料經多層流漿箱形成分層漿流，在成形網上逐層有序一次脫水成型復合多層濕紙頁。這種工藝的主要特性是流漿箱與層間液相復合，層間存在混合區(qū)，所以層間結合強度好像與單層一樣，不分層起泡[16]。一次成形生產出多層紙或紙板，這給多層復合紙或紙板的生產帶來了很大的便利。多層流漿箱在具有單層流漿箱的優(yōu)點的同時也保持多層流動的特點。多層流漿箱需要持續(xù)提供處于良好分散狀態(tài)的多層漿料流進成形網內成形，同時要盡量避免層間混合。流漿箱內含有多個流道適用于多層漿料使用，每條流道內都配有對相應漿料進行布漿和調勻的錐管布漿器和管束，使各層漿料可以處于良好的分散或穩(wěn)定流動的狀態(tài)，每層漿料在最后的噴嘴加速區(qū)的末端匯合，之后進行脫水[16]。多層成形由于成形紙頁結構的特殊性，一般采用雙網成形器進行脫水。雙網成型器的主要元件是一個表面開孔的真空成形輥，真空成形輥被內外網呈C型包覆，流漿箱噴出的漿流進入內外網之間的楔形空間內，依靠真空輥產生的真空壓力和其轉動時產生的離心力對濕紙幅進行雙面脫水[17]。Page等[18]指出，瑞典造紙廠在抄造掛面紙板時與單層成型方法進行對比，在添加廢紙漿時的單層成型紙的性能下降20%左右，而利用Beloit Converflo流漿箱三層成形方法時紙的性能僅下降了6%。利用多層流漿箱一次成型可使層間無氣泡、強度好，既簡化工藝流程，同時也為環(huán)保生產紙材料提供了思路[19]。飄片是多層成形流漿箱的一個重要部件，它是全幅寬的導流片，一般由聚碳酸酯材料制成，一直延伸到唇板末端，在唇板區(qū)形成薄的收斂流道。它除了在漿流中產生湍動或剪切力之外，還限定了收斂漿流的流道，并把漿流分隔成若干單獨的漿層[20]。戴勤江[21]曾介紹過Beolit公司的斂聚式流漿箱，這是一種逕流式管束一飄片組分層薄漿道流槳箱，其堰口寬5638.8 mm，流漿箱內有兩個勻整分配區(qū) （又稱節(jié)流擴散裝置），分配區(qū)之間有擴散穩(wěn)定室、無氣墊和勻漿輥。該流漿箱中第一分配區(qū)由多層錐形擴散管組構成，第二分配區(qū)由飄片和孔板構成。這種流漿箱的流道可以保持漿料均勻分散，具有均勻流態(tài)；可以防止橫流，改善紙頁勻度；提高紙頁強度。多層流漿箱的發(fā)展為多層紙頁的形成提供了很大的便利。但是，多層流漿箱同樣存在著關鍵的技術問題，即噴出的多層漿料會因為渦流的產生或是湍流而導致層間混合，嚴重影響了多層紙頁的質量。Lloy等[22]的研究也證實存在層間混合現象。

近年，國內濾紙業(yè)已逐漸向多層復合型濾紙發(fā)展。對于多層復合濾紙的工廠生產，一些多層復合紙和紙板的研究成果具有重要的參考價值。但是，由于多數實驗室并沒有足夠的空間和充分的條件，所以在實驗室中通常會采取簡化后的制備方法，主要有以下兩種：

第一種復合濾紙簡化制備方法的流程見圖1。首先，按照單層濾紙的制備工藝先分別制備好第一層和第二層，在濕紙狀態(tài)下將兩層疊合在一起，盡量避免層與層間的氣泡；然后，按照單層濾紙的制備工藝制備第三層，在濕紙狀態(tài)下與復合好的前兩層直接疊合在一起，盡量避免層與層間的氣泡；最后，將三層復合濾紙放入弧形干燥器中干燥[23]。

圖1 三層復合濾紙制備工藝流程1

第二種復合濾紙簡化制備方法的流程見圖2。首先，稱取相應質量的漿1和漿 2，并用纖維解離器進行疏解；先將入流面層的纖維原料加入動態(tài)紙頁成形器中噴漿上網，待入流面層的纖維原料噴完后不進行抽真空，讓轉筒繼續(xù)轉動，然后將出流面層的纖維原料（漿3和漿4）加入動態(tài)紙頁器中噴漿上網，使?jié){料覆蓋在出流面層上；待出流面層的纖維原料完全噴完后進行抽真空，取下復合濕紙頁進行干燥處理，在干燥過程中不進行加壓處理[24]。

圖2 三層復合濾紙制備工藝流程2

4 復合濾紙過濾性能的影響因素

4.1 過濾材料

20世紀70年代，高性能復合過濾材料大多是利用植物纖維與合成纖維制備得到的。80年代末開始，陸續(xù)有了一些關于多層復合濾材的相關報道，主要是將不同過濾性能的過濾材料通過層層復合以達到提高過濾性能的目的。研究人員從最初的單一植物纖維，到植物纖維與合成纖維合成，再到把無紡布、桑皮紙等非織造纖維應用于濾紙復合，這期間取得了很多成就。植物纖維是制備濾紙的主要原料，不同種類纖維的性能大不相同，即使同一種類的纖維，出產地不同，其性能也不相同。不同性能的纖維原材料可以抄造出符合不同要求的濾紙。如濾紙中摻用一部分棉漿或龍須草可以改善過濾性能；摻入一部分玻璃纖維、聚酯纖維等可以提高使用壽命；加人一部分硫酸鹽針葉木漿等可以改善濾紙的強度[25]；通過闊葉木漿用于表層可提高柔軟度，針葉木漿可提高強度和松厚度使其達到要求[26]。但是只用植物纖維也會存在很多不足，例如闊葉漿細短、根數多、單位重量體積大、最大孔徑小，但是孔隙率很低。在生產某些高性能濾紙時，以植物纖維為主，同時搭配一些合成纖維、無機纖維、人造纖維，可在提高濾紙的性能的同時滿足一些特殊要求，如阻燃性、抗菌性等。吳安波[14]發(fā)明一種納米纖維復合空氣濾紙，即在過濾層上復合一層納米纖維素，可以既保證濾紙的透氣度和過濾效率，同時提高濾紙的防水性。朱勇等[27]在玻璃纖維和植物纖維復合的基礎上又復合了一層碳納米管，從而開發(fā)出一種可以高效過濾的功能性濾紙，這款濾紙具有抗菌、阻燃的特性。楊振威[28]研究通過濕法造紙的方法，加入相應的化學試劑，制備玻璃纖維紙。玻璃纖維直徑小，可優(yōu)化過濾精度；玻璃纖維模量高，纖維不易聚集，堆積密度低，過濾阻力低。因而可生產出具有高效率、低阻力性能的玻璃纖維空氣過濾紙。重慶市造紙工業(yè)研究設計院研制出一種復合增強玻璃纖維空氣過濾紙，這種濾紙采用無紡布等非織造布纖維類的高韌性材料與玻璃纖維復合，在增強過濾性能的同時，使濾紙具有抗水防霉等性能[29]。

4.2 層間阻力

目前關于濾紙的研究已證實，不論是空濾還是油濾，多層復合濾紙的過濾性能和使用壽命都強于單層濾紙，但是多層濾紙每層之間存在阻力會對濾紙的過濾性能產生影響。Cameron[30]在研究多層復合濾紙時發(fā)現，一定范圍的阻力比可以導致過濾介質具有有利的特性，諸如高的污物容納能力或高的過濾效率，同時還可以保持相對低的總基重。這種特性可以使過濾介質用于各種應用中。以三層復合濾紙為例，當第一層和第二層阻力一定時，第二層與第三層阻力比的增大會導致復合濾紙的納污容量呈下降趨勢，但是對過濾精度沒有顯著影響。他認為第一層與第二層的阻力比在1∶1～1∶6之間，第二層與第三層的阻力比在1∶1～1∶4之間最佳，這為復合濾紙的層間設計提供了很好的思路。黃鋮[6]研究發(fā)現當第一層、第二層、第三層阻力比為1∶2∶3時，三層復合濾紙可達到最高的納污容量和相對較高的過濾精度。合理設計多層復合濾紙的層間阻力比，會大大提高濾紙的過濾性能。

4.3 各層孔徑變化

影響過濾材料過濾作用的主要因素是孔徑尺寸及分布，高過濾精度就是通過孔徑通道來實現的。在多層復合濾紙的研究中，也有研究表明多層復合濾紙各層孔徑結構的設計會影響濾紙的過濾性能。劉振等[31]研究了各層孔徑變化對3層復合濾紙過濾性能的影響，認為平均孔徑不能決定復合濾紙的過濾性能，需要進一步研究各層的孔徑分布。Nagy等[32]研究了固氣過濾過程中多層過濾材料的孔徑設計，認為頂層選用孔徑大的過濾材料便于提高容塵量，中層可以選用小孔徑濾材用于提高過濾精度，底層選用大孔徑濾材起支撐作用。陳鋒等[33]認為孔徑遞減的復合濾材可以保證濾材的過濾效率和容塵量?？讖竭f增的復合濾材的前兩層可以達到較高的穩(wěn)態(tài)飽和度，提高濾材的穩(wěn)態(tài)過濾性能。同時這種孔徑設計可以防止出現液滴二次夾帶現象，適用于氣液聚結過濾器。不同的過濾器可選用不同的孔徑設計以達到最佳的過濾效果，可根據實際情況設計不同的孔徑分布。

4.4 定量比

在復合濾紙中，可分為過濾層和精濾層。因此，過濾層和精濾層的定量比會影響復合濾紙的過濾效率。Cameron[30]的研究表明，復合濾紙不同層間的定量比可以根據過濾介質的實際特性而變化。在一些實例中，過濾介質（如預過濾層）的上游層具有比下游層（如主過濾層）更大的定量。例如，上游層和下游層之間的定量比例可以大于1：1、大于1.5：1或大于2：1。在其他實例中，過濾介質的上游層也有比下游層更小的定量，如上游層和下游層之間的定量比例可以小于 2：1、小于 1.5：1 或小于 1：1。 而在某些具體的實施方案中，上游層和下游層的定量比為1：1。杜齊等[24]研究發(fā)現，復合濾紙的容塵量隨濾紙層間定量比的減小而減小。當定量比由3：1下降到2：1時，復合空氣濾紙的容塵量有一定程度的下降。當定量比由3：1下降到1：1時，復合空氣濾紙的容塵量下降更加明顯，但是過濾效率的變化不明顯。所以，濾紙層間定量比的變化對濾紙容塵量的影響較大，對濾紙過濾效率的影響較小。

4.5 孔隙率

濾紙中孔隙體積占總體積的百分數就是孔隙率。對于單層濾紙，孔隙率和孔徑分布共同影響濾紙的容塵量。當孔徑分布相近時，孔隙率影響濾紙的容塵能力，孔隙率越大，濾紙容塵量越高，過濾效率就越高；當孔隙率相近時，濾紙的孔徑分布影響濾紙的容塵量，孔徑分布主要集中在小孔徑的濾紙容塵量低于孔徑分布主要集中在大孔徑的濾紙[34]。對于復合濾紙，過濾層的孔隙率對復合濾紙的容塵量及過濾效率的影響較大。當精濾層一定時，過濾層的孔隙率越大，復合濾紙的過濾效率越高。杜齊等[24]發(fā)現，當濾紙過濾層孔隙率的增大后，顆粒物通過過濾層沉積不易使復合濾紙表層堵塞，使濾紙的容塵量增大，濾紙的過濾阻力緩慢升高。所以，當出流面即精濾層一定時，提高孔隙率可以有效地提高復合濾紙的容塵量，同時有效地降低復合濾紙的過濾阻力。結合不同的濾材的特殊性能，增大孔隙率也可以提高濾紙的其他性能，例如透過性。

5 結語

已有研究證明，傳統的單層濾紙不能同時滿足良好的過濾精度和較長的使用壽命。而多層復合濾紙可以同時滿足良好的過濾精度和較長的使用壽命。所以，多層復合濾紙將逐漸取代單層濾紙，市場前景廣闊。利用多種工藝將多種過濾材料進行復合，可以使濾紙獲得特殊的性質，將成為當今復合濾紙的發(fā)展趨勢，科研工作者們也都在為通過各種過濾材料有效復合成濾紙而不懈努力。