復(fù)合空氣濾紙研究進展

姚麗菲，陳 萍，惠嵐峰

(中國輕工業(yè)造紙與生物質(zhì)精煉重點實驗室，天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津，300457)

濾紙也稱為過濾紙，由無機纖維、植物纖維和合成纖維中的一種或多種原料制成，并在其中加入合適的化學(xué)添加劑和填料。濾紙不僅可以從氣體中去除有害的灰塵、煙霧、毒物等，還可以從液體中分離出污染物顆粒，同時阻隔細菌和微生物[1]。 因此，濾紙根據(jù)使用場所的不同通常分為空氣濾紙和液體濾紙。

復(fù)合空氣濾紙主要是指用于空氣濾清器的濾紙，其油霧效率接近百分之百，主要用于過濾1μm以下的顆粒，其中包括1×10-5cm 至5×10-7cm 的氣溶膠顆粒。 由于現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，環(huán)境污染已成為嚴重威脅人類生命和健康的主要因素， 優(yōu)質(zhì)空氣凈化效果的新型濾料已成為研究和開發(fā)的熱點[2]。 因此，迫切需要制造一種高效的過濾裝置，能有效地過濾有害氣體，防止空氣中的有害氣體流入人體。

1 復(fù)合空氣過濾紙的發(fā)展概況

空氣濾紙首次出現(xiàn)在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時，當(dāng)時已經(jīng)開始對空氣濾紙進行研究， 并在法國，德國， 前蘇聯(lián)和其他國家使用。 空氣濾紙主要配備在有軍事指揮和防空設(shè)施的地點， 對空氣進行過濾以防止這些大型軍事設(shè)施受到有毒煙霧和放射性物質(zhì)的攻擊。 20 世紀50年代起，西歐、英國、美國、日本和其他國家迅速發(fā)展了空氣濾紙的研究和生產(chǎn)，1960年開始， 美國對工業(yè)潔凈室的使用達到了高潮，在20 世紀末期，日本在精密機械、電子工業(yè)中潔凈室的普及率已經(jīng)達到100%， 此后還成功開發(fā)出了10 級的0.1 μm 潔凈室[3]。

從1950年開始，中國啟動了空氣濾紙的研究工作。 在軍事工業(yè)的早期， 開發(fā)了高效的空氣過濾器并將其用于冶金、電子、航空和其他生產(chǎn)領(lǐng)域的清潔工廠建設(shè)。 1970年后，空氣凈化技術(shù)取得了巨大的進步， 在此基礎(chǔ)上開發(fā)了在實際生產(chǎn)中廣泛使用的許多凈化設(shè)備、凈化工作臺和相關(guān)檢測設(shè)備。 80年代中期，凈化技術(shù)獲得從量到質(zhì)的突破性、開創(chuàng)性進展， 特別是0.1 μm 過濾效率為99.9995%的高效空氣濾紙和0.3 μm 的潔凈隧道無隔板空氣濾紙的研發(fā)為超大規(guī)模集成電路的開發(fā)創(chuàng)造了條件[4]。

空氣濾紙在中國乃至世界范圍內(nèi)的快速發(fā)展和廣泛使用與工業(yè)技術(shù)的迅速創(chuàng)新密不可分。 然而，單層空氣濾紙在過濾效率等方面已經(jīng)不能很好滿足生產(chǎn)和生活需要。 近年， 精密機器和電子設(shè)備制造的快速發(fā)展提高了對生產(chǎn)和生活環(huán)境的要求， 故利用復(fù)合空氣濾紙使空氣中的灰塵量最小化， 以建立一個潔凈室并提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性是非常有必要的。 復(fù)合空氣濾紙的性能直接反映在清潔設(shè)備的凈化能力上，清潔設(shè)備的凈化水平與現(xiàn)代科學(xué)、高科技以及現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和產(chǎn)量密切相關(guān)，并對其發(fā)展有重大影響。 因此，工業(yè)化國家特別重視凈化技術(shù)的發(fā)展， 這是評判科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新和工業(yè)水平高低的重要指標。

2 復(fù)合空氣濾紙濾材的選擇

近年來， 隨著的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)需求和人們對生活環(huán)境要求的提高，對空氣潔凈度的要求越來越高，復(fù)合空氣濾紙各層對于新型優(yōu)質(zhì)過濾材料的使用成為科研工作者研究開發(fā)的熱點。 其中包括無機纖維(玻璃纖維、陶瓷纖維等)，植物纖維及合成纖維(聚乙烯醇、聚氯乙烯一醋酸乙烯和惡二唑纖維等)。

2.1 玻璃纖維

玻璃纖維通常用作復(fù)合材料、電絕緣、熱絕緣、印刷電路板等的增強材料， 并廣泛用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。 同時， 它是一種具有優(yōu)異性能的無機非金屬材料， 也是高科技發(fā)展必不可少的基本材料。第二次世界大戰(zhàn)后，玻璃纖維被廣泛使用，多年的實驗研究表明玻璃纖維及其復(fù)合材料是高質(zhì)量的高溫防腐過濾材料。 因此， 由玻璃纖維原料制成的復(fù)合空氣濾紙越來越受歡迎。

在抄造復(fù)合空氣濾紙時加入少量玻璃纖維能有效提高其過濾效果， 這是由玻璃纖維本身優(yōu)異的性能決定的（包括物理性能和化學(xué)性能）。

表1 給出了玻璃纖維、碳纖維、部分常用紡織纖維和金屬材料的主要性能， 通過對比觀察表內(nèi)各項數(shù)據(jù)可以得出玻纖的基本物理性能。

表1 玻璃纖維、碳纖維、部分常用纖維和金屬材料的物理性能

通過表1 的對比可知， 玻璃纖維比有機纖維致密，但低于金屬纖維；玻璃纖維的抗拉強度高，斷裂強度是相同重量的鋼絲的2～4 倍。 玻璃纖維不會因環(huán)境溫度的變化而變形， 最大伸長率僅為3%[5]；玻璃纖維的硬度與獨特的脆性相結(jié)合， 形成了出色的低彎曲阻抗性。 這些特性充分證明玻纖在復(fù)合空氣濾紙制備方面有著絕對的優(yōu)勢， 是不可多得的優(yōu)良濾材。

在化學(xué)性能方面，玻璃纖維是截面呈圓形，筆直且直徑不變的一種無機纖維，它能制得很微細，密度比天然纖維或大多數(shù)合成纖維的密度高， 并且不會引起燃燒。 因此，它具有非常好的耐熱性，可用溫度范圍也較大。另外，玻璃纖維不具有天然纖維的潤脹或帚化現(xiàn)象，并且對腐蝕性化學(xué)物質(zhì)(例如酸和堿)具有良好的阻抗作用， 這使得玻璃纖維成為極好的過濾材料。盡管玻璃纖維具有許多優(yōu)點，但由于其自身的化學(xué)特性(如柔軟性和耐磨性差)和制造成本相對較高的問題[6]，通常選擇一些其他具有良好強度的植物纖維與玻璃纖維進行混合抄造以獲得具有良好性能的過濾材料。另外，玻璃纖維在水中的分散性差也是阻礙其成為最佳過濾材料的障礙， 故在進行混合抄造時需要對其進行一系列的處理使其成為較理想的玻璃纖維懸浮液， 再與植物纖維充分混合抄造復(fù)合空氣過濾原紙[6]。

2.2 植物纖維

天然植物纖維具有價廉質(zhì)輕、 強度和比剛度高等優(yōu)良特性。 但由于天然纖維功能單一及應(yīng)用領(lǐng)域狹窄， 因此針對改善天然植物纖維性能的研究引起了廣泛重視。大量實驗研究表明，通過化學(xué)溶液絲光化處理獲得的不同形態(tài)天然纖維能廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。 因此，以可再生和可降解的天然纖維為基材，進行功能化處理改性研究是現(xiàn)代科技的發(fā)展趨勢。

為了進一步提高濾紙的過濾效率和集塵能力，要求濾紙的質(zhì)地比較松散，且阻力越低越好。這時僅靠調(diào)控打漿度和篩除細小纖維已經(jīng)不能很好的滿足要求，因此需要部分或全部使用纖維形態(tài)彎曲、富有彈性的絲光化漿[7]。

絲光化處理是用特定濃度的堿液浸漬纖維的過程。 一般的絲光化條件是：液體比例為1：6，NaOH 濃度為160 g/L，常溫條件下，處理時間30～60 min。 植物纖維絲光化處理后得到充分潤脹， 堿液擴散到纖維的細胞壁中， 溶解并除去纖維素結(jié)晶部分中的半纖維素、樹脂和色素，纖維的無定形區(qū)域部分溶解，縮短了纖維的長度，增大了扭曲指數(shù)，減少了紙漿中細小纖維的含量。 絲光化處理后，纖維變得光滑、圓潤和扭曲，這有助于改善紙的透氣性[8－9]，是制備復(fù)合空氣濾紙的主要濾材之一。

2.3 合成纖維

合成纖維是化學(xué)纖維的一個種類。 合成纖維與人造纖維的顯著不同之處在于， 人造纖維是以天然纖維素纖維為原料制成， 而合成纖維則以合成高分子化合物為原料制成。 近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)了越來越多的適用于合成纖維生產(chǎn)的聚合物，在此基礎(chǔ)上合成纖維的類型也在增加。特別是在研究中發(fā)現(xiàn)了一些具有特殊性能的合成纖維，這些纖維具有改善濾紙過濾性能和強度的特性，并且還可以賦予濾紙以特殊的特性。 使用合成纖維制造濾紙是濾紙工業(yè)發(fā)展的方向之一。

合成纖維具有表面光滑、 密度低和彈性高等特點。 表面光滑可以減小過濾過程中濾紙的阻力并提高過濾效率，如果纖維的粗細長短和重量相等，密度低則纖維的數(shù)量多、 體積大、 有利于降低濾紙的緊度，提高流體的透過性。 PVA(聚乙烯醇)、維榮（聚氯乙烯-醋酸乙烯）和惡二唑（聚間/對苯-1，3，4-惡二唑）纖維具有出色的化學(xué)纖維穩(wěn)定性和熱熔性能，在濾紙抄造過程中加入此類纖維是提高濾紙質(zhì)量和增加濾紙種類的絕佳選擇[10]。

3 復(fù)合空氣濾紙的制備方法

國內(nèi)外學(xué)者做過許多關(guān)于復(fù)合空氣濾紙多層成形工藝的系統(tǒng)研究， 最開始是采用多個流漿箱和多個成形網(wǎng)， 通過各層獨立成形后再復(fù)合形成多層紙頁，由于其操作復(fù)雜、占用空間大且設(shè)備投資增加，目前逐漸被廠家淘汰[11]。 現(xiàn)在多采用多層成型流漿箱一次成型的方式抄造， 一次成型是指紙料經(jīng)多層流漿箱分層漿流， 在成形網(wǎng)上逐層有序一次性脫水成型復(fù)合多層濕紙頁， 形成的濕紙頁的層間強度與單層相似且不分層起泡。 其中多層成型流漿箱的一個重要部件是飄片， 它一般放置在湍流發(fā)生器后一直延伸至唇板末端， 將單流道的流漿箱分隔成多個獨立流道的流漿箱， 這樣不同的漿料在獨立的流道自身進行混合與湍流，最后同時進入成形區(qū)，形成多層紙頁[12]。Beolit 公司的斂聚式流漿箱是一種逕流式管束－撓性導(dǎo)流片組分層薄漿道流漿箱， 該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[13]。 但使用多層流漿箱進行紙頁成型也存在著因噴出漿料產(chǎn)生渦流或湍流現(xiàn)象而導(dǎo)致的層間混合現(xiàn)象等關(guān)鍵技術(shù)問題。

除此之外，為得到特殊性能，還可以采用負載的方式制備復(fù)合空氣濾紙。 負載方式主要是通過控制真空抽吸力使分散液均勻分布在紙張中和通過噴涂方式使分散液自然過濾負載于紙張表面兩種方式[14]。

對于超細纖維復(fù)合空氣過濾紙， 目前主要的制備方式為靜電紡纖維復(fù)合、造紙濕法成形多層復(fù)合、熔噴無紡布復(fù)合、覆膜復(fù)合等[15-16]。 其中，靜電紡纖維復(fù)合、 造紙濕法成形多層復(fù)合是目前過濾材料領(lǐng)域內(nèi)兩種主要的超細纖維復(fù)合空氣濾紙制備方式。靜電紡絲復(fù)合是通過向聚合物溶液施加高壓電形成強電場，使溶液從噴絲口拉出形成射流，在靜電斥力的作用下， 射流會不斷分裂直徑變小， 同時溶劑揮發(fā)， 最終固化形成直徑很小的纖維沉積到普通的過濾紙上， 這種干法復(fù)合技術(shù)可以在不明顯增加阻力的前提下提高紙的過濾效率[17-19]。 濕法多層復(fù)合制備超細纖維復(fù)合濾紙是以造紙工藝為基礎(chǔ)， 以水為載體， 超細纖維與其他纖維的混合懸浮液在紙機成形網(wǎng)上脫水， 經(jīng)干燥等一系列處理形成的復(fù)合濾紙[20-21]。楊家喜等[22]利用這兩種方式進行復(fù)合研究表明造紙濕法復(fù)合單次容塵量大，使用壽命長；對于有反吹過濾系統(tǒng)，應(yīng)采用靜電紡復(fù)合濾紙，有利于延長使用壽命。 但這兩種方法制備復(fù)合濾紙的結(jié)構(gòu)差異較大，目前還沒有對兩種方法進行系統(tǒng)比較的研究。

4 影響復(fù)合空氣濾紙性能的因素

大量研究表明： 單層濾紙在過濾效率、 過濾阻力、納污容量等方面較難達到一個很好的平衡點；多層復(fù)合過濾介質(zhì)不僅能滿足較高的過濾效率， 還能延長其使用壽命。因此，對于影響復(fù)合空氣濾紙過濾效率因素的研究成為研究的重點。

4.1 定量

復(fù)合空氣濾紙的總定量影響濾紙的過濾性能。復(fù)合空氣濾紙的總定量增加，會導(dǎo)致其透氣度變小，使得濾紙的孔徑變小，大多數(shù)固體顆粒物被攔截，從而提高了濾紙的過濾精度。

4.2 纖維配比

復(fù)合空氣濾紙原紙纖維的配比對成紙的性能至關(guān)重要。闊葉木漿是工業(yè)濾紙中最常用的纖維之一，可以有效控制濾紙的孔徑，提高過濾精度，并且是大多纖維原料中最便宜的， 合理地使用闊葉木漿和尋找合適的闊葉木漿比例將有效地提高工業(yè)濾紙產(chǎn)品的質(zhì)量并降低產(chǎn)品成本[23]。

4.3 透氣度和孔徑

與市售的單層濾紙相比， 復(fù)合空氣濾紙的物理性能和過濾性能發(fā)生了顯著變化。 透氣度和孔徑指數(shù)是復(fù)合空氣濾紙的最重要指標， 為了獲得膨松且有良好透氣性的濾紙，多層復(fù)合濾紙中的每層之間的透氣性必須保持恒定的平衡。 一般而言，復(fù)合濾紙的透氣率過低時，其納污容量會相應(yīng)地降低；復(fù)合濾紙的透氣率過高時，由于孔徑變大使得較大的顆粒物質(zhì)通過復(fù)合空氣濾紙影響其過濾精度[24-25]。綜上所述，對于復(fù)合空氣濾紙的研究我們必須在保證其過濾精度的同時合理調(diào)整其透氣度。

5 結(jié)束語

通過本文概述可以了解到在單層濾紙不能很好地滿足人們生活和生產(chǎn)需求時， 科研人員通過對濾材、抄造方式等方面的研究，逐漸提出了復(fù)合空氣濾紙的想法， 并將其作為現(xiàn)代科技工業(yè)發(fā)展的一個重要方向。 通過調(diào)節(jié)影響因素來抄造出具有高過濾效率和長使用壽命的復(fù)合濾紙成為科研熱點， 科研工作者們也在為能早日研制出性能更為優(yōu)良的復(fù)合空氣濾紙而努力。