疏油改性對玻纖聚結(jié)元件氣液過濾性能的影響

劉宇峰，姬忠禮，陳鋒，劉震，常程

（中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院，過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點實驗室，北京102249）

引 言

聚結(jié)元件在壓縮空氣過濾、氣體長距離輸送、密封氣過濾和金屬切割等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-2]，氣體中的液滴雜質(zhì)若不能被及時分離，將會損壞下游儀器設(shè)備、腐蝕輸送管道或者危害工人的身體健康。對于氣體中小液滴的去除，聚結(jié)分離是最為有效的方法之一。而纖維濾材作為聚結(jié)過濾器的核心組成部分，其氣液聚結(jié)分離過程較為復(fù)雜，過濾分離性能的影響因素較為廣泛[3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在濾材壓降和效率模型[4-5]、濾材和液滴物性[4,6-7]等因素上做了大量研究。Contal 等[6]根據(jù)各個階段液體在濾材中分布情況將液滴聚結(jié)過程分為緩慢增加階段、指數(shù)增長階段、急劇增長階段和穩(wěn)定階段。Frising 等[8]對此進行實驗研究，根據(jù)四個階段液滴在纖維中潤濕和遷移情況，改進了壓降和穿透率模型。除了宏觀參數(shù)影響，液滴在纖維上的分布形態(tài)及受力情況等微觀分析對于聚結(jié)機理研究也尤為重要。由于潤濕性的不同，液滴在單根纖維上有液膜、桶形液滴及蛤殼形液滴三種不同接觸形態(tài)[9]。Mullins 等[10-11]對親、疏油單根纖維上液滴運動進行微觀分析，發(fā)現(xiàn)疏油纖維上的蛤殼形液滴更易發(fā)生振蕩，穩(wěn)定性較差，易與纖維分離。上述研究表明，濾材的潤濕性在微觀層面影響液滴與纖維的接觸形態(tài)，從而影響液滴的聚結(jié)過程。因此，對于纖維濾材潤濕性的研究具有重要意義。

由于尋找結(jié)構(gòu)參數(shù)相同、僅潤濕性不同的兩種商用濾材較難，國內(nèi)外學(xué)者選用結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的親、疏油型濾材進行對比[12-13]，研究濾材潤濕性對過濾性能的影響。通過對比不同層數(shù)親、疏油型濾材的壓降，提出了“跳躍-通道”壓降模型，結(jié)合毛細管理論對親、疏油型濾材壓降不同的原因進行了解釋[14-15]。另外，潤濕性影響液體在濾材內(nèi)分布及受力情況[16]，從濾材下游穿透率[17]以及二次夾帶[18]兩個方面影響濾材過濾效率。對于粒子穿透率，通過對不同的親、疏油型濾材進行實驗研究，結(jié)合液體在濾材內(nèi)部運移情況對親、疏油型濾材穿透率不同的原因進行了解釋[19]。對于二次夾帶，Wurster 等[20-21]對親、疏油型濾材的二次夾帶現(xiàn)象進行定量檢測對比，發(fā)現(xiàn)兩者規(guī)律有較大不同。常程等[22]針對聚結(jié)濾芯的二次夾帶現(xiàn)象進行研究，認為濾芯的表面潤濕性對二次夾帶有重要影響，親油型濾芯更易出現(xiàn)二次夾帶，進而影響其過濾效率。然而，上述研究無法排除結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，難以控制變量對潤濕性的影響。

綜上所述，濾材潤濕性通過影響液滴在纖維上的捕集、聚結(jié)及排液過程而使得濾材壓降、穿透率等情況發(fā)生改變，濾材潤濕性的差別是由于表面能不同所導(dǎo)致，研究濾材表面能有助于深入認識聚結(jié)機理，可為減小濾材持液率，研制低阻高效聚結(jié)元件提供指導(dǎo)。然而，目前對于單一表面能因素影響聚結(jié)元件過濾性能的研究較少。為此，本文采用不同濃度的改性溶液通過化學(xué)覆膜的方法對親油型玻璃纖維濾材進行處理，在控制其平均孔徑、纖維直徑、透氣性等結(jié)構(gòu)參數(shù)幾乎不變的情況下，得到表面能不同的改性濾材，將表面能作為單一變量進行研究，分析其對濾材壓降、穿透率、二次夾帶的影響及原因，并對此改性方法在聚結(jié)濾芯上的應(yīng)用效果進行了研究。

1 實驗材料和方法

1.1 材料及表征

選用親油型玻璃纖維濾材，記為GF。采用目前國際測試標準中常用的癸二酸二辛酯（DEHS）作為實驗液體，常溫下不易揮發(fā)，密度為912 kg/m3，動力黏度為0.023 Pa·s。為分析不同表面能改性對濾材氣液過濾性能的影響，使用不同濃度的氟硅氧烷丙烯酸酯共聚物水溶液通過浸漬法對親油型玻璃纖維濾材GF 進行處理，得到改性濾材GF1～GF6。用瑞典BiolinScientific 公司Attension接觸角測量儀，分別以水和DEHS 為介質(zhì)，使5 μl 液滴自由落下與濾材表面接觸，測得液滴與濾材表面接觸瞬間的接觸角[22]，每組選擇濾材不同位置測量5 次取平均值。用美國Quantachrome 公司Porometer 3G 孔徑測試儀測量濾材的平均孔徑，每種濾材測量3次取平均值，結(jié)果見表1。

表1 濾材物性參數(shù)Table 1 Properties of experimental filter materials

利用日本日立公司SU8010 型掃描電鏡觀察濾材微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖1所示。由圖可見，改性濾材GF1 的纖維形態(tài)未發(fā)生明顯變化，僅在纖維連接處及纖維表面的粗糙度較未處理濾材GF 纖維的光滑表面有所增加。用FEI 公司Quanta 200F 場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡能譜系統(tǒng)分析其元素變化，如圖2所示。由圖可見，處理后濾材表面氟元素含量較未處理濾材增加了約1.5 倍，氟元素的存在降低了纖維的表面能。由于低表面能和粗糙度增加的耦合作用，處理后的濾材具有良好的疏水疏油性質(zhì)。

圖1 濾材微觀結(jié)構(gòu)的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM micrographs of filter material structure

由于聚結(jié)濾芯與實驗濾材的氣流方向有所不同（濾芯為柱形，氣流方向一般為內(nèi)進外出，即由下端口進氣到柱形內(nèi)部空間，之后氣流沿斜上方向通過濾材；而濾材實驗中氣流水平通過濾材），實際應(yīng)用中的濾芯性能可能與實驗濾材性能存在差異。因此，本文對改性在濾芯上的實際應(yīng)用效果進行研究。由于制作濾芯成本較高、工期較長，因此，本文先對不同表面能的濾材進行研究，再用改性濾材制作濾芯進行驗證。選用親油型玻璃纖維濾材GF，制作尺寸為φ62 mm×140 mm、層數(shù)分別為4、6、8 層的聚結(jié)濾芯，記為F4、F6、F8。選用改性濾材GF1，并制作尺寸為φ62 mm×140 mm、層數(shù)分別為4、6、8 層的改性濾芯，記為FN4、FN6、FN8。

1.2 實驗裝置及過濾性能評價

如圖3 所示，利用美國TSI 公司氣溶膠發(fā)生器9306A 產(chǎn)生DEHS 霧化液滴，保持上游氣流中液滴濃度和粒徑分布穩(wěn)定，氣體含液濃度700 mg/m3，在下游真空泵負壓作用下，與潔凈空氣混合，水平通過直徑150 mm 垂直放置的圓盤型濾材或氣流方向內(nèi)進外出通過尺寸為φ62 mm×140 mm 的待測濾芯。在下游設(shè)置美國Alicat Scientific 公司MCR 500 slpm質(zhì)量流量控制器控制管道流量，以保持通過濾材表觀氣速為0.12 m/s。利用美國TSI 公司掃描電遷移率粒徑譜儀（SMPS）和空氣動力學(xué)粒徑譜儀（APS）測量濾材上下游氣流的液滴濃度和粒徑分布，總測量粒徑范圍為0.05～20 μm。利用差壓變送器對濾材兩端壓降進行連續(xù)測量記錄。當壓降和下游氣流的液滴濃度基本保持不變時，認為過濾達到穩(wěn)定狀態(tài)[23]。過濾過程中的壓降稱為過程壓降。實驗開始前和結(jié)束后，利用瑞士Mettler Toledo 公司電子分析天平（AL204-IC）對濾材進行稱重，用于計算濾材飽和度。實驗測試儀器參數(shù)見表2。為驗證實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對3 組相同的GF 濾材進行過濾測試，計算3次測量的相對標準差，驗證上、下游氣溶膠液滴濃度及壓降的重復(fù)性。3 組濾材的上、下游氣溶膠液滴濃度和穩(wěn)態(tài)壓降的相對標準差分別為0.62%、0.27%和1.6%。

聚結(jié)元件的過濾性能主要由壓降和過濾效率決定。過濾效率較高的聚結(jié)元件一般壓降也較高，引入同時考慮壓降及過濾效率影響的品質(zhì)因子[24]綜合評價其性能。

品質(zhì)因子QF計算公式為

式中，Cin和Cout分別為上游和下游氣流中液滴的計數(shù)濃度，#/cm3；Δp為過濾介質(zhì)壓降。飽和度S計算公式為

式中，moil為過濾介質(zhì)內(nèi)部油的質(zhì)量，kg；moil,max為過濾介質(zhì)內(nèi)部能夠容納的最大油質(zhì)量，kg；mfilter和mfilter,0分別為過濾介質(zhì)穩(wěn)態(tài)質(zhì)量和初始質(zhì)量，kg；V為過濾介質(zhì)體積，m3；ρoil為油的密度，kg/m3；α 為過濾介質(zhì)填充密度。

圖3 過濾性能實驗裝置Fig.3 Filtration performance experimental set-up

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 改性對濾材過濾性能的影響

2.1.1 改性對濾材壓降的影響 濾材是聚結(jié)元件的核心組成部分，為分析疏油改性對濾材過濾性能的影響，控制濾材結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下對濾材GF進行改性，得到不同表面能濾材GF1～GF6，其對水和DEHS 的接觸角變化趨勢如圖4。圖5 為濾材的壓降對比，改性濾材GF1～GF6 相比濾材GF 穩(wěn)態(tài)壓降降低幅度在12%～34%之間，改性濾材在相同實驗條件下更快達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 濾材對水和DEHS的接觸角Fig.4 Contact angle of the material to water and DEHS

以改性濾材GF1 為例，分析改性對濾材壓降的影響，在相同實驗條件下，對未處理濾材GF 和改性濾材GF1 的初始壓降、過程壓降和穩(wěn)態(tài)壓降進行對比。如圖5 所示，改性處理對濾材初始壓降影響較小，但是降低了濾材的穩(wěn)態(tài)壓降。為分析濾材壓降變化的原因，對過濾過程中的液滴進行受力分析，液滴在水平氣流方向受到氣流的曳力Fd，濾材孔隙形成的毛細管對液滴的毛細管阻力P和液滴在濾材通道間運移受到的運動阻力Fr。根據(jù)克服的阻力不同，將穩(wěn)態(tài)壓降分為克服P 導(dǎo)致的跳躍壓降和克服Fr導(dǎo)致的通道壓降兩部分進行討論。

如圖6 所示，濾材GF1 相比濾材GF 跳躍壓降明顯減小，是造成濾材GF1 穩(wěn)態(tài)壓降小的主要原因。跳躍壓降與液體進入或離開纖維濾材所克服的毛細力相關(guān)[15]。分析認為，所克服毛細管阻力P 是液滴與形成毛細管的纖維接觸界面之間的附著力和液滴分子的內(nèi)聚力的合力。附著力和內(nèi)聚力的大小比較決定了纖維濾材的毛細管對液滴作用力是牽引或排斥。Washburn[25]基于圓柱型毛細管與液滴的界面附著力和內(nèi)聚力提出毛細管壓力公式

式中，γ為液體表面張力，N/m；r為毛細管半徑，m；θ為液滴接觸角。

Mullins 等[26]對平均纖維直徑＜5 μm 的薄玻璃纖維濾材提出等效毛細管半徑模型

式中，rc為濾材等效毛細管半徑，α 為濾材填充密度，rf是纖維半徑。將式（4）代入式（3），得出玻璃纖維濾材毛細管阻力

圖5 濾材壓降對比Fig.5 Comparison of pressure drop for filter materials

可知，毛細管阻力P 與液滴表面張力γ、濾材填充密度與纖維半徑的比值α/rf和液滴與濾材接觸角θ相關(guān)。而本實驗中液滴的表面張力γ不變，且改性后濾材填充密度與纖維半徑的比值α/rf不變。DEHS 液滴在濾材GF、GF1 上的接觸角分別為39.89°和121.40°,可知|cos θGF|＞|cos θGF1|。因此，改性后濾材GF1 毛細管阻力數(shù)值減小。濾材GF 與濾材GF1的毛細管阻力方向相反，濾材GF毛細管力阻止液體離開，在濾材后表面形成液膜，而濾材GF1毛細管力阻止液體進入，在濾材前表面形成液膜，濾材的跳躍壓降與形成的液膜相關(guān)。這也是圖6中濾材GF的跳躍壓降在后，而濾材GF1的跳躍壓降在前，且改性濾材GF1跳躍壓降數(shù)值較小的原因。

圖6 濾材壓降劃分及下游粒子濃度Fig.6 Pressure drop division and downstream particle concentration for filter materials

此外，由于濾材中的毛細孔道是各向隨機分布的，縱向也同樣存在毛細管力，而濾材GF 的縱向毛細管力對液滴有吸附作用，液滴需要聚合到其重力足以抵消縱向毛細管力時才可以排下，加劇了濾材GF后表面液膜的形成。此過程可由濾材飽和度（圖7）證明，在實驗結(jié)束后，濾材表面形成的液膜被吸附在濾材上而導(dǎo)致了濾材飽和度的升高，濾材GF的飽和度明顯高于濾材GF1，說明其形成液膜的含液量高于濾材GF1，導(dǎo)致濾材GF的跳躍壓降較高。

通道壓降與液滴從厚度方向通過整個濾材并行通道所受到的阻力Fr相關(guān)。液滴在親油和疏油纖維上分別呈膜狀分布和滴狀分布[27]，如表1 所示，纖維間的等效孔道直徑只有10 μm 左右，如圖8（a）、（d）所示，對于濾材GF1，在纖維上呈滴狀分布的微米級液滴比膜狀分布的薄液膜占據(jù)纖維間孔道更多的體積，使得氣體流道更加曲折，增加了氣流通過流道的阻力Fr，故濾材GF1的通道壓降較高。因此，對濾材的疏油改性處理減小了其跳躍壓降，雖然小幅增加了通道壓降，但仍減小了濾材的穩(wěn)態(tài)壓降，這意味著改性后濾材在使用過程中有更低的能耗。

圖7 濾材飽和度對比Fig.7 Comparison of saturation for filter materials

圖8 液滴在濾材孔隙組成的毛細管中的形態(tài)Fig.8 Droplets morphology in capillary composed of filter materials pores

對于不同表面能的疏油改性濾材，如圖5所示，濾材GF1～GF6 之間跳躍壓降相差較小，圖7 顯示其飽和度也相差較小，但改性濾材的跳躍壓降和飽和度都比未處理濾材GF 小近40%。跳躍壓降和飽和度趨勢相近的原因是單層濾材在實驗過程中由于克服毛細力而形成的液膜在實驗結(jié)束后仍然吸附在濾材上。如圖5 所示，濾材GF1～GF6 的通道壓降先減小后增加，由于GF1～GF6的纖維表面能先增加后減?。▓D4），因此，濾材的通道壓降隨纖維表面能的減小而增大。分析認為，隨著纖維表面能的減小，由于體系Gibbs 自由能趨向于減小，液滴越收縮趨向于球形，接觸角越大，圖8為液滴在纖維表面能逐漸減小的濾材孔道中的形態(tài)，孔道中的微米級液滴接觸角越大，液滴在纖維上滴狀分布的高度越高，占據(jù)纖維間孔道的截面面積越大，使得氣體流道越曲折，氣流通過流道的阻力越大，即濾材的通道壓降越高。因此，對于結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的疏油濾材，隨著纖維表面能的減小，濾材通道壓降增加，穩(wěn)態(tài)壓降也隨之增加。

圖9 濾材過濾效率對比Fig.9 Comparison of filtration efficiency for filter materials

2.1.2 改性對濾材效率的影響 圖9（a）為濾材對0.05～0.5 μm 液滴的累積計數(shù)效率對比，改性濾材相比未處理濾材對0.05 μm 以上液滴的穩(wěn)態(tài)過濾效率從87.24%提高到95.85%以上，并且隨著濾材纖維表面能的減小，其對0.05 μm 以上液滴的過濾效率逐漸升高。分析認為，對于粒徑＜0.5μm 的小液滴，主要由擴散作用被纖維攔截[3]。纖維對顆粒的擴散分離效率與顆粒運動黏度、運動速度、纖維填充密度、纖維直徑、纖維有效過濾面積等參數(shù)相關(guān)[28]。隨著纖維表面能的減小，液滴在纖維上的接觸形態(tài)由膜狀鋪展變?yōu)榈螤罘植?，由于疏油濾材的纖維表面能較液滴更小，體系Gibbs 自由能趨向于減小，液滴收縮成球形，表面減少，而纖維表面增加，纖維有效過濾面積變大，所以纖維擴散攔截作用更強[19]；且液滴越難潤濕纖維，纖維越潔凈，液體越難在纖維間形成液橋和液膜，氣流通過潔凈纖維時更有機會因擴散作用而被纖維攔截。圖10為實驗后濾材GF 和GF1中液體分布的電鏡照片，在濾材GF的纖維間可以看到明顯的液橋和液膜，由于小液滴的氣體跟隨性較好，而大部分氣流從液膜間的空隙流過，故液膜的存在減小了氣流中小液滴與纖維接觸的面積；而改性濾材GF1 則較為潔凈，氣流通過這些潔凈纖維時更有機會因擴散作用而被纖維攔截，所以對0.05～0.5 μm液滴的過濾效率更高。

另外，在纖維表面對油具有高排斥性的時候，小油滴可以看作彈性小球，當油霧穿過濾材內(nèi)部纖維層時，小油滴會在對油具有高排斥性的纖維之間彈跳碰撞[29]，聚成大油滴而后被纖維攔截，彈跳碰撞過程增加了液滴被捕集的概率。

圖9（b）為濾材對0.5～20 μm 液滴的累積計數(shù)效率對比，改性濾材相比未處理濾材對0.5 μm 以上液滴的穩(wěn)態(tài)過濾效率從99.28%提高到99.93%以上，并且隨著濾材纖維表面能的減小，其對0.5 μm 以上液滴的過濾效率逐漸升高。分析認為，對于粒徑＞0.5 μm 的大液滴，主要由慣性碰撞作用被纖維攔截[3]。隨著纖維表面能的減小，液滴在纖維上由膜狀分布變?yōu)榈螤罘植?。纖維間的等效孔道直徑只有10 μm 左右（表1），如圖8 所示，孔道中的微米級液滴越趨于球形，液滴在纖維上的高度越高，占據(jù)纖維間孔道的截面面積越大，使得氣體流道越曲折，越利于0.5 μm 以上液滴的慣性分離。因此，對于結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的濾材，其對液滴的擴散、慣性分離作用隨表面能的減小而增強，故其過濾效率隨表面能的減小而升高。

另外，在圖9（b）中，濾材GF在液滴粒徑1～2 μm處的效率有所降低，其原因是氣流的剪切力使濾材后表面的液膜破裂[22]，造成夾帶。夾帶液滴粒徑范圍主要集中在1～2 μm，與Wurster 等[21]對聚結(jié)濾材夾帶液滴粒徑范圍的研究結(jié)果相一致。而改性濾材GF1～GF6在此處效率提高較多，其原因是液滴從其前表面進入需克服毛細力，液膜形成在濾材前表面，氣流的剪切力使液膜破裂所造成的液滴夾帶仍有可能被濾材內(nèi)部纖維所攔截。因此，對濾材的疏油改性增強了對液滴的擴散、慣性分離作用，減小了二次夾帶，因而提高了濾材的過濾效率。

圖10 實驗后濾材的SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM micrographs of filter materials after experiments

為分析濾材綜合過濾性能變化，對比濾材壓降及下游粒子計數(shù)濃度的變化趨勢，如圖6所示，濾材GF液膜形成階段是粒子穿透率最高的階段，分析認為，濾材后表面的排液薄膜在氣流作用下形成氣泡，其破碎產(chǎn)生碎片液滴[30]使得穿透率增加。而濾材GF1 下游濃度則一直下降，最后維持在較低水平，遠遠低于濾材GF。因此，對濾材的疏油改性可降低濾材穩(wěn)態(tài)壓降，同時提高濾材過濾效率，提升其綜合過濾性能。

2.1.3 改性對濾材品質(zhì)因子的影響 為分析改性對濾材綜合過濾性能的影響，對濾材的品質(zhì)因子進行計算，結(jié)果如圖11所示。改性處理后濾材的品質(zhì)因子均有所增加，對于＞0.05 μm 液滴的品質(zhì)因子增加幅度在85%～136%之間，對于＞0.5 μm 液滴的品質(zhì)因子增加幅度在93%～124%之間。改性濾材GF1～GF6 的品質(zhì)因子隨著濾材表面能的增加而增加，表面能最大的改性濾材GF4 的品質(zhì)因子最高，雖然其過濾效率較其他改性濾材有小幅降低，但是其穩(wěn)態(tài)壓降較小，仍使其具有最佳的綜合過濾性能。

2.2 改性在聚結(jié)濾芯上的應(yīng)用

圖11 濾材品質(zhì)因子對比Fig.11 Comparison of quality factor for filter materials

圖12 濾芯過程壓降對比Fig.12 Comparison of process pressure drop for filters

2.2.1 改性對濾芯壓降的影響 為驗證改性在聚結(jié)濾芯上的應(yīng)用效果，分別用未處理濾材GF 和改性濾材GF1 制作4、6、8 層的未處理濾芯F4、F6、F8和改性濾芯FN4、FN6、FN8，在相同實驗條件下對其壓降和穩(wěn)態(tài)效率進行對比。圖12 為濾芯過程壓降對比，表3為濾芯初始、通道、跳躍、潤濕及穩(wěn)態(tài)壓降對比。改性處理對濾芯初始壓降影響較小，濾芯的初始壓降、穩(wěn)態(tài)壓降及達到穩(wěn)態(tài)所需時間均隨層數(shù)增加而增大。濾芯F4、F6、F8跳躍壓降相差較小，其原因在于跳躍壓降代表著氣流穿過液膜時克服的泡點壓力，其數(shù)值由濾材的毛細作用力決定，由于本文濾芯使用同種濾材，無論層數(shù)多少，其跳躍壓降數(shù)值相近。所以，穩(wěn)態(tài)壓降的差別主要體現(xiàn)在通道壓降，隨層數(shù)的增加而增大，其原因是在于通道壓降代表氣流通過濾材并行通道受到的阻力，其數(shù)值上取決于通道長度。

改性濾芯FN4、FN6 較未處理濾芯F4、F6 穩(wěn)態(tài)壓降分別降低10%和5%，從8 層開始，改性濾芯FN8 穩(wěn)態(tài)壓降高于未處理濾芯F8?？梢姼男詾V芯較未處理濾芯的壓降降低效果隨濾芯層數(shù)的增加而減弱，分析認為，如2.1.1 節(jié)中所述，改性濾材較未處理濾材壓降的降低主要體現(xiàn)在跳躍壓降的大幅降低上，而通道壓降反而有小幅升高。而濾芯層數(shù)的增加不會影響液滴進入或離開濾材表面所克服的毛細力，故多層改性濾芯跳躍壓降的降低效果是不疊加的；隨著濾芯層數(shù)的增加，相當于通道長度增加，氣流通過濾材并行通道受到的阻力隨通道長度線性增加，故多層改性濾芯通道壓降的升高效果是隨層數(shù)增加而疊加的。如表3 所示，隨層數(shù)的增加，改性濾芯多層通道壓降的升高逐漸抵消了濾芯表面跳躍壓降的降低，從8 層開始，改性濾芯通道壓降升高的數(shù)值超過了跳躍壓降降低的數(shù)值。

表3 濾芯壓降對比Table 3 Comparison of pressure drop for filters

2.2.2 改性對濾芯效率的影響 圖13 為濾芯的穩(wěn)態(tài)累積計數(shù)效率對比。改性濾芯FN4、FN6、FN8 相比濾芯F4、F6、F8 對＞0.05 μm 液滴的穩(wěn)態(tài)效率分別從99.061%、99.324%和99.935%提高到99.967%、99.949%和99.955%。改性濾芯FN4、FN6、FN8相比濾芯F4、F6、F8 對＞0.5 μm 液滴的穩(wěn)態(tài)效率分別從99.944%、99.814% 和99.978% 提 高 到99.999%、99.999%和99.996%。改性濾芯穩(wěn)態(tài)效率提高的原因與濾材同理。值得注意的是，隨著層數(shù)的增加，未處理濾芯對小液滴（＞0.05 μm）的穩(wěn)態(tài)效率有明顯的升高，而對大液滴（＞0.5 μm）的穩(wěn)態(tài)效率變化無明顯規(guī)律，其原因是小液滴主要靠擴散作用分離，隨著層數(shù)的增加，用于捕集液滴的有效纖維面積增加，故效率升高；而大液滴主要靠慣性作用分離，層數(shù)的增加對氣流通過纖維間隙的速度無明顯影響，所以對大液滴的慣性分離作用無明顯影響，另外，氣流通過親油型濾芯后表面的液膜時易產(chǎn)生二次夾帶，故層數(shù)增加對大液滴效率的影響無明顯規(guī)律。

2.2.3 改性對濾芯品質(zhì)因子的影響 圖14 為濾芯的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)因子對比。改性濾芯FN4 相比濾芯F4對＞0.5 μm 和＞0.05 μm 液滴品質(zhì)因子分別增加了70%和90%，改性濾芯FN6 相比濾芯F6 對＞0.5 μm和＞0.05 μm 液滴品質(zhì)因子分別增加了92%和59%，改性濾芯FN8相比濾芯F8對＞0.5 μm和＞0.05 μm液滴品質(zhì)因子分別增加了8%和減小了6%。

綜上所述，改性濾芯FN4、FN6、FN8的過濾效率均大于任何層數(shù)的未處理濾芯F4、F6、F8，4 層的改性濾芯FN4 在所有濾芯中有最低的穩(wěn)態(tài)壓降，且其效率高于未處理濾芯F4、F6、F8。改性濾芯可以在較少的層數(shù)下，保持比多層的未處理濾芯更高的過濾效率以及更低的壓降，優(yōu)化濾芯綜合過濾性能，在圖14中可以得到印證，改性濾芯FN4擁有最高的品質(zhì)因子。因此，改性處理能夠提高濾芯的過濾性能，尤其在濾芯層數(shù)少的時候優(yōu)勢更為明顯。

圖13 濾芯過濾效率對比Fig.13 Comparison of filtration efficiency for filters

圖14 濾芯品質(zhì)因子對比Fig.14 Comparison of quality factor for filters

3 結(jié) 論

（1）提高聚結(jié)元件過濾效率的同時，一般伴隨著阻力的升高，本文提出一種改性方法，可以使濾材過濾效率提高10%的同時，穩(wěn)態(tài)壓降降低約30%。濾材效率的提高由擴散、慣性分離作用的增強和二次夾帶的減少導(dǎo)致；濾材壓降的降低主要由濾材毛細作用力的改變而導(dǎo)致。

（2）纖維表面能通過影響液滴與纖維的接觸形態(tài)，進而影響濾材過濾性能。對于結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的疏油濾材，其穩(wěn)態(tài)壓降和過濾效率均隨表面能的減小而升高。

（3）經(jīng)過改性后的聚結(jié)濾芯具有低阻高效的優(yōu)勢，尤其在濾芯層數(shù)少的時候優(yōu)勢更為明顯，其品質(zhì)因子最大可提高92%。