新型納米纖維空氣濾芯的可水洗重復(fù)使用性能

董成磊，趙軍,2＊，邵益勤，李錦珍，劉耀義，鐘晨，張暉，張忠,2＊

（1.國(guó)家納米科學(xué)中心 中國(guó)科學(xué)院納米科學(xué)卓越中心 中國(guó)科學(xué)院納米系統(tǒng)與多級(jí)次制造實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.惠州德賽信息科技有限公司，廣東 惠州 516003；4.惠州德賽工業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 惠州 516003）

無(wú)論是戶(hù)外防護(hù)所用的口罩，還是室內(nèi)防護(hù)所用的空氣凈化器或新風(fēng)凈化機(jī)，其性能主要依賴(lài)所用的空氣過(guò)濾布和濾芯[1—8]。目前，大多數(shù)空氣防護(hù)器具使用的都是以聚丙烯（PP）熔噴無(wú)紡布和針刺無(wú)紡布為代表的濾布式空氣濾芯。以靜電駐極的熔噴無(wú)紡布和針刺無(wú)紡布為代表的駐極式空氣濾芯具有過(guò)濾效率高、空氣阻力低等突出優(yōu)點(diǎn)，但也存在價(jià)格昂貴、無(wú)法重復(fù)使用等嚴(yán)重缺點(diǎn)[9—17]。這給空氣凈化器和新風(fēng)凈化機(jī)的進(jìn)一步普及使用帶來(lái)了一定的阻礙[18，19]。相反，傳統(tǒng)的機(jī)械式濾芯具有與駐極式濾芯完全不同的工作機(jī)制，有望實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)使用[20]。

雖然文獻(xiàn)和空氣凈化產(chǎn)品的宣傳中時(shí)有提及水洗和重復(fù)使用特性，但一般只是將原始空氣濾芯或?yàn)V布在潔凈水中輕微蘸水，然后測(cè)試其性能變化。實(shí)際上由于濾布材料大多為疏水性的聚合物材料，這一測(cè)試過(guò)程中水并未真正進(jìn)入濾芯或?yàn)V布的內(nèi)部。而真正意義上的水洗和重復(fù)使用應(yīng)該是對(duì)已使用過(guò)并容塵一段時(shí)間后的濾芯進(jìn)行的有效清洗和功能恢復(fù)。目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中尚未見(jiàn)有系統(tǒng)報(bào)道。

正是在這一背景下，本研究將自制的一種新型機(jī)械式納米纖維空氣濾芯與市場(chǎng)上幾種常用的空氣濾芯（國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上知名品牌的三種駐極式空氣濾芯）作為研究對(duì)象，對(duì)這4 種濾芯的容塵和水洗重復(fù)使用性能進(jìn)行對(duì)比研究，并基于其微觀(guān)結(jié)構(gòu)和表面能，深入討論其作用機(jī)制，以期對(duì)可重復(fù)使用空氣濾芯的研發(fā)起到一定的指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

所選用的實(shí)驗(yàn)樣品為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上知名品牌的H10級(jí)別空氣濾芯，分別命名為FC1、FC2、FC3，自制的新型機(jī)械式納米纖維空氣濾芯命名為FC4。4 種濾芯均為510mm（長(zhǎng)）×230mm（寬）×45mm（高）的長(zhǎng)方體，邊框都為鋁質(zhì)。各空氣濾芯的具體材質(zhì)、加工工藝、打褶方向、褶數(shù)及濾布面積等參數(shù)見(jiàn)表1，其中NF 為納米纖維。

表1 四種空氣濾芯的參數(shù)

1.2 空氣濾芯的容塵實(shí)驗(yàn)

空氣濾芯的容塵實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。所用塵源為美國(guó)PTI 公司生產(chǎn)的Ashrae#1（簡(jiǎn)稱(chēng)A1）試驗(yàn)塵，所用人工塵發(fā)生器為中國(guó)建筑科學(xué)研究院研制的建研愛(ài)康EMCSO-P011 型，所用新風(fēng)凈化機(jī)為北京亞都新風(fēng)凈化工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YJX-D500JS型。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先稱(chēng)取一定量的A1 塵，將其以約50mm（寬）×300mm（長(zhǎng)）的長(zhǎng)方形平鋪于人工塵發(fā)生器的堆積平臺(tái)上，然后打開(kāi)紅外燈進(jìn)行干燥，以3mm/min 的速度往前推進(jìn)堆積平臺(tái)，從而將灰塵送進(jìn)入新風(fēng)凈化機(jī)。容塵前后都稱(chēng)取空氣濾芯的質(zhì)量，其差值為濾芯的容塵量。

圖1 空氣濾芯的容塵實(shí)驗(yàn)

1.3 空氣濾芯的過(guò)濾效率和氣阻測(cè)試

空氣濾芯的空氣過(guò)濾效率和空氣阻力測(cè)試是在北京亞都環(huán)?？萍加邢薰狙芯吭旱娘L(fēng)道測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行的（裝置如圖2 所示），采用風(fēng)速約為300m3/h（0.71m/s）的室內(nèi)空氣為塵源，開(kāi)機(jī)穩(wěn)定1min 后開(kāi)始用上海億歐儀表設(shè)備有限公司生產(chǎn)的YJB-1500 型補(bǔ)償式微壓差計(jì)讀取濾芯前后的氣壓差，用美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的9306-V2 型手持式空氣粒子計(jì)數(shù)器測(cè)計(jì)不同粒徑灰塵顆粒的數(shù)目。持續(xù)讀取10min 后計(jì)算其平均值。

圖2 風(fēng)道測(cè)試裝置

1.4 容塵后空氣濾芯的清理、水洗

清理時(shí)先用軟毛刷拂去表面浮塵，然后用吹風(fēng)機(jī)盡量吹去可清除塵粒。水洗時(shí)將濾芯先用水流緩慢沖洗，然后調(diào)高水流速度，大約持續(xù)5min，之后將濾芯放入加有少量洗潔精的水中浸泡2h，再取出并用水流緩慢沖洗2min。最后放在陰暗通風(fēng)處，于室溫下晾干（約需72h）。

1.5 空氣濾芯的光學(xué)照片及其濾布的掃描電子顯微鏡測(cè)試

4 種濾芯容塵前及容塵后的清理、水洗的光學(xué)照片由普通手機(jī)拍攝完成，拍攝時(shí)手機(jī)與濾芯的距離約為10cm。掃描電子顯微鏡（SEM）測(cè)試是在日本Jeol 公司生產(chǎn)的JSM-7500F 設(shè)備上進(jìn)行的，其加速電壓為15kV。樣品測(cè)試前噴涂了一薄層金膜，以利于觀(guān)測(cè)。

1.6 空氣濾芯所用濾布的表面水接觸角測(cè)試

接觸角（CA）測(cè)試是在德國(guó)Kruss 公司生產(chǎn)的DSA 100 型設(shè)備上進(jìn)行的。在5 個(gè)不同位置分別滴上3μL 的去離子水后迅速進(jìn)行觀(guān)測(cè)和拍攝，呈現(xiàn)的數(shù)值為這5 個(gè)位置的平均值。

2 結(jié)果與討論

由表2 可以看出，4 種空氣濾芯的起始PM0.3（粒徑為0.3μm 的塵粒）的過(guò)濾效率都超過(guò)了95%，達(dá)到歐盟BSEN1822 標(biāo)準(zhǔn)的H10 級(jí)別；空氣阻力除FC1濾芯明顯較低（約20Pa）外，其他都基本相當(dāng)（接近50Pa）。容塵4—5g 后，4 種空氣濾芯的氣阻都有明顯增加，而過(guò)濾效率除FC4 稍有升高外，其他3 種濾芯都略有下降。進(jìn)一步容塵至10—20g 后，4 種濾芯的過(guò)濾效率都有所下降，其中FC3 濾芯的過(guò)濾效率下降最多。用軟毛刷和電吹風(fēng)清理后，4 種濾芯都?xì)埩?—10g 余塵；氣阻雖都有大幅恢復(fù)，但在過(guò)濾效率方面，除FC4 濾芯基本不變外，其他都有大幅下降（低至90%以下），F(xiàn)C1 濾芯甚至低至80%以下。值得注意的是，水洗后，除FC4 濾芯的余塵只有0.4g 外，其他3 種濾芯都有6—9g 余塵無(wú)法洗掉。4 種濾芯容塵前，以及經(jīng)容塵、清理并水洗后的照片見(jiàn)圖3。由圖3 可以看出，只有FC4 濾芯表面和內(nèi)部灰塵基本被清理掉，部分恢復(fù)至初始狀態(tài)的白色，其他3 種濾芯由于殘留較多灰塵而呈現(xiàn)黑色。雖然4 種空氣濾芯的氣阻都恢復(fù)至接近初始狀態(tài)的值，但FC1—3 濾芯的過(guò)濾效率都降低至接近25%，幾乎喪失了過(guò)濾性能。而FC4 濾芯的過(guò)濾效率相較于初始狀態(tài)基本保持不變。此外，由圖4 可以看出，F(xiàn)C4 濾芯經(jīng)連續(xù)10 次容塵、軟毛刷和電吹風(fēng)清理并水洗后，其過(guò)濾效率稍有降低，氣阻略有下降，基本保持原始性能。

表2 不同空氣濾芯經(jīng)容塵、軟毛刷和電吹風(fēng)清理、水洗后的性能測(cè)試結(jié)果

圖3 4 種空氣濾芯容塵前（a1-d1），以及經(jīng)容塵、軟毛刷和電吹風(fēng)清理并水洗后（a2-d2）的照片

圖4 FC4 空氣濾芯經(jīng)連續(xù)10 次容塵、軟毛刷和電吹風(fēng)清理并水洗后的性能變化

圖5 為4 種空氣濾芯容塵前，以及經(jīng)容塵、軟毛刷和電吹風(fēng)清理并水洗后的SEM 照片。可以看出，F(xiàn)C1 和FC2 濾芯中的纖維纖度都為1—5μm，這是熔噴無(wú)紡加工的典型纖維纖度；FC3 濾芯中的纖維纖度更低，為5—10μm，這是針刺無(wú)紡加工的典型纖維纖度。FC4 濾芯是由與前兩種工藝完全不同的加工工藝得到的納米纖維，纖度更高，為0.1—0.3μm。這4 種濾芯中的孔隙尺寸與纖維纖度基本相當(dāng)，因此，F(xiàn)C1—3 濾芯與FC4 濾芯基本相當(dāng)?shù)倪^(guò)濾效率和氣阻主要是由前者經(jīng)駐極處理后所帶的表面和內(nèi)部電荷實(shí)現(xiàn)的。這4 種濾芯中只有FC4 濾芯水洗后可以重復(fù)使用，主要是因?yàn)椴煌瑸V芯具有不同的過(guò)濾機(jī)制。如圖6 所示，對(duì)于FC1—3 濾芯來(lái)說(shuō)，無(wú)論其加工方式為熔噴無(wú)紡還是針刺無(wú)紡，駐極產(chǎn)生的靜電吸附力都是其除塵的主要機(jī)制。隨著容塵、清理和水洗的進(jìn)行，其所帶的電荷在不斷流失，最終水洗后的濾芯已基本不帶電，因此不再具備空氣過(guò)濾性能。而FC4濾芯是利用機(jī)械阻隔的工作機(jī)制，容塵開(kāi)始后，濾餅一定程度的堆積反而有利于過(guò)濾效率的提高。在清理和水洗后，基本沒(méi)有損害其過(guò)濾機(jī)制，因此過(guò)濾性能可以基本恢復(fù)至初始狀態(tài)，滿(mǎn)足重復(fù)使用的要求。

圖5 4 種空氣濾芯容塵前（a1-d1），以及經(jīng)容塵、軟毛刷和電吹風(fēng)清理并水洗后（a2-d2）的SEM 照片

圖6 駐極式（a）和機(jī)械式（b）納米纖維濾芯起始狀態(tài)（a1、b1），以及容塵、清理和水洗后（a2、b2）的空氣過(guò)濾機(jī)制

如圖7 所示，4 種空氣濾芯所用濾布的表面水接觸角測(cè)試結(jié)果表明，F(xiàn)C1—3 濾芯的CA 值分別為128.3o、128.0o、128.7o，非常接近，這主要是由于其材質(zhì)都是PP；FC4 濾芯的CA 值較大，達(dá)到141.4o，這是由于其材質(zhì)為疏水性更高的NF。FC4 比FC1—3高得多的疏水性不利于灰塵顆粒的黏附，有利于積塵的清理和水洗，為其重復(fù)使用提供了保證。

圖7 4 種空氣濾芯所用濾布的CA 測(cè)試

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本文通過(guò)系統(tǒng)研究表明，駐極式空氣濾芯基本不能在水洗后重復(fù)使用，主要是因?yàn)槿輭m、清理和水洗都會(huì)大幅降低靜電式空氣濾芯的電荷量，使其喪失過(guò)濾性能。而新型機(jī)械式納米纖維空氣濾芯具有良好的容塵和水洗性能，是因?yàn)槿輭m、清理和水洗不會(huì)大幅損害其過(guò)濾機(jī)制。宏觀(guān)、微觀(guān)形貌觀(guān)測(cè)及表面水接觸角的測(cè)試都支持這一解釋。

（2）新型機(jī)械式納米纖維空氣濾芯已經(jīng)具備水洗可重復(fù)使用特性，其關(guān)鍵是納米尺度的纖維纖度及超低的表面能。