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    随着社会进步和人们生活水平的提高,过滤器尤其是高效空气粒子(HEPA)过滤器、超低穿透率空气(ULPA)过滤器越来越广泛地应用于各个领域,如微电子、制药工业、医院、食品业、化妆品行业、环保业、核工业及军事领域等。空气过滤材料的研究和发展取得了极大的进步,但同时人们对空气过滤材料也提出了更高的要求。 

一、空气过滤材料是如何来的?    

    空气过滤材料的产生和发展是与军事和电子工业的发展紧密相关的。作为军用防毒面具滤烟层过滤材料的石棉纤维过滤纸早在第一次世界大战末就已问世。玻璃纤维过滤材料用于空气过滤于1940年10月在美国取得专利。20世纪50年代,美国对玻璃纤维过滤纸的生产工艺进行了深入的研究,使空气过滤器得到了改善和发展。70年代利用微细玻璃纤维生产的HEPA过滤纸,对0.3um的粒子过滤效率高达99.999%。   

    从国外空气过滤材料的发展来看,20世纪70年代末以前,空气过滤材料的分级大体分为初效和中高效两种过滤级别。HEPA过滤材料的过滤效率一般要求高于99.97%,故人们认为它已经能够满足使用要求。80年代以来,随着新的测试方法的出现,使用评价技术的提高以及对过滤材料要求的提高,人们发现HEPA过滤材料仍存在一些问题。于是新一代的ULPA过滤材料就应运而生,它对0.12um的粒子过滤效率高于99.999%。进入90年代以后,美国的Lydall公司从应用的角度对过滤材料的分级重新进行了调整,将过滤材料分为四级:Class1000ASHRAE;Class2000Prefiher/Hos-pital;Class3000HEPA;Class5000ULPA。其中后两者属于高效过滤材料。     

    而在我国,直到20世纪80年代末期,军用防护器材使用的过滤材料大都为兰石棉一纤维素、玻璃纤维一纤维素或单一组分玻璃纤维过滤材料。由于石棉为致癌物质,对人体健康有不良影响,西方国家在70年代已停止使用石棉过滤材料。随着过滤材料可燃物含量的限制,曾广泛应用的玻璃纤维一纤维素过滤纸的使用和发展也受到了限制。而单一组分玻璃纤维由于结构简单,也难以达到很高的过滤水平。80年代以来,我国科研人员经过不懈努力,先后研制开发了玻璃纤维HEPA过滤纸和ULPA过滤纸,达到了甚至在某些方面超过了世界同类产品的先进水平。 

二、高效空气过滤材料有哪些特点?    

    高水平的空气过滤材料主要包括以下几方面的性能:

①过滤效率高;

②气流阻力小;

③机械强度大;

④均匀性好;

⑤满足防水、防火、耐霉等特殊要求。     

    在世界范围内,玻璃纤维空气过滤材料仍然在高效空气过滤市场上占据着主导地位。综合分析当前世界上先进的玻璃纤维过滤材料,大都具备以下几个特点。 

1、多组分玻璃纤维的结构     

    为了改善过滤材料的过滤性能,改变单一组分玻璃纤维纸的孔隙状态,一般采用多种不同线密度的玻璃纤维搭配制备过滤纸。由于采用了多组分玻璃纤维,制备的过滤纸不仅孑L隙率高,而且具有合理的几何结构和孔径分布,可发挥过滤材料的结构效应和屏蔽效应,因而过滤效率高,气流阻力低,抗张强度也有了较大提高。

2、效率高、阻力低      

    近年来,高效空气过滤材料的研究和发展迅速。HEPA过滤纸一度是效率最高的过滤纸,现在ULPA过滤纸才是效率最高的过滤纸。ULPA过滤纸对0.12um粒子的过滤效率可达99.99999%, 在气流速率为0.32L/(cm2·min)的条件下,气流阻力也控制在600Pa以下。估计在不久的将来,效率更高、阻力更低的新一代过滤材料也将得以开发应用。 

3、较高的机械强度      

   高效空气过滤材料对机械强度的要求是很高的,纵横向强度的差别也是越小越好。赋予过滤材料足够大的抗张强度和挺度,对提高过滤材料在生产、运输、储存及使用过程中的稳定性都是十分必要的。高强度的过滤材料经折叠后所制作的过滤器材,能保持滤烟层的挺度以形成良好的气流通道,并具有较强的抗冲击力,同时增加有效过滤面积,改进和提高过滤器材的过滤性能,因而具有重要的实际意义。但是,玻璃纤维很柔软,且本身结合力很小,因此要使玻璃纤维过滤纸具有较高的机械强度需要采用增强剂。      

   长期以来,国内外过滤材料一般都是采用交联剂和树脂类粘结剂进行增强的。通过交联剂与线型树脂、玻璃纤维中的基团相互反应以及交联剂自身反应的方法,使线型树脂结构变成网状的大分子树脂结构,进一步提高过滤材料的机械强度,缩小纵横向的强度差别。 

4、良好的工艺性能   

   为了增加过滤材料的有效过滤面积,降低气流阻力,一般将过滤材料折叠成波纹状使用。因此过滤材料要具备良好的工艺性能,即挠曲性好,耐折度高。工艺性能差的过滤材料往往一经折叠就容易损坏,导致产品合格率降低,工作效率低下,成本增加,同时影响过滤器的综合性能。 

5、防水、防火、耐霉等特殊性能      

  在某些特殊场合如军事、核工业等,过滤材料还应具备防水、防火、耐霉等特殊性能。否则在潮湿、高温或有明火的条件下,过滤材料的结构就会被破坏,严重影响甚至丧失其过滤性能,或者成为霉菌等细菌的“滋生地”。因此,赋予过滤材料良好的防水、防火、耐霉等性能非常重要。    

   与世界上先进的空气过滤材料相比,我国国产的过滤材料尽管在过滤效率、抗张强度等技术指标上能够达到甚至超过它们的水平,但在整体上还存在一定差距,主要反映在过滤材料均匀性不好,工艺性能普遍较差,防水、防火、耐霉等特殊性能的研究还不够系统、深入。这在很大程度上限制了我国过滤器材的发展水平,是我国亟待解决的问题。 

三、未来的空气过滤材料如何发展?

(1)在世界范围内,玻璃纤维过滤材料在高效空气过滤材料中仍占据主导地位,但膜及静电增强介质已在某些方面取代了它。有人认为,一旦膜在低气流阻力下的过滤性能得以改善,膜将会取代玻璃纤维过滤材料。 

(2)耐高温过滤材料的发展将会加快。玻璃纤维复合无机膜的过滤材料、金属纤维和陶瓷纤维过滤材料已获得应用,新型的金属和陶瓷烧结过滤材料也取得了很大进展。  

(3)世界范围内的恐怖事件,以及SARS、禽流感等突发性公共卫生事件的发生也给各国敲响了警钟,各国纷纷研究开发新型宽谱防护过滤材料,以确保对各种气溶胶(特别是生物气溶胶)的有效防护。

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