董成磊，趙軍,2＊，邵益勤，李錦珍，劉耀義，鐘晨，張暉，張忠,2＊

（1.國家納米科學中心 中國科學院納米科學卓越中心 中國科學院納米系統(tǒng)與多級次制造實驗室，北京 100190；2.中國科學院大學，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）

無論是戶外防護所用的口罩，還是室內(nèi)防護所用的空氣凈化器或新風凈化機，其性能主要依賴所用的空氣過濾布和濾芯[1—8]。目前，大多數(shù)空氣防護器具使用的都是以聚丙烯（PP）熔噴無紡布和針刺無紡布為代表的濾布式空氣濾芯。以靜電駐極的熔噴無紡布和針刺無紡布為代表的駐極式空氣濾芯具有過濾效率高、空氣阻力低等突出優(yōu)點，但也存在價格昂貴、無法重復使用等嚴重缺點[9—17]。這給空氣凈化器和新風凈化機的進一步普及使用帶來了一定的阻礙[18，19]。相反，傳統(tǒng)的機械式濾芯具有與駐極式濾芯完全不同的工作機制，有望實現(xiàn)多次重復使用[20]。

雖然文獻和空氣凈化產(chǎn)品的宣傳中時有提及水洗和重復使用特性，但一般只是將原始空氣濾芯或濾布在潔凈水中輕微蘸水，然后測試其性能變化。實際上由于濾布材料大多為疏水性的聚合物材料，這一測試過程中水并未真正進入濾芯或濾布的內(nèi)部。而真正意義上的水洗和重復使用應該是對已使用過并容塵一段時間后的濾芯進行的有效清洗和功能恢復。目前國內(nèi)外文獻中尚未見有系統(tǒng)報道。

正是在這一背景下，本研究將自制的一種新型機械式納米纖維空氣濾芯與市場上幾種常用的空氣濾芯（國內(nèi)市場上知名品牌的三種駐極式空氣濾芯）作為研究對象，對這4 種濾芯的容塵和水洗重復使用性能進行對比研究，并基于其微觀結構和表面能，深入討論其作用機制，以期對可重復使用空氣濾芯的研發(fā)起到一定的指導作用。

1 材料與方法

1.1 實驗樣品

所選用的實驗樣品為國內(nèi)市場上知名品牌的H10級別空氣濾芯，分別命名為FC1、FC2、FC3，自制的新型機械式納米纖維空氣濾芯命名為FC4。4 種濾芯均為510mm（長）×230mm（寬）×45mm（高）的長方體，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 空氣濾芯的容塵實驗

空氣濾芯的容塵實驗裝置如圖1 所示。所用塵源為美國PTI 公司生產(chǎn)的Ashrae#1（簡稱A1）試驗塵，所用人工塵發(fā)生器為中國建筑科學研究院研制的建研愛康EMCSO-P011 型，所用新風凈化機為北京亞都新風凈化工程技術有限公司生產(chǎn)的YJX-D500JS型。實驗過程中，先稱取一定量的A1 塵，將其以約50mm（寬）×300mm（長）的長方形平鋪于人工塵發(fā)生器的堆積平臺上，然后打開紅外燈進行干燥，以3mm/min 的速度往前推進堆積平臺，從而將灰塵送進入新風凈化機。容塵前后都稱取空氣濾芯的質(zhì)量，其差值為濾芯的容塵量。

圖1 空氣濾芯的容塵實驗

1.3 空氣濾芯的過濾效率和氣阻測試

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

圖2 風道測試裝置

1.4 容塵后空氣濾芯的清理、水洗

清理時先用軟毛刷拂去表面浮塵，然后用吹風機盡量吹去可清除塵粒。水洗時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。最后放在陰暗通風處，于室溫下晾干（約需72h）。

1.5 空氣濾芯的光學照片及其濾布的掃描電子顯微鏡測試

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

1.6 空氣濾芯所用濾布的表面水接觸角測試

接觸角（CA）測試是在德國Kruss 公司生產(chǎn)的DSA 100 型設備上進行的。在5 個不同位置分別滴上3μL 的去離子水后迅速進行觀測和拍攝，呈現(xiàn)的數(shù)值為這5 個位置的平均值。

2 結果與討論

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）的過濾效率都超過了95%，達到歐盟BSEN1822 標準的H10 級別；空氣阻力除FC1濾芯明顯較低（約20Pa）外，其他都基本相當（接近50Pa）。容塵4—5g 后，4 種空氣濾芯的氣阻都有明顯增加，而過濾效率除FC4 稍有升高外，其他3 種濾芯都略有下降。進一步容塵至10—20g 后，4 種濾芯的過濾效率都有所下降，其中FC3 濾芯的過濾效率下降最多。用軟毛刷和電吹風清理后，4 種濾芯都殘留7—10g 余塵；氣阻雖都有大幅恢復，但在過濾效率方面，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至接近初始狀態(tài)的值，但FC1—3 濾芯的過濾效率都降低至接近25%，幾乎喪失了過濾性能。而FC4 濾芯的過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、軟毛刷和電吹風清理并水洗后，其過濾效率稍有降低，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、軟毛刷和電吹風清理、水洗后的性能測試結果

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、軟毛刷和電吹風清理并水洗后的SEM 照片?？梢钥闯?，F(xiàn)C1 和FC2 濾芯中的纖維纖度都為1—5μm，這是熔噴無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，因此，F(xiàn)C1—3 濾芯與FC4 濾芯基本相當?shù)倪^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)部電荷實現(xiàn)的。這4 種濾芯中只有FC4 濾芯水洗后可以重復使用，主要是因為不同濾芯具有不同的過濾機制。如圖6 所示，對于FC1—3 濾芯來說，無論其加工方式為熔噴無紡還是針刺無紡，駐極產(chǎn)生的靜電吸附力都是其除塵的主要機制。隨著容塵、清理和水洗的進行，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濾性能。而FC4濾芯是利用機械阻隔的工作機制，容塵開始后，濾餅一定程度的堆積反而有利于過濾效率的提高。在清理和水洗后，基本沒有損害其過濾機制，因此過濾性能可以基本恢復至初始狀態(tài)，滿足重復使用的要求。

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

圖6 駐極式（a）和機械式（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）的空氣過濾機制

如圖7 所示，4 種空氣濾芯所用濾布的表面水接觸角測試結果表明，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，為其重復使用提供了保證。

圖7 4 種空氣濾芯所用濾布的CA 測試

3 結語

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

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