简析非织造液体过滤材料

朱传龙，陈 运，吴曦桐，叶思文，许颖琦

(上海工程技术大学，上海201620)

简析非织造液体过滤材料

朱传龙，陈 运，吴曦桐，叶思文，许颖琦

(上海工程技术大学，上海201620)

文章文介绍了非织造液体过滤材料的过滤原理、分类，探讨了过滤指标及测试方法，并对其应用进行了展望。

液体过滤；非织造；测试方法；发展

液体过滤是利用过滤介质的特殊结构，使液体中的杂质在液体流过介质中的孔隙时被截留在介质的表面或内部而除去。如何获得更好的过滤介质是解决过滤问题的关键。

非织造液体过滤材料中的纤维是杂乱分布的，载体在流过过滤材料时分散效果加强，因此增加了悬浮粒子与单纤维碰撞和粘附的机会。与机织布、针织布相比，非织造布的生产工艺流程短，可以在一条生产线上完成，生产方式多样、简单、经济合理，并且其化学稳定性、耐高温性良好，更能满足人们对过滤器洁净高效、寿命持久的要求[1-5]。从纤维原料超细化到纳米技术，新工艺技术的应用带动着非织造过滤器材市场不断壮大。所以在国内外用做液体过滤材料的介质多数为非织造液体过滤材料。

1 过滤原理

固—液相过滤是一种复杂的过程，其原理是:当杂质与滤材表面接触时，通过纤维的拦截作用、杂质自身的惯性沉降作用、扩散作用等将颗粒截留并吸附最终形成沉淀[6]。其基本的过滤原理大致可分为：

(1)拦截除杂：这种分离过程较为简单，当液体与其中的固体物质同时通过过滤材料时，由于固体物质的尺寸大于过滤材料的孔径，无法通过滤材的微孔，滞留在滤材表面，从而起到分离作用。倘若杂质的体积形态不发生变化，滤材就会牢固地将其捕捉，滤材的这种捕捉能力越强，其分离作用越强。

(2)吸附除杂：在过滤过程中，由于滤材与固体微粒间的分子引力或静电引力，滤材与悬浮物之间有明显的物理吸附作用，使固体微粒吸附在滤材上，从而使流体与固体微粒相分离。此外，在水中，砂粒表面常常表现出负电性，当遇到表现出正电性的铁铝时，两者会相互吸引，吸附在一起，使滤材的表面形成正电性薄膜，进一步吸附如粘土、有机胶体等负电性的物质，形成絮凝。

(3)滞留除杂：含有杂质的液体通过滤材时，在惯性作用下，杂质流入滤材空隙时，会滞留并被吸附在滤材上，致使固液分离。当杂质微粒较小时，这种除杂方式效率与滤液的流速、粘性、压力等方面有关。

(4)重力沉降：废水通过过滤介质时，介质表面具有巨大的面积可供废水中的杂质沉降。滤料的直径和过滤速度可以有效影响重力沉降的强度，滤料越小，沉降面积越大；滤速越小则水流越平稳，这些都有利于悬浮物的沉降。

以上几种过滤机理会同时存在于液体过滤的整个过程中，几种过滤形式相互组合，以达到固液分离的过滤效果[7]。

2 非织造液体过滤材料的分类

2.1 按过滤介质分类

2.1.1 表面过滤

又称为滤饼过滤。所谓滤饼过滤即进入滤材的颗粒在滤材孔中如架桥式使孔径缩小，提高了过滤精度，停留在滤材表面的颗粒逐渐形成如饼状。这样起到真正过滤作用的即为滤饼。可细分为以下三类：

(1)格筛过滤——过滤介质为栅条或滤网，此种过滤方式一般适用于大流量、对过滤精度要求不高的场合。

(2)微孔过滤——成型滤材的滤芯做成蜂房形状，或滤芯由滤布、滤片等叠加而成。或者在滤材表面涂上一层助滤剂(如硅藻土)形成孔隙细小的滤饼。根据过滤精度的不同采用不同的过滤材质，用来去除粒径不同的颗粒。

(3)膜过滤——在一定的推动力下，使液体流过孔径极小且具有选择性地半透明膜介质，可以选择性地除去滤液的细菌、病毒、有机物等。膜过滤其耐高温腐蚀等优越性使其获得了越来越多的应用，但是相对高昂的价格和高技术限制使其还未能够完全普及[3]。

2.1.2 深层过滤

深层过滤多采用针刺、热熔类非织造过滤材料，水中的杂质滞留在某一深度的滤层中。这种深层过滤有别于以上三类表面过滤过程，简称过滤。非织造布深度过滤主要由材料上的纤维孔隙大小的分布和特殊的三维结构来决定。在深度过滤结构中，粒子通道变窄，并开始截留更精细的粒子。

2.2 按滤料的形状分类

按滤料的形状可分为筒状(或口袋)和非筒状过滤材料，其中筒状过滤材料不但应用在表面过滤，也应用于深层过滤。筒状滤料具有捕集率高、阻力小的特点，在液体过滤中一般安放于管道过滤器之内。而非筒状滤料常以平板式或圆柱式使用。

2.3 按纤网成形方法和纤网加固方法分类

非织造液体过滤材料工艺的主要环节是纤网的形成和加固。纤网中的纤维是杂乱分布的(如图1所示)。

图1 纤网中纤维分布

按纤网的成形方法可分为干法成网非织造过滤材料(即聚合物挤出成网非织造过滤材料如纺丝，熔喷，静电纺，薄膜挤出等)和湿法成网非织造过滤材料，湿法成网也称水力成网。

按纤网的加固方法也可分为机械加固法，化学粘合法，热粘合法如热熔纤维，粉剂，薄膜等[8]。

3 非织造布液体过滤材料过滤指标及测试方法

3.1 过滤精度

过滤精度即过滤器的滤芯的孔径，包含杂质的溶液通过过滤网时，允许通过的最大颗粒的尺寸，但此处不能简单地理解为材料的最小孔径。过滤去除某种尺寸以上颗粒的效率即为过滤精度。有时过滤效率也表示过滤精度值，以百分比表示:

式中:n1——过滤入料中某一粒度的颗粒数；

n2——滤液中同一粒度的颗粒数。

过滤效率是一项重要的评价指标，能准确反映滤材的过滤效果[6]。

3.2 透气性

透气率是在滤材两边的压力差一定时，通过滤材单位面积的空气量与时间之比，其本质是气体流动速度。透气性直接影响滤器成品的流量阻力。常常用透气率表示。透气率与过滤阻力呈负相关，透气率越大，过滤阻力越小，所以可以用透气率间接表示过滤阻力[9]。测定透气性的基本方式是测量某一面积滤材上通过定量气体时的阻力大小，基于这种方式国际上衍生出多种透气性的测量方法。透气率的高低与过滤材料的过滤效果有密切联系。

3.3 纳污容量(饱和度)

纳污容量是指滤材能接受滤质的最大重量。液体过滤和气体过滤的测试均用称重法测定。

3.4 孔径

孔径评估是衡量非织造液体过滤材料过滤质量的最重要指标，它包括最大孔径、最小孔径、平均孔径、孔径分布等。通过滤质的大小由孔径尺寸来控制，过滤速率由孔径和孔数确定。因此，为了有效评估过滤材料的效率和有效性，需要对过滤材料的孔隙结构特征进行评估，对孔径的测试也显得尤为重要。

孔径的测试包括直接法和间接法。对测量样品表面孔径的大小通常用的是直接法，包括显微镜直接观察法、X射线小角度散射测量法等。而对有一定厚度或孔隙有深度的多孔材料则采用间接测试方法。因此，对于非织造液体过滤材料重点介绍以下几种间接测试方法：

(1)液态挤压法

对孔径的测量主要采用液态挤压技术，即样品由一种自由能相对较低的液体自发地填充，并放置在膜与膜之间，该膜的最大孔径小于样品的最小孔径，气体在压力作用下将液体挤出，液体流过膜的孔隙。通过对气压差和挤出液体的量进行孔径的测量。该方法要求样品表面光滑并且这种方法只局限于测定过滤介质中的最大孔径。

(2)气孔流量法

毛细管流动分析是一种液态挤压技术在不同气体压力和流速通过干、湿样品时的测量。孔的直径，最大孔径，平均流量孔径，孔径分布，包络面面积和气体渗透性均可测量。这种技术同样可以用于测量液体的渗透性[10]。该方法要求样品具有较高的强力。

(3)水银压入法

水银压入法是一种众所周知的技术，已经广泛地用于孔结构的测量。水银对非织造布是不润湿的，水银不会自发地进入微孔，但可以被迫压入。把水银强压入微孔所必须的压力是由微孔的直径决定的，通过测量压力和压入量得到直径、盲孔和孔的数量。然而，这种技术只能检测孔隙直径和盲孔，而且汞侵入所需的压力可能大大扭曲孔隙结构。相比之下，液态挤压技术有许多优点。

4 产品的应用与展望

液体过滤已经渗透到我们生活的方方面面，应用领域广泛。食品与饮料行业、生物工程与医药行业、涂料油漆与油墨行业，纺织、印染、造纸工业等都需要液体净化过滤。

开发新型的液体过滤材料是人们一直致力解决的问题。经过采用等离子体、流刻蚀、晕放电等方法进行表面接枝改性的熔喷非织造布其亲水性大大提高，过滤效率和过滤效果有很大的改进。预计未来20年非织造过滤材料和膜技术方面的创新可以更有效地淡化海水，以解决未来近20亿人口所面临的水资源短缺甚至生存问题。在非织造布过滤方面我们还有很长的路要走，新型非织造布过滤材料需要我们去开发。

[1] 董琳琳,陈明智,杨光烈,陈庆军.浅谈液体过滤材料的开发[J].非织造布,2007,(2):8—10.

[2] 邢声远,张建春,岳素娟.非织造布[M].北京:化学工业出版社,2003.

[3] 翟亚丽,张海霞.纺织品检验学[M].北京:化学工业出版社,2008.

[4] 何志贵,陈庆东.非织造材料标准手册[M].北京:中国标准出版社,2009.

[5] 叶奕梁.非织造过滤材料不惧经济衰退[J].非织造布,2012,(1):21—22.

[6] 刘燕慧,陈龙敏,陈喆,刘建立.熔喷非织造材料厚度对过滤性能的影响[J].产业用纺织品,2012，30(11):17—20.

[7] 郭秉臣,王瑞,张建鹏.非织造布液体过滤材料[J].非织造布,1994，(3)：21—23.

[8] 姜怀.纺织材料学[M].上海:东华大学出版社,2009.

[9] 应伟伟,张慧芳,祝成炎,施淑波.水刺复合过滤材料的过滤性能研究[J].产业用纺织品,2013，31(7):22—25.

[10] 倪冰选,张建鹏.非织造布孔径及过滤效率研究[J].产业用纺织品,2012,30(3):25—28.

[11] 武松海，袁传刚.驻极体非织造材料在空气过滤方面的应用特点[J].山东纺织科技，2012，53(1)：50—53.

Brief Analysis on the Non-woven Liquid Filtration Material

ZhuChuanlong,ChenYun,WuXitong,YeSiwen,XuYingqi

(Shanghai University of Engineering and Science,Shanghai 201620，China)

The filtration principles and classification of non-woven liquid filtration material were reviewed in this paper. The filtering indicators and test methods were discussed. The application of Non-woven liquid filtration material were prospected.

liquid filtration; non-woven; test method; development

2014-09-28

上海工程技术大学大学生创新活动计划资助项目(cx1309007)

朱传龙(1992—)，男，山东聊城人，学士。

TS176

A

1009-3028(2015)01-0039-03