CN95空调滤清器过滤材料性能浅析

夏冬

CN95空调滤清器能够对0.3 μm非油性颗粒的过滤效率达到95%以上。其中，起到主要作用的是CN95过滤材料，而在过滤材料中起到决定作用的是熔喷布性能。熔喷布表面通过超声波或者热熔胶的方式复合1层稀疏基材，可以起到减小阻力，提升容尘量的作用。

空调滤;过滤材料;空气流速;复合方式

0 前言

受新冠病毒疫情影响，口罩已成为人们出行的必备品。N95级别口罩因其高效的过滤效果，可以给人们带来更高级别的防护。近年来，随着我国汽车的普及，人们在汽车内的时间大大增加。作为汽车“口罩”的空调滤清器，其关注度也在逐渐提高。2020年2月12日，天津华诚认证中心推出了国内首个CN95级别认证，即汽车空调滤清器过滤等级认证。根据汽车空调滤清器的颗粒过滤效率指标，认证产品将被划分为5级，其中最高等级为“CN95级”。其中，“C”表示汽车，“N95”表示空调滤清器过滤效率级别，即对0.3 μm非油性颗粒的过滤效率超过95%[1]。

在空调滤清器中，起到至关作用的是滤清器中的“CN95”过滤材料（以下简称“过滤材料”），研究其性能和作用机理具有重要的意义。本文主要从不同材料的组合、复合工艺、气流方向等方面进行浅析。需要说明的是，在同尺寸下，过滤材料的用量、折幅、折数、折角等参数，同样会对空调滤清器的性能起到非常大的影响。能否找出其中的最优比，并建立数学模型，对空调滤清器的研发具有重要的指导意义。因本文篇幅有限，在此不作赘述。

1 试验与测试

1.1 材料的选择

本次试验共选用3种基材和2种N95熔喷布，分别采用3种复合方式进行（图1，图2）。其中，A方式为基材与熔喷布自然层叠;B方式为基材与熔喷布通过超声波进行复合;C方式为基材与熔喷布采用热熔胶进行复合。研究人员通过选取不同的组合，制造出本次试验与测试的过滤材料，并分别进行标示。例如：“1-a-A”代表选用基材1和熔喷布a，通过自然层叠的方式制作出过滤材料。

图1 过滤材料的复合示意图

图2 基材和熔喷布的3种不同复合方式

1.2 试验过程

在相同的测试条件下，研究人员对制造出的过滤材料对其基重和透气量性能分别采用《纺织品 非织造布试验方法 第1部分：单位面积质量的测定》（GB/T 24218.1—2009）[2]和《纺织品 织物透气性的测定》（GB/T 5453—1997）[3]的方法进行测定，对其过滤性能采用《汽车 空调滤清器 第1部分：粉尘过滤测试》（GB/T 32085.1—2015）[4]的方法进行测定。测试项目及试验参数如表1所示。

2 试验结果与讨论

2.1 复合方式对于过滤材料基本性能的影响

选用基材2及熔喷布a，采用不同复合方式的测试结果如表2所示。由表2可以看出，相同材料不同的复合工艺方式会造成CN95过滤材料的基重增加和透气量减小。

在基重方面，由于热熔胶颗粒的加入，热熔胶复合方式在基重方面增加较多，由自然层叠的86.26 g增加到了90.24 g，而采用超声波复合方式只增加了1.28 g。

在透气量方面，由于热熔胶复合方式中热熔胶包裹住了材料的一部分纤维，并且堵塞了一部分材料的空隙，造成透气量明显降低。透气量结果由455.92 L/（m2·s）降低到了440.05 L/（m2·s），而采用超声波复合方式的透气量降低很小，只降低到了455.65 L/（m2·s）。

另外，在测试透气量时，相同基材及相同复合方式，由于进气面的不同（熔喷面/基材面），对透气量也有一定程度的影响。采用基材面进气的透气量均高于熔喷面进气方式，增量约为3.5%～9.6%。

2.2 空气流速、复合方式、进气面对于初始压力降的影响

选用基材1及熔喷a采用不同复合方式的测试结果见图3及表3。从中可以看出，随着空气流速的增加，过滤材料的初始压力降显著增加，比如1-a-A材料的初始压力降由254 Pa增加到了1 141 Pa。这是因为随着空气流速的增大，空气通过介质层的摩擦损失增大，能量损失增大，造成压力降上升。

鉴于基材、熔喷材料空隙结构的均一性不同，以及复合过程中造成的均匀性改变，总体来看，层叠和超声波复合方式结果相近;虽然从结果上来看，采用热熔胶复合方式比层叠、超声波复合方式的压力降更低，但是从理论上来说，由于热熔胶的加入，材料空隙率变低，压力降会更高。导致这一结果的原因可能是热熔胶复合方式受到复合工艺的影响较大，造成材料均匀性较层叠、超声波复合方式较差。

进气面的不同也会对过滤材料的的压力降造成比较大的影响。在本试验中，采用基材面（透气量高）作为进气面的过滤材料，其压力降相对采用熔喷面（透气量低）作为进气面的小。空气流量越大，压力降下降值越大。比如，1-a-B材料随着空气流量的增加下降值由3.7%增加到了12.2%。分析其原因，可能是采用基材面作为进气面，基材起到整流的作用。空气在经过基材后，从“无序”变成相对“有序”状态，减少了熔喷材料的迎风面，起到了减少阻力的作用。

2.3 空气流速、复合方式、进气面对于分级过滤效率的影响

选用基材2和基材3及熔喷布b，采用不同复合方式的测试结果见图4及表4。从中可以看出，随着空气流速的增大，过滤效率除个别数据外基本呈现递减趋势。在空气流量达到600 m3/h（流速2.11 m/s）时，过滤效率降低趋势尤为显著。在空气流量150～300 m3/h（流速0.53～1.05 m/s）时，过滤材料基本能满足0.3 μm非油性顆粒95%以上的过滤效率。

在颗粒物过滤中，过滤效率主要取决于熔喷材料的性能。通过表4中的数据可以看出，采用不同的基材、复合方式及进气面，对过滤材料的性能影响不大。

2.4 空气流速、复合方式、进气面对于容尘量的影响

如图5和表5所示，从趋势上看，过滤材料的容尘量表现为随着空气流速的增加而下降。例如，1-b-B基材随着空气流量的增大，容尘量由1.18 g降低到了0.57 g。

采用超声波和热熔胶复合方式的容尘量会比层叠复合方式的低。例如，在空气流量为300 m3/h条件下，以基材面进气时，相对于层叠复合方式，采用超声波和热熔胶复合方式的容尘量分别由2.05 g降低到1.20 g和1.54 g。

相对于采用基材面进气，采用熔喷面进气的容尘量显著降低，特别是相对层叠复合方式，偏差达到了117%～150%。熔喷面进气容尘量显著降低的可能原因为熔喷面对于颗粒物的拦截效率高，易形成滤饼，堵塞过滤材料空隙，造成了壓力降上升速度加快，导致容尘量偏低。在基材面作为进气面的情况下，首先会对较大颗粒物进行过滤，使进入熔喷面的颗粒物浓度降低，且其表面疏松结构不易形成滤饼。由基材到熔喷布形成的由梳到密的梯度过滤结构，增加了过滤材料的容尘能力。

3 结论

从上述试验可以看出，采用热熔胶复合方式对于过滤材料的基重和透气量影响较大，而采用超声波复合方式对于材料的基重和透气量影响较小，其相关特性近似于层叠方式。考虑到材料的可加工性，在此推荐CN95空调滤清器过滤材料的业内企业采用超声波复合方式进行生产。

在CN95空调滤清器过滤材料的设计制造过程中，在熔喷布表面复合1层稀疏的基材，比如长纤等，除了可以起到保护熔喷布不被破坏，提高材料结构强度等特点外，还能够起到减少过滤材料的进气阻力，提升容尘量的作用。

CN95空调滤清器过滤材料的性能主要取决于材料中熔喷布的性能，在空气流速为0.53～1.05 m/s时，材料的过滤性能尤佳，而复合方式对其过滤性能的影响较小。

[1]CATARC标志认证实施规则 汽车空调滤清器过滤等级[J].中汽研华诚认证（天津）有限公司，2020-2-12.

[2]GB/T 24218.1—2009 纺织品 非织造布试验方法 第1部分：单位面积质量的测定[S].北京：中国标准出版社，2009.

[3]GB/T 5453—1997 纺织品 织物透气性的测定[S].北京：中国标准出版社，1997.

[4]GB/T 32085.1—2015 汽车 空调滤清器 第1部分：粉尘过滤测试[S].北京：中国标准出版社，2015.