滤纸微纳结构对品质因子的影响

蔡晓堑 唐敏 梁云 胡健

摘要：本研究制备了以亚微米级玻璃棉为主体的微纳结构滤纸，探究了不同粒径过滤颗粒对滤纸过滤性能的影响。结果表明，粗纤维（平均直径0.69μm）滤纸在特定粒径过滤颗粒下表现出优于细纤维（平均直径0.24μm）滤纸的过滤性能。当过滤颗粒粒径≤100 nm 时，粗纤维滤纸对80 nm 和100 nm 颗粒过滤的品质因子最大，过滤性能更好;当过滤颗粒粒径>100 nm 时，滤纸对150、200和300 nm 颗粒过滤的品质因子接近，此时粗纤维和细纤维滤纸的过滤性能接近。关键词：玻璃棉;直径分布;最易穿透粒径;品质因子

中图分类号：TS722   文献标识码：A    DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2021.12.001

Influence of Filter Paper Micro-nano Structure on Quality Factor

CAI Xiaoqian  TANG Min*   LIANG Yun  HU Jian

（School ofLight Industry and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510640）

（*E-mail ：tangminde@163. com）

Abstract ：A micro-nano structure filter paper with submicron glass wool was prepared，and the influence of different particle diameter filter particles on the filtration performance of filter paper was explored . The results showed that the filter paper with crude fiber （ average diameter of 0.69μm） had better filtration performance than the filter paper with fine fiber （average diameter of 0.24μm） under a specific particle size. When the filter particle size was less than or equal to 100 nm，the filter paper with crude fiber had the largest quality factor for 80 nm and 100 nm particles，and the filtration performance was better. When the filter particle size was greater than 100 nm，the filter paper had a similar quality factor for 150 nm，200 nm and 300 nm particles，and the filtration performance of filter paper with crude fiber and filter paper with fine fiber was similar.

Key words ：glass wool;diameter distribution;most penetrating particle size;quality factor

隨着工业化和城市化进程的不断加快，我国空气污染问题不断加剧[1]。高效空气滤纸能有效去除悬浮在空气中的细小微粒，在超大规模集成电路、原子能发电站、放射性医疗、食品加工、制药及精密制造等工业领域具有广泛的应用[2]。品质因子是滤纸穿透率的对数值与过滤阻力的比值，是评价滤纸优劣的关键指标[3]，穿透率和过滤阻力越小则品质因子越高，品质因子越高，说明滤纸的过滤性能越好[4]。纤维直径是影响空气滤纸结构和性能的重要因素[5-7]，经典过滤理论认为，纤维直径越小，滤纸的过滤性能越好[8-9]。更高过滤效率、更低过滤阻力的高效空气滤纸是未来的发展趋势。空气滤纸主要由微米纤维和纳米纤维组成，是一种典型的微纳结构，其中，高效空气滤纸以亚微米级纤维（100～1000 nm）为主体，然而，目前对于亚微米级纤维占主体滤纸的研究较少，研究者们主要集中在微米级纤维占主体滤纸的结构和性能的研究[10-12]。

纤维直径是影响微纳结构滤纸过滤性能的重要因素，同时，玻璃棉的直径具有一定的离散性分布，因此对其直径的表征是滤纸研究的重点和难点。目前常用的玻璃棉直径表征方法主要有打浆度法[13]、自动成像分析技术[14]、BET 比表面积法[15]、显微镜法[16-18]等。显微镜法是目前最直接的一种直径表征方式，本研究采用此法进行纤维直径的表征。

最易穿透粒径法是评价高效滤纸过滤性能最严格的方法，它能准确反映微纳结构对高效滤纸性能的影响。最易穿透颗粒（ MPPS ）[19]通常是指粒径范围为100～300 nm 的颗粒，这一粒径范围的颗粒最难被纤维捕集。目前关于过滤颗粒的研究主要集中在颗粒形状[20]、颗粒电荷[21]、颗粒类型等方面，Wang 等人[22]通过开发的数值模型研究了不同粒径颗粒下滤纸的品质因子。结果表明，对于小于100 nm 的颗粒，微米纤维滤纸比纳米纤维滤纸拥有更好的过滤性能。Hung 等人[23]将平均直径分别为185 nm 和94 nm 的纤维与同一微米级基材复合并在相同测试面流速下进行效率测试，结果显示，平均直径为94 nm 的纤维复合滤纸对100～380 nm 的颗粒过滤品质因子较高;而平均直径为185 nm 的纤维复合滤纸对50～90 nm 的颗粒过滤品质因子更高。上述研究虽然探讨了颗粒粒径对过滤过程的影响，但是尚未研究颗粒粒径对以亚微米级纤维占主体滤纸过滤性能的影响。

综上所述，为了深入探究在不同粒径过滤颗粒下微纳结构对滤纸过滤性能的影响，本研究利用显微镜法对玻璃棉直径进行表征，制备4种不同直径分布的滤纸，并通过透气度、过滤效率和品质因子等的分析，探究滤纸在不同粒径过滤颗粒下的过滤性能，为高效空气滤纸的结构设计和性能优化提供了指导。

1 实验

1.1  实验原料及仪器

4种不同规格的玻璃棉，编号分别为： BLM1（打浆度65°SR）、 BLM2（打浆度61°SR）、 BLM3（打浆度44°SR）、 BLM4（打浆度34°SR）。1种短切玻璃纤维（以下简称短切玻纤），直径6μm ，长度7 mm，编号是 BX。

95568纤维疏解机，澳大利亚 PTI 公司; NO.2542-A 自动抄片器，日本 KRK 公司;Modles 140平板干燥器，美国 Emerson 公司;Phenom G2 Pro 扫描电子显微镜 （ SEM ），荷兰 Phenom-World 公司; ME203E/02精密电子天平，瑞士 METTLER TOLEDO 公司;ImageJ 纤维自动测量软件，美国 National Insti? tutes of Health;FX 3300透气度仪，瑞士Textest公司; YG142厚度仪，宁波纺织仪器厂; CFP-1100-A 毛细流量孔径测试仪，美国 PMI 公司。

1.2  实验方法

1.2.1  玻璃棉直径分布的测定

采用显微镜法对玻璃棉纤维直径进行自动和手动测量，所用测试软件为 ImageJ。

1.2.2  亚微米级纤维滤纸的制备

分别称取玻璃棉和短切玻纤于纤维疏解器中，加入稀 H2 SO4控制混合纤维悬浮液的 pH 值为2.5～3.0，设置疏解转数为12000转。将疏解完成的浆料倒入纸页成型器中，加水混合至10 L ，并加入稀 H2 SO4调整 pH 值。叠放10张吸水纸于湿纸幅上，用圆滚筒轻轻滚压，接着将手抄片放置于平板干燥器中，干燥温度105℃，翻面时间间隔为2 min ，直至达到恒质量。使用透气度仪在测试压力200 Pa 、测试面积20 cm2的测试条件下，控制滤纸透气度在30～40 mm/s ，滤纸配方如表1所示。

1.2.3  表面形貌表征

使用扫描电子显微镜观测滤纸的表面形貌。

1.2.4  厚度测试

按照 GB/T 3820—1997，使用厚度仪对滤纸的厚度进行测量。

1.2.5  透氣度测试

按照 GB/T 5453—1997，使用透气度仪对滤纸的透气度进行测量。

1.2.6  孔径测试

使用毛细流量孔径测试仪测量滤纸的平均孔径。

1.2.7  过滤效率测试

图1为本研究根据相关标准和文献[24-25]搭建的高效滤纸过滤效率测试装置，该装置主要分为4个组成部分，分别是空气净化系统、气溶胶发生系统、单分散颗粒筛分和计数系统、过滤效率测试系统。其工作原理为：压缩空气经空气净化系统后成为洁净空气，通过改变质量流量控制器的流量来控制进入雾化器（3076，美国 TSI 公司）的洁净空气流量，从而产生不同粒径分布的多分散 NaCl 气溶胶，这些气溶胶经吸水硅胶后被充分干燥，成为固体颗粒，并进入差分电迁移率分析仪（3082，美国 TSI 公司）进行筛选，得到单分散粒径的颗粒，随后单分散颗粒经中和器达到玻尔兹曼电荷平衡状态，接近大气环境中的颗粒实际带电状况，然后与洁净空气混合进入特殊夹具，含有单分散 NaCl 颗粒的混合气体进入测试管道并流过滤纸。在夹具上下游采用凝结核粒子计数器（3775，美国 TSI 公司）测试上下游颗粒浓度，并由式（1）计算穿透率 P。

式中，Ndown和Nup分别为下游和上游颗粒的数量浓度，个/cm3;E 为过滤效率，%。

本研究中，过滤效率的测试颗粒粒径为80、100、150、200和300 nm ，滤纸有效测试面积为5 cm2，测试面流速为5 cm/s。

2 结果与讨论

2.1  玻璃棉直径表征

为了探究显微镜法自动测量玻璃棉直径的可靠性，对手动和自动测量的玻璃纤维直径进行对比。一般采用图像法手动测量足够数量的纤维，认为得到的平均直径是可靠的。通常纤维直径越小测量误差越大，因此，选择4种玻璃棉中最细的 BLM1进行实验， BX 和 BLM1的自动和手动平均直径测量结果对比见表2。图2为 BLM1自动和手动测量直径分布对比图。

从表2可以看出，对于直径分布均一的 BX ，显微镜法自动与手动测量的平均直径非常接近，误差仅为0.1%;而对于纤维直径呈现多分散分布的 BLM1，显微镜法自动与手动测量的平均直径结果较为接近，误差为4.2%。结合图2可知，自动和手动测量 BLM1的直径分布的整体趋势较为接近，其中自动测量的峰值略低于手动测量的峰值，这可能与手动测量过程中的人工测量误差和自动测量过程中的纤维识别误差有关。综上，显微镜法自动测量能较为快速和准确地测量纤维直径分布，适用于玻璃棉直径的表征。

显微镜法自动测量4种玻璃棉的直径分布见图3，测得 BLM1～BLM4的平均直径分别为0.24、0.31、0.55和0.69μm 。打浆度可以粗略地反映纤维的粗细，根据4种玻璃棉的出厂打浆度值可知，从 BLM1到 BLM4，打浆度逐渐减小，说明纤维直径逐渐增大，这和使用显微镜法自动测量的纤维平均直径变化趋势一致。

2.2  滤纸表面形貌分析

图4为滤纸 A 、B 、C 、D 的 SEM 图。从图4可以看出，4 种滤纸的纤维直径粗细不均，主要为0.2～6.0μm ，呈现典型的微纳结构。从滤纸 A 到滤纸 D，纤维直径逐渐增大。滤纸 A 、B 、C 、D 表面结构较为致密，形成的孔隙结构较小。

2.3  纤维直径对滤纸基本性能的影响

表3是4种滤纸基本性能的测试结果。从表3可以看出，4种滤纸的透气度在32～38 mm/s 之间，这说明4种滤纸的透气度变化不显著。在过滤过程中，透气度和过滤效率是影响品质因子的关键因素，因此，4种滤纸的透气度差距小保证了滤纸间过滤性能的可对比性。

孔径是影响滤纸过滤性能的重要因素，纤维直径直接影响滤纸的孔径。紧度反映的是滤纸的紧密程度。由表3还可以看出，从滤纸 D 到滤纸 A ，滤纸的孔径呈逐渐减小趋势，滤纸 A 、B 、C 的紧度基本不变，滤纸 D 的紧度略小。这是因为随着组成滤纸的纤维直径的减小，粗纤维所占组分减小，细纤维占比增加，更多的细纤维穿插在纤维骨架结构中，使得大孔隙被分割成小孔隙，纤维之间交织得更加紧密，因此，滤纸平均孔径减小，紧度略为增大。

2.4  纤维直径对滤纸穿透率的影响

为了探究在不同粒径过滤颗粒下纤维直径对微纳结构滤纸过滤性能的影响，在测试面流速为5 cm/s 的条件下，对滤纸 A 、B 、C 、D 在80～300 nm 的单分散颗粒下进行过滤效率测试，并做出穿透率分布图，结果见图5。从图5可以看出，4种滤纸的穿透率均有唯一的最高点（ MPPS ）。根据深层过滤机理[26]，在颗粒过滤过程中，小颗粒（<100 nm）在过滤过程中主要进行布朗运动，通过扩散效应被纤维捕集，这种小颗粒随着粒径的增大，扩散效应越来越弱，颗粒被捕集的机会减小，从而使得过滤效率降低。大颗粒（>150 nm）由于质量相对较大，所以在过滤过程中具备足够的动量，能较易从流线中脱离出来，并通过惯性效应被纤维捕集，这种大颗粒随着粒径减小，惯性效应减小，颗粒越难被纤维捕集，从而出现过滤效率降低的现象。而对于粒径范围在100～150 nm 之间的颗粒而言，扩散效应和惯性效应都不足以使得其被纤维捕集，因此，该粒径范围内的颗粒能较易穿过滤纸纤维层而成为最易穿透颗粒。

此外，笔者还发现随着玻璃棉平均直径从0.24μm 增大到0.69μm ，最易穿透粒径从100 nm 增大到150 nm 。滤纸的孔隙结构复杂，颗粒除了被滤纸表面拦截外，也有部分会随着气流进入滤纸孔道内，裹挟着颗粒的气流难以通过狭窄的孔道，极大地增加了颗粒与纤维摩擦和碰撞的概率[27]，因此，滤纸的孔隙越小，颗粒被纤维捕获的几率就越大。同时，随着组成滤纸纤维直径的减小，滤纸的孔隙被分割，成为更小的孔隙。根据上述最易穿透粒径的相关内容可知，最易穿透粒径受扩散效应和惯性效应的综合影响。而随着纤维直径的减小，滤纸孔隙变小，由于惯性效应和扩散效应的不足而穿透纤维滤纸的颗粒粒径会有所減小。因此，滤纸 A 和 B 的最易穿透粒径小于滤纸 C 和 D 的最易穿透粒径。

2.5  纤维直径对滤纸品质因子的影响

穿透率的对数值与过滤阻力的比值称为品质因子[3-4]，品质因子是评价滤纸过滤性能的综合指标，品质因子越大，滤纸的综合性能就越好。滤纸的穿透率 P 针对的是同一粒径的被过滤颗粒。品质因子的计算如式（2）所示。

式中，  Q 是品质因子， Pa1;Δp 是过滤阻力， Pa ;P 是穿透率，%。

为了评价纤维直径对含有微纳结构滤纸过滤性能的影响，采用品质因子对滤纸综合性能进行分析，4种滤纸在80～300 nm 颗粒粒径下的品质因子如图6所示。从图6可知，不同粒径过滤颗粒对应的滤纸品质因子有所差异。玻璃棉纤维平均直径从0.69μm 减小到0.24μm 的情况下，当颗粒粒径为80 nm 时，滤纸品质因子从3.63×10-2 Pa-1减小到3.19×10-2 Pa-1，减小约12.2%;当颗粒粒径为100 nm 时，滤纸品质因子从3.34×10-2 Pa-1减小到3.03×10-2 Pa-1，减小约9.1%。当颗粒粒径为150 nm 和200 nm 时，玻璃棉平均直径为0.24μm 的滤纸品质因子最大，分别为3.12×10-2 Pa-1和3.30×10-2 Pa-1，其中，最大和最小品质因子间的变化幅度分别为4.8%和4.6%。当颗粒粒径为300 nm 时，玻璃棉纤维平均直径为0.69μm 的滤纸品质因子最大，为3.51×10-2 Pa-1，最大和最小品质因子间的变化幅度为7.8%。

一方面，基于经典单纤维理论可知，纤维直径越小，过滤效率越高[8-9]。纤维直径的变化会引起滤纸结构发生变化，纤维直径减小，意味着细纤维占比增加，更多的细纤维穿插在纤维骨架结构中，使得大孔隙被分割成小孔隙，纤维之间交织得更加紧密，表现为滤纸平均孔径减小和紧度增大（表3），并且随着小孔隙增多，气流通过滤纸表面时颗粒与纤维发生摩擦和碰撞的概率会大大增加，表现为过滤效率增大。同时，气流通过滤纸时产生的动量损失会增大，表现为过滤阻力增大。另一方面，通常利用滑流效应[28]来解释纳米纤维滤纸的压降降低和过滤效率增大现象。随着纤维尺寸减小至纳米级，纤维直径与空气分子平均自由程接近，流过滤纸的气流不能看成连续流体，与连续流相比，处于滑移流状态的物体对迎面而来的塞流扰动更小，因此流线更直，更接近纤维，表现为过滤效率增大。同时，空气分子碰撞纤维的几率减小，动量交换减少，流体对纤维的拖拽力减小，表现为过滤阻力降低。

综上所述，可以得到如下结论：品质因子作为综合评价滤纸过滤效率和过滤阻力的指标与纤维直径没有必然联系;在滤纸结构和性能的优化过程中，需要根据过滤颗粒粒径对滤纸结构进行设计以得到具有较佳品质因子的滤纸;当颗粒粒径≤100 nm 时，粗纤维（0.69μm）滤纸对80 nm 和100 nm 颗粒过滤的品质因子最大，分别为3.63×102 Pa1和3.34×102 Pa1，过滤性能更好;当颗粒粒径>100 nm 时，滤纸对150、200、300 nm 和 MPPS 颗粒过滤的品质因子接近，此时，纤维平均直径为0.24～0.69μm 的滤纸品质因子差别较小，粗纤维和细纤维滤纸的过滤性能接近。Wang 等人[22]通过开发的数值模型研究了不同粒径颗粒下纤维滤纸的品质因子，结果表明，对于小于100 nm 的颗粒，粗纤维滤纸比细纤维滤纸拥有更好的过滤性能，这和本研究的实验结论相匹配。

3 結论

采用4种不同直径分布的玻璃棉制备滤纸，探究在80～300 nm 过滤颗粒下纤维直径对微纳结构高效滤纸结构和性能的影响，为高效空气滤纸的结构设计和性能优化提供了指导。

3.1  粗纤维（平均直径为0.69μm）滤纸在特定粒径过滤颗粒下表现出优于细纤维（平均直径为0.24μm）滤纸的过滤性能。

3.2  随着玻璃棉平均直径从0.24μm 增大到0.69μm，高效滤纸的最易穿透粒径从100 nm 增大到150 nm，平均孔径逐渐增大，紧度略为减小。

3.3  对于以亚微米级玻璃棉为主体的微纳结构高效滤纸，当过滤颗粒粒径≤100 nm 时，粗纤维滤纸对80 nm 和100 nm 颗粒过滤的品质因子最大，过滤性能更好;当过滤颗粒粒径>100 nm 时，滤纸对150、200和300 nm 颗粒过滤的品质因子接近，此时粗纤维和细纤维滤纸的过滤性能接近。

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（责任编辑：董凤霞）