新型纳米纤维空气滤芯的可水洗重复使用性能

董成磊，赵军,2＊，邵益勤，李锦珍，刘耀义，钟晨，张晖，张忠,2＊

（1.国家纳米科学中心 中国科学院纳米科学卓越中心 中国科学院纳米系统与多级次制造实验室，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049；3.惠州德赛信息科技有限公司，广东 惠州 516003；4.惠州德赛工业发展有限公司，广东 惠州 516003）

无论是户外防护所用的口罩，还是室内防护所用的空气净化器或新风净化机，其性能主要依赖所用的空气过滤布和滤芯[1—8]。目前，大多数空气防护器具使用的都是以聚丙烯（PP）熔喷无纺布和针刺无纺布为代表的滤布式空气滤芯。以静电驻极的熔喷无纺布和针刺无纺布为代表的驻极式空气滤芯具有过滤效率高、空气阻力低等突出优点，但也存在价格昂贵、无法重复使用等严重缺点[9—17]。这给空气净化器和新风净化机的进一步普及使用带来了一定的阻碍[18，19]。相反，传统的机械式滤芯具有与驻极式滤芯完全不同的工作机制，有望实现多次重复使用[20]。

虽然文献和空气净化产品的宣传中时有提及水洗和重复使用特性，但一般只是将原始空气滤芯或滤布在洁净水中轻微蘸水，然后测试其性能变化。实际上由于滤布材料大多为疏水性的聚合物材料，这一测试过程中水并未真正进入滤芯或滤布的内部。而真正意义上的水洗和重复使用应该是对已使用过并容尘一段时间后的滤芯进行的有效清洗和功能恢复。目前国内外文献中尚未见有系统报道。

正是在这一背景下，本研究将自制的一种新型机械式纳米纤维空气滤芯与市场上几种常用的空气滤芯（国内市场上知名品牌的三种驻极式空气滤芯）作为研究对象，对这4 种滤芯的容尘和水洗重复使用性能进行对比研究，并基于其微观结构和表面能，深入讨论其作用机制，以期对可重复使用空气滤芯的研发起到一定的指导作用。

1 材料与方法

1.1 实验样品

所选用的实验样品为国内市场上知名品牌的H10级别空气滤芯，分别命名为FC1、FC2、FC3，自制的新型机械式纳米纤维空气滤芯命名为FC4。4 种滤芯均为510mm（长）×230mm（宽）×45mm（高）的长方体，边框都为铝质。各空气滤芯的具体材质、加工工艺、打褶方向、褶数及滤布面积等参数见表1，其中NF 为纳米纤维。

表1 四种空气滤芯的参数

1.2 空气滤芯的容尘实验

空气滤芯的容尘实验装置如图1 所示。所用尘源为美国PTI 公司生产的Ashrae#1（简称A1）试验尘，所用人工尘发生器为中国建筑科学研究院研制的建研爱康EMCSO-P011 型，所用新风净化机为北京亚都新风净化工程技术有限公司生产的YJX-D500JS型。实验过程中，先称取一定量的A1 尘，将其以约50mm（宽）×300mm（长）的长方形平铺于人工尘发生器的堆积平台上，然后打开红外灯进行干燥，以3mm/min 的速度往前推进堆积平台，从而将灰尘送进入新风净化机。容尘前后都称取空气滤芯的质量，其差值为滤芯的容尘量。

图1 空气滤芯的容尘实验

1.3 空气滤芯的过滤效率和气阻测试

空气滤芯的空气过滤效率和空气阻力测试是在北京亚都环保科技有限公司研究院的风道测试系统中进行的（装置如图2 所示），采用风速约为300m3/h（0.71m/s）的室内空气为尘源，开机稳定1min 后开始用上海亿欧仪表设备有限公司生产的YJB-1500 型补偿式微压差计读取滤芯前后的气压差，用美国TSI公司生产的9306-V2 型手持式空气粒子计数器测计不同粒径灰尘颗粒的数目。持续读取10min 后计算其平均值。

图2 风道测试装置

1.4 容尘后空气滤芯的清理、水洗

清理时先用软毛刷拂去表面浮尘，然后用吹风机尽量吹去可清除尘粒。水洗时将滤芯先用水流缓慢冲洗，然后调高水流速度，大约持续5min，之后将滤芯放入加有少量洗洁精的水中浸泡2h，再取出并用水流缓慢冲洗2min。最后放在阴暗通风处，于室温下晾干（约需72h）。

1.5 空气滤芯的光学照片及其滤布的扫描电子显微镜测试

4 种滤芯容尘前及容尘后的清理、水洗的光学照片由普通手机拍摄完成，拍摄时手机与滤芯的距离约为10cm。扫描电子显微镜（SEM）测试是在日本Jeol 公司生产的JSM-7500F 设备上进行的，其加速电压为15kV。样品测试前喷涂了一薄层金膜，以利于观测。

1.6 空气滤芯所用滤布的表面水接触角测试

接触角（CA）测试是在德国Kruss 公司生产的DSA 100 型设备上进行的。在5 个不同位置分别滴上3μL 的去离子水后迅速进行观测和拍摄，呈现的数值为这5 个位置的平均值。

2 结果与讨论

由表2 可以看出，4 种空气滤芯的起始PM0.3（粒径为0.3μm 的尘粒）的过滤效率都超过了95%，达到欧盟BSEN1822 标准的H10 级别；空气阻力除FC1滤芯明显较低（约20Pa）外，其他都基本相当（接近50Pa）。容尘4—5g 后，4 种空气滤芯的气阻都有明显增加，而过滤效率除FC4 稍有升高外，其他3 种滤芯都略有下降。进一步容尘至10—20g 后，4 种滤芯的过滤效率都有所下降，其中FC3 滤芯的过滤效率下降最多。用软毛刷和电吹风清理后，4 种滤芯都残留7—10g 余尘；气阻虽都有大幅恢复，但在过滤效率方面，除FC4 滤芯基本不变外，其他都有大幅下降（低至90%以下），FC1 滤芯甚至低至80%以下。值得注意的是，水洗后，除FC4 滤芯的余尘只有0.4g 外，其他3 种滤芯都有6—9g 余尘无法洗掉。4 种滤芯容尘前，以及经容尘、清理并水洗后的照片见图3。由图3 可以看出，只有FC4 滤芯表面和内部灰尘基本被清理掉，部分恢复至初始状态的白色，其他3 种滤芯由于残留较多灰尘而呈现黑色。虽然4 种空气滤芯的气阻都恢复至接近初始状态的值，但FC1—3 滤芯的过滤效率都降低至接近25%，几乎丧失了过滤性能。而FC4 滤芯的过滤效率相较于初始状态基本保持不变。此外，由图4 可以看出，FC4 滤芯经连续10 次容尘、软毛刷和电吹风清理并水洗后，其过滤效率稍有降低，气阻略有下降，基本保持原始性能。

表2 不同空气滤芯经容尘、软毛刷和电吹风清理、水洗后的性能测试结果

图3 4 种空气滤芯容尘前（a1-d1），以及经容尘、软毛刷和电吹风清理并水洗后（a2-d2）的照片

图4 FC4 空气滤芯经连续10 次容尘、软毛刷和电吹风清理并水洗后的性能变化

图5 为4 种空气滤芯容尘前，以及经容尘、软毛刷和电吹风清理并水洗后的SEM 照片。可以看出，FC1 和FC2 滤芯中的纤维纤度都为1—5μm，这是熔喷无纺加工的典型纤维纤度；FC3 滤芯中的纤维纤度更低，为5—10μm，这是针刺无纺加工的典型纤维纤度。FC4 滤芯是由与前两种工艺完全不同的加工工艺得到的纳米纤维，纤度更高，为0.1—0.3μm。这4 种滤芯中的孔隙尺寸与纤维纤度基本相当，因此，FC1—3 滤芯与FC4 滤芯基本相当的过滤效率和气阻主要是由前者经驻极处理后所带的表面和内部电荷实现的。这4 种滤芯中只有FC4 滤芯水洗后可以重复使用，主要是因为不同滤芯具有不同的过滤机制。如图6 所示，对于FC1—3 滤芯来说，无论其加工方式为熔喷无纺还是针刺无纺，驻极产生的静电吸附力都是其除尘的主要机制。随着容尘、清理和水洗的进行，其所带的电荷在不断流失，最终水洗后的滤芯已基本不带电，因此不再具备空气过滤性能。而FC4滤芯是利用机械阻隔的工作机制，容尘开始后，滤饼一定程度的堆积反而有利于过滤效率的提高。在清理和水洗后，基本没有损害其过滤机制，因此过滤性能可以基本恢复至初始状态，满足重复使用的要求。

图5 4 种空气滤芯容尘前（a1-d1），以及经容尘、软毛刷和电吹风清理并水洗后（a2-d2）的SEM 照片

图6 驻极式（a）和机械式（b）纳米纤维滤芯起始状态（a1、b1），以及容尘、清理和水洗后（a2、b2）的空气过滤机制

如图7 所示，4 种空气滤芯所用滤布的表面水接触角测试结果表明，FC1—3 滤芯的CA 值分别为128.3o、128.0o、128.7o，非常接近，这主要是由于其材质都是PP；FC4 滤芯的CA 值较大，达到141.4o，这是由于其材质为疏水性更高的NF。FC4 比FC1—3高得多的疏水性不利于灰尘颗粒的黏附，有利于积尘的清理和水洗，为其重复使用提供了保证。

图7 4 种空气滤芯所用滤布的CA 测试

3 结语

（1）本文通过系统研究表明，驻极式空气滤芯基本不能在水洗后重复使用，主要是因为容尘、清理和水洗都会大幅降低静电式空气滤芯的电荷量，使其丧失过滤性能。而新型机械式纳米纤维空气滤芯具有良好的容尘和水洗性能，是因为容尘、清理和水洗不会大幅损害其过滤机制。宏观、微观形貌观测及表面水接触角的测试都支持这一解释。

（2）新型机械式纳米纤维空气滤芯已经具备水洗可重复使用特性，其关键是纳米尺度的纤维纤度及超低的表面能。