PTFE高效滤料的容尘性能优化研究

　　摘要分别用M6低阻玻纤滤料以及驻极体滤料对PTFE高效滤料的迎风面基材进行替换，对改造复合后的新型高效纤维滤料进行容尘性能实验，结果显示，在生命周期内不同阶段，复合滤料在保持原有PTFE滤料低阻力性能的同时，可以明显改善PTFE滤料容尘性能的不足，从而在一定程度上改善滤料的能耗性能，为高效纤维滤料及过滤器性能优化及应用提供借鉴。

　　关键词迎风面基材;复合滤料;容尘性能;能耗性能

　　0引言

　　随着社会的不断进步，高效空气过滤器(HEPA)的应用范围不断扩展，逐渐深入至微电子、制药、医院、食品、化妆品、环保、核工程以及军事等诸多领域[1]。对于高效和超高效过滤器而言，过滤材料的性能从根本上决定过滤器性能。其中，高效滤料的容尘性能将决定高效过滤器的使用寿命，是高效滤料的研究重点之一。但是在高效滤料的研究中大多集中在高效滤料的效率研究，而关注高效滤料结构优化以及容尘性能改善的研究和文献则相对较少，并未得到足够的重视。

　　玻璃纤维和膨胀聚四氟乙烯薄膜(PTFE)是目前高效过滤器常用的两种高效空气过滤材料，而PTFE在实际应用中存在的主要问题是容尘量不足[2]。常用高效PTFE滤料分为三层结构，中间层为PTFE薄膜，起主要过滤作用，而上下各贴附一层起支撑作用的无纺布基材，这与传统玻纤材料有明显区别。但相关研究[3]发现PTFE滤料表面迎风面基材几乎没有任何容尘能力，因此如果能对PTFE滤料的迎风面基材加以改善，使PTFE滤料在充分发挥其初阻低的优点的同时，进一步改善其容尘性能。本研究的目的是对PTFE滤料的结构进行滤料复合优化，对优化改造后的新型纤维复合滤料进行相关容尘实验，并与传统的高效纤维滤料进行比较，分析优化后的PTFE高效滤材的容尘性能，可为新型高效空气过滤器性能优化提供参考。

　　1实验装置与实验设计

　　1.1滤料的制备

　　玻纤滤料和驻极体滤料作为目前常用的高效过滤材料，具有较好的动态阻力性能。传统PTFE滤料由三层结构组成，即迎风面基材、PTFE滤料以及背风面基材，其中迎风面基材仅起到部分支撑作用，因此拟选取H14等级的PTFE滤料，分别用M6等级的低阻玻纤以及99.5%过滤效率的驻极体滤料对PTFE滤料迎风面基材进行替换，经相关工艺加工，制备得到PTFE-玻纤复合滤料与PTFE-驻极体复合滤料。

　　1.2实验装置以及实验台

　　本实验采用的高效滤料容尘性能实验装置依据GB/T6165-2008[4]等相关标准搭建，主要由空气压缩机，冷干机，空气过滤器，气溶胶发生器，人工发尘器，喷嘴流量计，变频风机，控制器等组成，主要实验仪器型号及作用如下:

　　1)按照标准设计的气液二相流多分散气溶胶发生器，用于对高效滤材容尘。2)PalasPromo2000气溶胶粒径谱仪，基于光散射原理测量上下游气溶胶浓度，同时确保气溶胶浓度保持稳定，测试颗粒粒径范围0.23)TG328A(S)分析天平用于滤料的称重，量程为0g~200g，分度值为0.1mg，满足测试的精度要求。

　　1.3试验方法

　　高效过滤材料容尘性能试验方法如下：1)实验开始前开启冷干机运行至稳定状态实验气流的湿度控制在50%左右。2)将实验滤材(包括标准PTFE滤料、玻纤复合滤料、PTFE-驻极体复合滤料玻纤滤料)根据实验台的尺寸进行裁剪，分析天平进行称量，记录滤料样品的初始质量3)在气溶胶发生器中加入适量KCL溶液，通过调节气溶胶发生器的干空气支路的电子调压阀使发生的气溶胶相对湿度保持在设定值，待湿度稳定后关闭气溶胶发生器的电子调压阀。

　　4)将称量完毕后的滤料固定在试验台的滤料夹具上，开启风机，使风量稳定在滤材的滤速为5.3cm/s)，再次打开气溶胶发生器的电子调压阀。同时开启数据自动记录系统，记录样品的阻力、通过样品的风量、相对湿度据记录的间隔为3s。5)待滤料样品的终阻力达到预期阻力时，关闭风机和各电子调压阀，取出容尘后的滤料样品，放入电子天平称重得到容尘后的滤料重量实验采用1%浓度KCl50%，设定试验滤料样品的容尘终阻力为了验证测试用气溶胶颗粒分布是否与实际使用工况相符，通过测试环境空气经质量粒径分布，并与实验用气溶胶质量粒径分布进行对比，环境空气经滤后的质量粒径分布集中在小粒径段，与实验所发生的气溶胶质量粒径分布相似，生浓度以及粒径分布完全可以反映高效滤料的实际容尘性能。

　　2结果与讨论

　　从整个容尘过程来看，PTFE滤料的动态阻力曲线近似于直线，这与其他滤料显著不同。这表明滤料的阻力均匀增加，并且增长速率载过程中变化不明显。值得注意的是，PTFE-驻极体复合滤料H14玻纤滤料呈现明显分段式阻力曲线，结合体和PTFE滤料的特性，前期阻力增加过滤阻力随容尘量的增加而呈线性上升进入表面过滤阶段之后，两种滤料的容尘阻力曲线几乎拥有相同的斜率。而PTFE-M6玻纤复合滤料随着容尘的进行，阻力增长逐渐变缓，较其他三种滤料的容尘性能优势明显。

　　在整个容尘过程中，料阻力增长系数K3值较高，阻力增长较快，而驻极体复合滤料与标准玻纤滤料阻力增长系数变化一致，呈现出迅速升高后缓慢降低的走势，反映过滤模式由深层过滤到表面过滤阶段的转变。同时PTFE-M6玻纤复合滤料则从较高的容尘阻力系数K3逐渐降低并稳定在低水平值。PTFE滤料纤维层厚度很小，纤维层内部容尘空间也很小，颗粒物主要在纤维表面沉积，初步形成了“粉尘层”，PTFE滤料的容尘阻力曲线更接近一条直线，初期的非线性部分非常短。

　　本文提出了两种对PTFE滤料的迎风面基材的结构优化方案，并系统探究了四种高效滤料PTFE滤料、PTFE-玻纤复合滤料和PTFE-驻极体复合滤料的容尘性能差异，通过实验的对比，可以得出以下结论：

　　1)在5.33cm/s的风速下PTFE滤料，PTFE-玻纤复合滤料，PTFE-驻极体复合滤料以及标准H14玻纤滤料的初阻力分别为120Pa、132Pa、131Pa和288Pa，两种复合滤料依然维持本身初阻低的性能优势。

　　2)通过比较阻力增长系数K3，由于驻极体滤料主要通过静电作用吸附颗粒，且孔隙率大，因此PTFE-驻极体复合滤料初始K3值低，随着容尘的进行，颗粒快速堆积在表面形成表面过滤，K3逐渐增加最后趋于稳定。相反PTFE-M6玻纤复合滤料从较高初始K3值逐渐降低并稳定在低水平，这是由于容尘过程粉尘颗粒更多地积聚在玻纤层滤料上，从而透过玻纤层的颗粒比例逐渐减少，PTFE层的表面过滤模式占比不断降低。

　　3)通过比较四种滤料的滤料质量平均阻力，在一定的生命周期内不同阶段，复合滤料在保持原有PTFE滤料低阻力性能的同时，可以明显改善原有PTFE滤料的容尘性能上的不足，从而在一定程度上改善滤料的能耗性能。

　　参考文献

　　[1]刘来红,朱玲英.高效空气过滤材料的发展与特点[J].产业用纺织品.2005,04

　　[2]刘鸿洋，林忠平，张万毅，陈相玮.基于PTFE高效滤料结构的容尘性能研究[J].建筑热能通风空调.2016,35(04)

　　[3]刘鸿洋.高效过滤材料容尘性能及其测试方法研究[D].同济大学,2016

　　[4]中国国家标准化管理委员会.GB/T6165-2008.高效空气过滤器性能试验方法效率和阻力[S].2008

　　[5]张昊.高效过滤材料容尘性能及其评价方法研究[D].同济大学,2014

　　[6]陈相玮.高效过滤材料容尘性能影响因素分析[D].同济大学,2015

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