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文丨史上见

编辑丨史上见

前言

空气过滤技术的持续研究、开发和进步对于减少空气污染和全球流行病对健康日益严重的危害非常重要，比较纤维的机械和热特性，以评估它们在空气过滤介质中的潜在适用性，高效微粒空气过滤器的发展历史解释了如何达到当前最先进的非织造纤维硼硅酸盐玻璃滤纸。

世界卫生组织估计全球有20万至92万人死于空气质量差和空气污染，世界上超过95%的人口生活在室内和室外颗粒气溶胶超过危险水平的地区，蓝天运动明确将空气污染的负面影响与人类健康、长寿和气候变化联系起来。

高效微粒空气过滤器的发展

高效微粒空气过滤器的发展和进步展示了为维持清洁可呼吸空气所做的努力，美国能源部安装了高效微粒空气过滤器作为一道防线，以在高放废物储罐中容纳有害颗粒，高效微粒空气过滤器在今天很常见，高效微粒空气过滤器技术在过去几十年中只取得了很小的进步。

玻璃纤维滤纸易发生火灾和水损坏，虽然玻璃纤维介质优于原始纤维素石棉纤维介质，但在高温应用和高湿度环境中表现不佳，强调了替代不易燃高效微粒空气过滤器的必要性。

新材料和生产技术的最新发展表明，更好的材料和设计可能会使空气过滤技术的进步成为可能，大多数个人防护口罩都是用聚丙烯纤维制成的，而大多数工业过滤介质都是用褶皱玻璃纤维纸生产的。

应探索替代纤维类型以包含在空气过滤介质中，以继续提高高效微粒空气过滤器的安全性和性能，调查纤维类型并比较特定纤维的机械、热和化学特性，以推进空气过滤技术，并协助开发人员选择用于空气过滤介质的纤维。

用于烟雾和灰尘过滤的防毒面具仍然用羊毛和棉花制成，化学战的威胁为空气过滤带来了新的进展，保护德国士兵的口罩由细石棉纤维和粗埃斯帕托草纤维制成，以极高的过滤效率和低气流呼吸阻力而闻名，英国防毒面具羊毛过滤器被油基烟雾气溶胶堵塞，性能不如石棉纤维介质。

今天的高效微粒空气一词描述了通过过滤材料上的压降来测量的过滤材料，颗粒的高效率同时保持对气流的低阻力，1951年生产的褶皱硼硅酸盐玻璃无纺纤维过滤纸介质今天基本上仍在生产和用作高效微粒空气过滤装置。

纤维介质与多孔颗粒介质对比

空气过滤器通常由纤维介质或多孔颗粒介质构成，多孔膜介质通常比纤维过滤介质更致密，这会产生复杂的流线，效率高但气流阻力也很高，多孔介质可以通过陶瓷或烧结粉末金属的各种方法生产。

复合空气过滤材料可以同时设计纤维介质和多孔介质，结合两者的优点，例如从多孔基材层获得机械强度，同时从纤维层获得高效率，进一步开发的主题是优化具有多孔膜和纤维层的复合过滤介质。

直到第二次世界大战期间寻找更好的保护性过滤材料，空气过滤被认为类似于水过滤，是基于纤维颗粒保留的现代空气过滤理论的初步发展，流经与纤维接触的过滤介质的气溶胶颗粒通过静电力粘附在纤维上。

直径越小的纤维具有更大的表面积体积比，通过将直径减小一半，四根较小的纤维现在具有与较大纤维相等的体积和四倍的表面积，相同固体体积分数的表面积增加有利于过滤效率，而不利于气流阻力。

纤维的生产技术

虽然纤维横截面具有各种形状，但纤维通常与其他材料区分开来，因为长度与横截面直径的纵横比较大，用于制造纤维的各种原材料的特性决定了哪些纤维类型是有用的，包括长连续纤维和短切纤维。

有许多生产纤维的技术，以及许多从纤维生产无纺布介质的技术，非织造纤维介质生产的基本方法包括干法铺设、湿法铺设、纺线、纺粘合、熔喷、热粘合、针刺和静电纺丝，空气过滤介质中使用的纤维可分为短纤维或长纤维。

干法和湿法成网技术使用较短的纤维，这些纤维以目标长度切割或生产，分散在空气或水中，并沉积到垫子中以形成无纺布纤维介质，梳理是棉花生产中传统上使用的一种技术，用于机械地解开、分离和混合纤维以形成连续的垫子。

针刺或毡化是将短切纤维粘合到无纺布垫上的技术，熔喷、纺粘和静电纺技术能够生产小直径的长纤维，静电纺丝可轻松生产直径在50至250nm范围内的纤维，熔喷生产直径约为5微米的纤维，纺粘纤维的范围在20微米范围内。

纺丝描述了纤维生产的方法，而铺设描述了从纤维生产无纺布介质的方法，纺丝是指液体材料通过喷丝头喷嘴或针头挤出以产生连续纤维，如果液体材料是通过熔融制备纺丝的，则该过程称为熔融纺丝，其中包括熔喷技术，如果通过溶解制备用于纺丝的材料，则该技术称为溶液纺丝。

静电纺丝使用高压电场从液体中喷射纤维，可应用于溶液纺丝和熔融纺丝，生产用于空气过滤介质的纤维和晶须的其他方法包括化学气相沉积、管束拉拔、箔剃须和机加工。

束拉拔是1930年代开发的一种技术，用于生产可延展的金属纤维，数以千计的金属线被捆绑在一起，并通过减速模具拉制，以减小束直径和每根光纤的直径，然后将束分成更大的数量并重新拉制，从而产生更小的六边形纤维。

纤维类型的特点

纤维的组织和分类按建筑业和纺织业的不同方式进行比较，纺织研究所发布了一份纤维分类表，首先将纤维分为自然和人造类别，天然纤维是自然界中出现的纤维，包括植物、动物和矿物质产生的纤维。

另一个简单的分类是纤维是由有机材料还是无机材料制成的，有机纤维可进一步分为合成聚合物、天然纤维素、再生纤维素、角蛋白和碳纤维，天然植物纤维由蛋白质纤维素制成，而动物纤维由蛋白质角蛋白制成。

木浆来自硬木和软木，是无纺布纤维过滤纸介质中的常见材料，木屑通常通过“牛皮纸”工艺煮成纸浆，该过程使用氢氧化钠、硫化钠、亚硫酸和亚硫酸氢盐在170°C下分解木质素以产生木浆，然后将木纤维漂白、原纤化和湿法成网以形成滤纸。

除了树木产生的纤维外，天然植物产生的纤维也被称为“植物”，“纤维素”和“木质纤维素”纤维，棉花是一种常见的纤维素纤维，由99%的纯纤维素组成，轧棉机机械地从收获的棉花中去除称为短绒的短纤维。

棉短纤维和首次切割短绒可以通过针刺或针刺工艺直接制成空气过滤材料，其中无纺布纤维与将纤维粘合在一起的特殊刺针机械互锁，第一次切割和第二次切割的棉绒也可以通过类似于木浆的湿法成网工艺制成过滤介质。

天然纤维素纤维的相对全球丰度和易收获性使其成为空气过滤的有吸引力的候选者，棉材料作为个人防护口罩的过滤介质具有重要用途，通常作为聚丙烯纤维材料内层的外层，除棉花外，木棉纤维对油基气溶胶过滤的兴趣和研究也越来越多。

再生纤维素纤维

再生纤维素纤维被认为是天然和合成的类别，因为碱性纤维素来自收获的植物基材料并合成成纤维，粘胶纤维是再生纤维的常用术语，指的是用于衍生纤维素的氢氧化钠和二硫化碳溶液。

人造丝是一个常用术语，在1924年取代了对合成丝的最初描述，粘胶纤维在过去是一种常见的过滤介质，在汽车空气过滤中仍然有用，大多数家用褶皱空气过滤器现在由全合成聚丙烯制成。

角蛋白是一种天然蛋白质，具有动物产生的纤维结构，存在于头发、羽毛、羊毛、角、爪子和蹄子中，羊毛是第二次世界大战期间选择的原始过滤材料之一，今天仍然被用作真空吸尘器袋的常见过滤材料，动物性角蛋白纤维分为羊毛、毛发和丝绸。

特别是羊毛引起了人们对室内空气污染减排的兴趣，包括从可呼吸空气中分离甲醛，蚕丝蛋白也可以通过静电纺丝过程再生，以生产环保高效的空气过滤材料，以减少室内空气污染，对天然木材、植物和动物纤维作为空气过滤介质的应用的进一步研究可能有助于空气过滤技术。

腈纶纤维由至少85%的聚合物丙烯腈组成，而改性腈纶纤维含有35%至85%的丙烯腈，聚丙烯腈很容易通过静电纺丝生产出小纳米级直径尺寸，是一种流行的转化为碳纤维的前体纤维，烯烃纤维特别是聚丙烯纤维，与所有合成纤维相比，聚丙烯的生产成本最低，同时它具有独特的疏水性，耐化学性，并且在空气和阳光下稳定。

特别是聚丙烯和烯烃纤维的低熔点是高效微粒空气空气过滤应用的主要缺点，聚丙烯是家庭和工业用的个人防护过滤面罩和空气过滤器中最受欢迎的纤维，其中温度范围可以接受低熔点温度。

结语

空气过滤在八十年前第二次世界大战的战场上开始认真进行，完全依靠天然材料包括棉花、埃斯帕托、羊毛和石棉，几十年来空气过滤技术的重大进步包括用更安全、更高效的合成材料取代天然材料。

熔喷硼硅酸盐玻璃已成为当今无纺布高效微粒空气过滤装置的首选纤维，而熔喷聚丙烯纤维是个人防护设备的选择，更多的材料研究可能会推动空气过滤技术的发展，为了鉴定新开发的过滤介质是否用于核级高效微粒空气过滤装置，除了过滤效率和流动阻力之外，还需要进行额外的测试，以确保介质集成到过滤基础设施和系统中。