多層複合濾材在空氣過濾器中的作用 多層複合濾材是一種由多種不同材質和結構組成的過濾材料，廣泛應用於空氣過濾領域。其主要作用是通過物理攔截、靜電吸附以及擴散效應等多種機製，有效去除空氣中的顆...
多層複合濾材在空氣過濾器中的作用
多層複合濾材是一種由多種不同材質和結構組成的過濾材料，廣泛應用於空氣過濾領域。其主要作用是通過物理攔截、靜電吸附以及擴散效應等多種機製，有效去除空氣中的顆粒物、細菌、病毒及其他有害物質。與單層濾材相比，多層複合濾材能夠提供更高效的過濾性能，同時兼顧透氣性和使用壽命，使其成為現代空氣過濾技術的重要發展方向。
在對抗病毒的空氣過濾器中，多層複合濾材的作用尤為關鍵。病毒通常以氣溶膠形式存在於空氣中，尺寸極小（一般在0.02~0.3微米之間），因此需要高效過濾材料來確保其被有效攔截。研究表明，采用多層複合濾材的空氣過濾器可以顯著提高對納米級顆粒的捕獲效率，並減少壓降，從而提升整體過濾性能（Konda et al., 2020）。此外，多層結構還可以結合不同材料的優勢，如靜電紡絲膜用於增強靜電吸附能力，熔噴無紡布用於提高機械攔截效果，活性炭層用於吸附揮發性有機化合物（VOCs）等（Li et al., 2019）。
近年來，隨著空氣質量問題的加劇及新冠疫情的影響，市場對高性能空氣過濾器的需求大幅上升。根據中國空氣淨化行業聯盟（CPIA）發布的報告，2021年中國空氣過濾市場規模已超過500億元人民幣，並預計在未來五年內保持年均10%以上的增長速度（CPIA, 2022）。與此同時，全球範圍內對於高效空氣過濾器的研究也在不斷深化，尤其是在醫療、工業淨化及家用空氣淨化設備領域，多層複合濾材的應用前景十分廣闊（Morawska et al., 2020）。因此，深入研究多層複合濾材的結構特性及其對抗病毒空氣過濾器性能的影響，對於提升空氣過濾技術水平具有重要意義。
多層複合濾材的組成與特性
多層複合濾材通常由不同功能層組合而成，每層材料具有特定的過濾機製和物理化學特性，以實現佳的綜合過濾性能。常見的多層複合濾材包括初效層、高效層、活性炭層和靜電層等，各層材料的選擇直接影響空氣過濾器的整體效率、阻力和使用壽命。
1. 初效層（Pre-filter Layer）
初效層主要用於攔截較大的顆粒物，如灰塵、花粉和毛發等，以保護後續高效過濾層免受過早堵塞。該層通常采用聚丙烯（PP）、聚酯纖維（PET）或玻璃纖維製成，具有較高的透氣性和較低的壓降。例如，某品牌空氣過濾器的初效層由4 mm厚的聚丙烯非織造布構成，孔隙率約為70%，可攔截粒徑大於5 μm的顆粒物（見表1）。
2. 高效層（HEPA/ULPA Filter Layer）
高效層是空氣過濾器的核心部分，負責攔截微小顆粒，包括PM2.5、細菌和病毒等。高效粒子空氣過濾器（HEPA）要求對0.3 μm顆粒的過濾效率不低於99.97%，而超低穿透空氣過濾器（ULPA）則要求對0.12 μm顆粒的過濾效率達到99.999%以上（ASHRAE Standard 52.2, 2017）。高效層通常采用熔噴聚丙烯或靜電紡絲膜，這些材料具有細密的纖維結構，能夠通過慣性碰撞、攔截和擴散等方式有效捕捉微粒（Wang et al., 2020）。
3. 活性炭層（Activated Carbon Layer）
活性炭層主要用於吸附空氣中的揮發性有機化合物（VOCs）、異味和有害氣體。該層通常采用椰殼活性炭、煤基活性炭或浸漬活性炭，其中椰殼活性炭因具有較高的比表麵積和吸附容量，常用於高端空氣過濾器（Zhou et al., 2021）。例如，某款家用空氣淨化器采用厚度為2 mm的椰殼活性炭層，其碘吸附值可達1200 mg/g，適用於去除甲醛、苯係物等汙染物（見表1）。
4. 靜電層（Electrostatic Layer）
靜電層利用駐極體材料產生的靜電場增強對微小顆粒的吸附能力，使空氣過濾器在較低風阻下仍能保持較高的過濾效率。該層通常采用駐極處理的聚丙烯熔噴材料，其表麵電荷可維持數年，不會因濕度變化而明顯衰減（Chen et al., 2020）。實驗數據顯示，在相同風速條件下，帶有靜電層的空氣過濾器比未帶靜電層的同類產品過濾效率提高約10–15%（見表2）。
5. 支撐層（Support Layer）
支撐層主要用於增強整個濾材的機械強度，防止因高壓差導致的破損。該層通常采用無紡布、金屬網或塑料網格，其材料選擇需兼顧輕量化和耐用性。例如，某些商用空氣過濾器采用聚酯無紡布作為支撐層，其抗拉強度可達20 N/cm，能夠在長期使用過程中保持結構完整性（見表2）。
綜上所述，多層複合濾材的不同組成層各自承擔不同的過濾任務，共同作用以提高空氣過濾器的整體性能。通過合理搭配不同材料，可以優化過濾效率、降低空氣阻力，並延長過濾器的使用壽命。以下表格總結了不同濾材層的主要參數及其典型應用：
| 濾材層類型 | 常見材料 | 厚度範圍 | 孔隙率 | 適用顆粒尺寸 | 典型應用場景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 初效層 | 聚丙烯、聚酯纖維 | 2–6 mm | 60–80% | >5 μm | 家用空氣淨化器、工業通風係統 |
| 高效層 | 熔噴聚丙烯、靜電紡絲膜 | 0.5–2 mm | 70–90% | 0.1–0.3 μm | 醫療潔淨室、實驗室通風係統 |
| 活性炭層 | 椰殼活性炭、煤基活性炭 | 1–5 mm | 40–60% | 氣態汙染物 | 家用空氣淨化器、汽車空調係統 |
| 靜電層 | 駐極聚丙烯 | 0.2–1 mm | 70–85% | 0.01–0.1 μm | 口罩、醫用空氣過濾裝置 |
| 支撐層 | 聚酯無紡布、金屬網 | 0.5–3 mm | 50–70% | 不影響顆粒過濾 | 工業空氣過濾器、HVAC係統 |
多層複合濾材對抗病毒空氣過濾器過濾效率的影響
多層複合濾材在對抗病毒空氣過濾器中的應用顯著提高了過濾效率，特別是在攔截納米級病毒顆粒方麵表現出優異的性能。研究表明，病毒氣溶膠的粒徑通常在0.02~0.3 μm之間，而傳統單層濾材難以實現高效的截留（Tellier et al., 2019）。相比之下，多層複合濾材通過不同材料的協同作用，能夠有效提高對微小顆粒的捕獲率，同時保持較低的空氣阻力，從而提升整體過濾性能。
首先，多層複合濾材的結構設計能夠優化空氣流動路徑，提高顆粒物的攔截概率。例如，采用熔噴聚丙烯作為高效層的空氣過濾器，在增加一層靜電紡絲膜後，其對0.1 μm顆粒的過濾效率可從95%提升至99.9%以上（Wang et al., 2020）。這是因為靜電紡絲膜具有更細的纖維直徑（通常小於1 μm），能夠增強慣性碰撞和擴散效應，從而提高對納米級顆粒的捕集能力。此外，某些複合濾材還引入了駐極體材料，使靜電吸附作用更加穩定，即使在較高風速下也能保持較高的過濾效率（Chen et al., 2020）。
其次，多層複合濾材可以通過優化材料組合來降低空氣阻力，提高過濾器的使用壽命。實驗數據顯示，在相同過濾效率條件下，多層複合濾材的壓降比單一濾材降低約20–30%（Li et al., 2019）。例如，一項對比實驗表明，采用三層複合結構（初效層+高效層+靜電層）的空氣過濾器，在過濾效率達到99.97%的情況下，其初始壓降僅為80 Pa，而同等規格的單層高效濾材壓降高達120 Pa（見表2）。這表明，多層複合濾材不僅提升了過濾效率，還能有效降低能耗，延長過濾器的更換周期。
此外，多層複合濾材的抗菌和抗病毒功能也得到了進一步強化。一些新型複合濾材在高效層基礎上增加了銀離子塗層或光催化材料，以增強對病毒的滅活能力。例如，TiO₂納米塗層不僅能吸附病毒顆粒，還能在紫外光照射下產生自由基，破壞病毒RNA結構，從而實現主動殺毒功能（Zhang et al., 2021）。研究表明，經過TiO₂改性的空氣過濾器，在模擬病毒感染環境下，其病毒滅活率可達到99%以上（見表3）。
為了更直觀地展示多層複合濾材對過濾效率的提升作用，以下表格列出了不同類型空氣過濾器的過濾效率、壓降及使用壽命數據：
| 濾材類型 | 過濾效率（0.1 μm顆粒） | 初始壓降（Pa） | 使用壽命（h） | 典型應用場景 |
|---|---|---|---|---|
| 單層熔噴聚丙烯濾材 | 90–95% | 120–150 | 200–400 | 普通口罩、家用空氣淨化器 |
| 雙層複合濾材（熔噴+靜電紡絲） | 99.5–99.9% | 80–100 | 500–800 | 醫用防護口罩、實驗室通風係統 |
| 三層複合濾材（初效+高效+靜電） | 99.97% | 60–80 | 800–1200 | 醫院潔淨室、生物安全櫃 |
| 四層複合濾材（含TiO₂塗層） | 99.99% | 70–90 | 1000–1500 | 高端空氣淨化器、隔離病房通風係統 |
綜上所述，多層複合濾材在對抗病毒空氣過濾器中的應用，不僅顯著提高了過濾效率，還能有效降低空氣阻力並延長使用壽命。此外，通過引入抗菌和抗病毒功能材料，如TiO₂納米塗層，空氣過濾器的病毒滅活能力也得到了進一步增強。這些改進使得多層複合濾材在醫療、工業和家庭環境中具有廣泛的應用前景。
多層複合濾材的測試方法與標準
為了評估多層複合濾材在對抗病毒空氣過濾器中的性能，必須依據國際和國內相關標準進行嚴格測試。目前，主流的測試方法包括過濾效率測試、壓降測試、容塵量測試以及抗病毒性能測試等。各國標準化機構製定了相應的測試規範，以確保空氣過濾器的質量和性能滿足實際需求。
1. 過濾效率測試
過濾效率是衡量空氣過濾器性能的核心指標之一，通常采用激光粒子計數法測定。美國ASHRAE Standard 52.2-2017規定了高效空氣過濾器的分級標準，其中HEPA（高效粒子空氣過濾器）要求對0.3 μm顆粒的過濾效率不低於99.97%，而ULPA（超低穿透空氣過濾器）要求對0.12 μm顆粒的過濾效率至少達到99.999%（ASHRAE, 2017）。中國的GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》標準同樣采用了類似的方法，規定HEPA過濾器的低效率為99.97%，並根據粒徑分布劃分為H10至U17等多個等級（SAC, 2020）。
2. 壓降測試
空氣過濾器的壓降決定了其運行時的能耗水平，通常采用差壓傳感器測量空氣流經濾材前後的壓力差。ISO 5011:2022《空氣過濾器測試方法》規定，在額定風速（通常為0.5–1.5 m/s）下，HEPA過濾器的初始壓降不應超過250 Pa，而ULPA過濾器的初始壓降則應低於350 Pa（ISO, 2022）。中國的JB/T 6417-2020《空氣過濾器性能試驗方法》同樣對壓降測試進行了詳細規定，並要求記錄不同風速下的壓降變化情況，以評估濾材的氣流阻力特性（MIIT, 2020）。
3. 容塵量測試
容塵量是指空氣過濾器在達到特定壓降之前所能容納的粉塵總量，是衡量濾材使用壽命的重要參數。美國IEST RP-CC001.5《HEPA and ULPA Filters》推薦采用ASHRAE 52.1-1992標準進行容塵量測試，即在恒定風速下持續注入測試粉塵，直至壓降達到初始值的兩倍為止（IEST, 2019）。中國的GB/T 14295-2019《空氣過濾器》標準同樣規定了容塵量的測試方法，並要求記錄不同階段的壓降變化，以計算濾材的容塵能力和使用壽命（SAC, 2019）。
4. 抗病毒性能測試
近年來，隨著新冠疫情的爆發，空氣過濾器的抗病毒性能成為研究熱點。目前，常用的抗病毒測試方法包括噬菌體MS2挑戰測試、流感病毒（H1N1）氣溶膠測試以及新冠病毒（SARS-CoV-2）滅活實驗。美國ASTM F2101-20《Standard Test Method for evalsuating the Bacterial Filtration Efficiency (BFE) of Medical Face Mask Materials》雖然主要用於細菌過濾效率測試，但也可用於評估病毒攔截能力（ASTM, 2020）。中國的YY/T 0969-2013《一次性使用醫用口罩》標準要求口罩材料對金黃色葡萄球菌氣溶膠的過濾效率不低於95%，而針對病毒的測試則參考GB/T 38413-2019《紡織品 細菌過濾效率（BFE）測試方法》，該標準可用於評估空氣過濾材料對病毒樣顆粒的攔截能力（SAC, 2019）。
為了更直觀地比較不同測試標準的要求，以下表格匯總了國內外主要空氣過濾器測試標準及其關鍵參數：
| 測試項目 | 標準名稱 | 測試方法 | 測試條件 | 合格標準 |
|---|---|---|---|---|
| 過濾效率 | ASHRAE 52.2-2017 | 激光粒子計數法 | 額定風速（0.5–1.5 m/s） | HEPA ≥99.97%（0.3 μm） |
| GB/T 13554-2020 | 激光粒子計數法 | 額定風速（0.5–1.5 m/s） | H13 ≥99.95%（0.3 μm） | |
| 壓降 | ISO 5011:2022 | 差壓傳感器測量 | 額定風速（0.5–1.5 m/s） | HEPA ≤250 Pa |
| JB/T 6417-2020 | 差壓傳感器測量 | 額定風速（0.5–1.5 m/s） | 初始壓降≤250 Pa | |
| 容塵量 | ASHRAE 52.1-1992 | 粉塵加載測試 | 測試粉塵（ASHRAE Dust） | 達到2倍初始壓降 |
| GB/T 14295-2019 | 粉塵加載測試 | 測試粉塵（ASHRAE Dust） | 記錄容塵量及壓降變化 | |
| 抗病毒性能 | ASTM F2101-20 | 噬菌體MS2氣溶膠挑戰測試 | 病毒濃度≥1×10^6 PFU/mL | 過濾效率≥95% |
| GB/T 38413-2019 | 金黃色葡萄球菌氣溶膠測試 | 細菌濃度≥3000 CFU/mL | 過濾效率≥95% |
綜上所述，多層複合濾材的性能評估依賴於嚴格的測試方法和標準，以確保其在對抗病毒空氣過濾器中的有效性。通過遵循國際和國內標準，可以準確衡量空氣過濾器的過濾效率、壓降、容塵量及抗病毒性能，為產品研發和質量控製提供科學依據。
結論與展望
多層複合濾材在對抗病毒空氣過濾器中的應用已展現出卓越的性能優勢，不僅顯著提升了過濾效率，還在降低空氣阻力、延長使用壽命以及增強抗病毒能力等方麵發揮了重要作用。通過不同材料的協同作用，多層複合濾材能夠有效攔截納米級病毒顆粒，同時保持較低的壓降，提高空氣流通效率。此外，隨著新型抗菌材料和光催化技術的引入，空氣過濾器的病毒滅活能力也得到了進一步增強，為醫療、工業和家庭環境提供了更可靠的空氣安全保障。
未來，多層複合濾材的發展趨勢將圍繞以下幾個方向展開。首先，材料創新仍是核心研究方向，納米纖維、石墨烯增強材料以及智能響應型濾材的開發有望進一步提升過濾性能。其次，環保可持續性將成為重要考量因素，生物降解材料的應用將有助於減少空氣過濾器對環境的影響。此外，智能化監測技術的集成也將推動空氣過濾係統的升級，實時反饋濾材狀態並優化運行效率。隨著相關研究的不斷深入和技術的持續進步，多層複合濾材將在空氣過濾領域發揮更加重要的作用，為全球空氣質量改善和公共衛生防護提供有力支持。
參考文獻
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