超細玻璃纖維濾材的微結構對PM0.1顆粒物過濾效率的影響 概述 超細玻璃纖維（Ultra-fine Glass Fiber, UFGF）濾材因其優異的過濾性能，廣泛應用於空氣淨化、工業除塵、醫療防護及潔淨室等領域。隨著大氣...
超細玻璃纖維濾材的微結構對PM0.1顆粒物過濾效率的影響
概述
超細玻璃纖維（Ultra-fine Glass Fiber, UFGF）濾材因其優異的過濾性能，廣泛應用於空氣淨化、工業除塵、醫療防護及潔淨室等領域。隨著大氣汙染問題日益嚴重，尤其是可吸入顆粒物中直徑小於等於0.1微米的PM0.1顆粒物（又稱超細顆粒物），其對人體呼吸係統和心血管係統的危害已引起全球高度關注。由於PM0.1粒徑極小，具有強穿透性與高擴散能力，傳統過濾材料難以實現高效捕集。因此，開發具備高過濾效率、低阻力特性的新型濾材成為研究熱點。
超細玻璃纖維濾材憑借其納米級纖維直徑、高孔隙率和三維網絡結構，在捕捉亞微米乃至納米級顆粒方麵展現出顯著優勢。其中，材料的微結構——包括纖維直徑、孔徑分布、堆積密度、厚度及表麵化學性質等——是決定其對PM0.1顆粒物過濾性能的核心因素。
本文將從超細玻璃纖維濾材的基本特性出發，係統分析其微結構參數對PM0.1顆粒物過濾機製的影響，並結合國內外權威研究成果，深入探討不同結構特征下的過濾效率變化規律。
一、超細玻璃纖維濾材的定義與基本特性
1.1 定義
超細玻璃纖維是一種由熔融玻璃通過離心噴吹或火焰拉絲法製備而成的無機纖維材料，其單根纖維直徑通常在0.1～3 μm之間，遠小於普通玻璃纖維（直徑約5～20 μm）。根據中國國家標準《GB/T 42876-2023 空氣過濾用玻璃纖維濾紙》中的分類標準，纖維平均直徑≤1 μm的玻璃纖維被歸類為“超細”級別。
1.2 物理與化學特性
| 參數 | 數值範圍 | 說明 |
|---|---|---|
| 纖維直徑 | 0.1–3 μm | 主流產品集中在0.3–1 μm |
| 密度 | 2.4–2.6 g/cm³ | 接近石英玻璃密度 |
| 使用溫度 | ≤550°C（短期可達800°C） | 高溫穩定性好 |
| 抗拉強度 | 1.5–3.5 GPa | 取決於纖維純度與工藝 |
| 孔隙率 | 70%–90% | 高孔隙利於低風阻 |
| 過濾精度 | 可達HEPA/ULPA等級 | 對0.3 μm粒子效率≥99.97% |
資料來源：中國建材檢驗認證集團（CTC）、美國ASHRAE Standard 52.2、德國TÜV SÜD測試報告
超細玻璃纖維主要成分為SiO₂（含量≥60%），並含有CaO、B₂O₃、Al₂O₃等助熔氧化物，使其具備良好的耐熱性、化學穩定性和電絕緣性能。此外，該材料不吸水、不易燃，適合長期在潮濕或高溫環境中使用。
二、PM0.1顆粒物的物理特性與健康危害
2.1 PM0.1的定義與來源
PM0.1是指空氣動力學直徑小於或等於0.1微米（即100納米）的懸浮顆粒物，屬於超細顆粒範疇。這類顆粒主要來源於燃燒過程（如柴油發動機尾氣、燃煤電廠排放）、工業生產（金屬冶煉、噴塗作業）、以及二次氣溶膠形成（大氣中SO₂、NOₓ與VOCs反應生成有機/無機納米顆粒）。
據世界衛生組織（WHO）發布的《空氣質量指南》（2021年版），PM0.1雖未設定單獨限值，但明確指出其沉積效率遠高於PM2.5，且能深入肺泡甚至進入血液循環係統，引發炎症、氧化應激和DNA損傷。
2.2 PM0.1的運動行為特征
由於粒徑極小，PM0.1在空氣中表現出強烈的布朗運動（Brownian Diffusion），其擴散係數顯著高於大顆粒。根據Einstein-Stokes方程：
$$
D = frac{k_B T}{3pi mu d_p}
$$
其中：
- $ D $：擴散係數（m²/s）
- $ k_B $：玻爾茲曼常數（1.38×10⁻²³ J/K）
- $ T $：絕對溫度（K）
- $ mu $：空氣粘度（~1.8×10⁻⁵ Pa·s）
- $ d_p $：顆粒直徑（m）
計算可知，當$ d_p = 100 $ nm時，室溫下（T=293K）的擴散係數約為 $ 4.3 × 10^{-6} , text{cm}^2/text{s} $，遠高於1 μm顆粒的 $ 1.2 × 10^{-6} , text{cm}^2/text{s} $。這使得PM0.1更易因隨機碰撞而被捕獲於濾材纖維表麵。
然而，由於慣性力和攔截效應減弱，PM0.1在傳統深層過濾機製中存在“易穿透粒徑”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）現象，通常出現在0.03–0.3 μm區間，導致過濾效率出現穀值。
三、超細玻璃纖維濾材的微結構參數分析
3.1 纖維直徑
纖維直徑是影響過濾性能關鍵的因素之一。較小的纖維直徑可增加單位體積內的纖維比表麵積，從而提升顆粒接觸概率。
| 纖維直徑（μm） | 比表麵積（m²/g） | 對0.1 μm粒子初始效率（%） | 壓降（[email protected] cm/s） |
|---|---|---|---|
| 0.3 | 1.8 | 99.99 | 120 |
| 0.6 | 1.2 | 99.85 | 85 |
| 1.0 | 0.8 | 99.5 | 60 |
數據來源：Zhang et al., Journal of Aerosol Science, 2020；清華大學環境學院實驗數據
研究表明，纖維直徑每減小0.1 μm，對PM0.1的擴散捕集效率可提高3–7%。韓國科學技術院（KAIST）Lee團隊（2019）通過靜電紡絲製備出平均直徑0.2 μm的玻璃纖維膜，實測對0.07 μm NaCl氣溶膠的過濾效率達99.995%，壓降僅為110 Pa。
3.2 孔隙結構與孔徑分布
孔隙結構決定了氣流路徑和顆粒停留時間。理想的濾材應具備窄而均勻的孔徑分布，避免大孔造成短路流。
| 樣品編號 | 平均孔徑（μm） | 孔徑標準差（μm） | PM0.1過濾效率（%） | CV值（變異係數） |
|---|---|---|---|---|
| A | 2.1 | 0.8 | 98.7 | 0.38 |
| B | 1.6 | 0.4 | 99.6 | 0.25 |
| C | 1.8 | 0.9 | 97.3 | 0.50 |
注：CV = 標準差 / 平均值，反映孔徑均勻性
資料來源：Wang et al., Separation and Purification Technology, 2021
中國科學院過程工程研究所采用汞 intrusion porosimetry 測定發現，孔徑分布越集中，易穿透粒徑處的效率穀值越淺。當平均孔徑<2 μm且CV<0.3時，MPPS可移至<0.05 μm，顯著改善PM0.1過濾表現。
3.3 堆積密度與厚度
堆積密度直接影響濾材的容塵能力和阻力特性。過高密度會堵塞通道，過低則降低捕集概率。
| 厚度（mm） | 堆積密度（kg/m³） | 初始效率（%） | 終阻力（Pa） | 容塵量（g/m²） |
|---|---|---|---|---|
| 0.5 | 80 | 99.2 | 150 | 12 |
| 1.0 | 100 | 99.8 | 240 | 25 |
| 1.5 | 120 | 99.95 | 380 | 38 |
數據來源：同濟大學建築環境與能源工程係，2022年度國家自然科學基金項目報告
美國明尼蘇達大學的研究表明（Park et al., Aerosol Science and Technology, 2018），在相同麵密度條件下，增加厚度比提高密度更能有效提升小顆粒過濾效率，尤其對擴散主導的PM0.1更為明顯。
3.4 表麵改性與電荷駐極處理
盡管玻璃纖維本身為非織造結構，但可通過駐極體技術引入持久靜電場，增強庫侖力對帶電或極化顆粒的吸引力。
| 處理方式 | 表麵電位（kV） | 半衰期（月） | PM0.1效率提升幅度（%） |
|---|---|---|---|
| 無處理 | <0.1 | — | 基準 |
| 電暈充電 | 3.5–4.2 | 12–18 | +8.5 |
| 水駐極 | 2.8–3.3 | >24 | +6.2 |
| 熱駐極 | 4.0–5.0 | 6–10 | +9.1 |
引用文獻：Chen et al., IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2020
浙江大學高分子科學與工程學係研究證實，經水輔助駐極處理後的UFGF濾材，在相對濕度60%環境下仍能保持>70%的靜電貢獻率，顯著優於傳統聚丙烯熔噴材料。
四、微結構對PM0.1過濾機製的影響機製解析
顆粒在濾材中的捕集主要依賴以下五種機製：
- 慣性撞擊（Impaction）：適用於較大顆粒（>0.5 μm），在高速氣流中偏離流線撞擊纖維。
- 攔截（Interception）：顆粒隨氣流接近纖維表麵時被直接“勾住”。
- 擴散（Diffusion）：布朗運動使小顆粒隨機移動並與纖維接觸，主導PM0.1捕集。
- 靜電吸引（Electrostatic Attraction）：帶電纖維吸附帶電或可極化顆粒。
- 重力沉降（Gravitational Settling）：作用較弱，僅在低速長時間過濾中顯現。
對於PM0.1顆粒，擴散機製占主導地位（占比約60–80%），其次為靜電吸附（15–30%），其餘機製貢獻甚微。
4.1 微結構與擴散效率的關係
擴散捕集效率 $ eta_d $ 可用如下經驗公式估算（參考Hinds, Aerosol Technology, 2nd ed., Wiley, 1999）：
$$
eta_d = 2.3 left( frac{D}{v d_f} right)^{1/3} cdot left( frac{K_n}{1 + 0.62 K_n} right)
$$
其中：
- $ v $：氣流速度（m/s）
- $ d_f $：纖維直徑（m）
- $ K_n $：克努森數，$ K_n = lambda / d_p $，$ lambda $為空氣平均自由程（~66 nm）
由此可見，降低 $ d_f $ 和提高 $ D $（即減小 $ d_p $）均可提升 $ eta_d $。因此，采用亞微米級纖維構建致密網絡，是增強PM0.1擴散捕集的關鍵。
日本東京大學Nakamura課題組（2021）利用聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）重建了三種不同直徑纖維濾層的三維結構模型，模擬結果顯示：當纖維直徑從1.0 μm降至0.3 μm時，PM0.1的平均停留時間延長2.7倍，碰撞頻率增加4.3倍。
4.2 微結構與靜電增強效應
靜電場的存在可大幅降低易穿透粒徑對應的效率穀值。德國弗勞恩霍夫製造技術與先進材料研究所（IFAM）通過有限元模擬證明，當纖維表麵電荷密度達到±5 nC/m²時，對0.1 μm顆粒的庫侖力可達範德華力的10倍以上。
國內東華大學紡織學院開發了一種梯度複合濾材：表層為駐極超細玻璃纖維（d_f ≈ 0.4 μm），中間層為常規玻璃纖維支撐體，底層為導電塗層以防止靜電屏蔽。實際測試顯示，該結構在風速2.5 cm/s下對0.1 μm DOP氣溶膠的過濾效率達99.998%，同時壓降控製在135 Pa以內。
五、典型產品對比與應用案例
以下為國內外主流超細玻璃纖維濾材產品的微結構參數與性能對比：
| 產品型號 | 生產商 | 纖維直徑（μm） | 厚度（mm） | 克重（g/m²） | 初始效率（0.1 μm） | 阻力（Pa） | 認證標準 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Glasfibre ULPA-99.9995 | Owens Corning（美） | 0.28–0.35 | 1.8 | 120 | ≥99.9995% | 160 | IEST-RP-CC001.5 |
| MicroGlas TFX-2000 | Hollingsworth & Vose（英） | 0.4–0.6 | 1.5 | 105 | 99.997% | 140 | EN 1822:2009 |
| GF-ULPA-01 | 中材科技（中國） | 0.3–0.5 | 1.6 | 110 | 99.996% | 145 | GB/T 6165-2021 |
| NanoFiber X100 | Toray Industries（日） | 0.2–0.4 | 2.0 | 130 | 99.999% | 180 | JIS Z 8122 |
說明：測試條件統一為NaCl氣溶膠（0.1 μm CMD），流量5.3 cm/s，相對濕度50%
值得注意的是，美國3M公司在其高端N99口罩中采用了複合式設計：外層為疏水性聚酯，中間層為駐極超細玻璃纖維（d_f≈0.35 μm），內層為親膚無紡布。第三方檢測機構Intertek數據顯示，該產品對0.07–0.15 μm鹽霧顆粒的平均過濾效率為99.2%，滿足NiosesH N99標準。
在中國市場，中材科技、重慶再升科技等企業已實現ULPA級玻璃纖維濾紙的國產化，廣泛用於半導體潔淨廠房、生物安全實驗室及核電站通風係統。2023年生態環境部發布的《室內空氣質量控製係統技術規範》征求意見稿中，明確提出PM0.1去除率應不低於90%，推動了高性能濾材的技術升級。
六、未來發展趨勢與挑戰
盡管超細玻璃纖維濾材在PM0.1控製方麵取得顯著進展，但仍麵臨多重挑戰：
- 成本與規模化生產瓶頸：目前直徑<0.3 μm的玻璃纖維多依賴進口設備，國內良品率偏低；
- 濕熱環境下的性能衰減：高濕度可能導致靜電消散，影響長期穩定性；
- 廢棄濾材的回收難題：玻璃纖維不可降解，焚燒易產生粉塵汙染；
- 多功能集成需求上升：如抗菌、抗病毒、自清潔等功能需進一步融合。
為此，國內外研究正朝以下幾個方向發展：
- 納米複合增強：在玻璃纖維中摻雜TiO₂、Ag納米粒子，賦予光催化或抑菌功能；
- 仿生結構設計：模仿蜘蛛網或蜂巢結構，構建分級多孔體係；
- 智能響應材料：開發溫敏/濕敏變孔材料，實現動態調節通量；
- 綠色製造工藝：推廣低溫溶膠-凝膠法替代高溫熔融，降低能耗。
例如，新加坡南洋理工大學團隊（2023）報道了一種基於生物模板的介孔玻璃纖維，孔徑精確控製在50–100 nm，對PM0.1的截留率接近100%，且可通過紫外線照射實現表麵再生。
與此同時，中國“十四五”新材料產業發展規劃明確提出，要突破高端空氣過濾材料關鍵技術，建立自主可控的ULPA濾材產業鏈。預計到2027年，我國超細玻璃纖維濾材市場規模將超過120億元，年複合增長率達14.6%（數據來源：賽迪顧問《2023年中國功能性纖維材料白皮書》）。
參考文獻
- Hinds, W. C. (1999). Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles (2nd ed.). Wiley.
- Zhang, R., et al. (2020). "Enhancement of sub-100 nm particle filtration by ultrafine glass fiber filters with reduced fiber diameter." Journal of Aerosol Science, 147, 105582.
- Lee, K. W., et al. (2019). "Electrospun glass nanofibers for high-efficiency particulate air filtration." Separation and Purification Technology, 211, 743–751.
- Wang, Y., et al. (2021). "Pore structure optimization of glass fiber media for ultrafine particle capture." Separation and Purification Technology, 264, 118432.
- Park, J. H., et al. (2018). "Effect of filter thickness on the most penetrating particle size in fibrous filters." Aerosol Science and Technology, 52(5), 567–576.
- Chen, L., et al. (2020). "Water-assisted electret treatment for long-term stable glass fiber filters." IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 27(3), 889–896.
- Nakamura, T., et al. (2021). "3D microstructure modeling of glass fiber filters for PM0.1 removal." Atmospheric Environment, 244, 117890.
- 國家市場監督管理總局. (2023). GB/T 42876-2023《空氣過濾用玻璃纖維濾紙》.
- World Health Organization. (2021). WHO Global Air Quality Guidelines.
- 賽迪顧問. (2023). 《中國功能性纖維材料產業發展白皮書》.
（全文約3,680字）
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