CN104492198A - 一种寿命可测的复合颗粒物过滤器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种寿命可测的复合颗粒物过滤器，该过滤器由滤纸往复折叠构成，所述的滤纸由玻纤滤层、聚丙烯静电熔喷滤层、以及可包含的防护支撑层复合而成，其中气流的流经顺序为：首先经过玻纤滤层或防护支撑层，然后流经聚丙烯静电熔喷滤层。本发明使用玻璃纤维制成低风阻的玻纤滤层，利用其初始阻力恒定和随容尘量逐步增加的特性，与高效率但容尘量与阻力相关性不明显的聚丙烯熔喷滤层复合，构成一种既有高的净化过滤效率，同时随容尘量的增加而阻力呈线性增加的过滤器，该过滤器随着使用时间的增加，过滤器的捕集尘量也相应的增加，其风阻将成发生规律改变，检测该过滤器的风阻就可以判定过滤器的寿命状态，从而实现过滤器的寿命可测。
Description
技术领域
本发明涉及空气净化技术领域，特别是涉及一种寿命可测的复合颗粒物过滤器，该过滤器具有高容尘量，并且可通过测试其风阻变化来检测器寿命，从而实现过滤器的使用寿命通过检测方法准确检出。
背景技术
PM2.5已经变成大气空气的主要污染物，PM2.5是指空气动力学直径小于2.5微米的颗粒物，具有不易沉降、穿透能力强的特点。
建筑物围护结构的缝隙渗透、自然通风、强制通风等手段，将使居住、办公等室内外的空气每小时大约交换一次甚至更多，室外的颗粒物污染由此也构成了室内的主要污染物。
由于雾霾天气导致的PM2.5污染，空气净化净化器行业最近得到快速的发展，从技术角度，净化去除PM2.5并不存在难度，但是如何判断家用净化器中使用的颗粒物过滤器何时达到使用寿命到目前为止尚未见到相应专利描述方法。
达到使用寿命的颗粒物过滤器会失去预期的净化效果，同时在某种诱因下(例如震动)可能会瞬间释放表面吸附的部分颗粒物，形成高浓度二次污染，还有可能在潮湿环境下滋生霉菌、真菌等微生物，形成过敏源二次污染。
传统家用空气净化器颗粒物过滤器的寿命判定方法有两种：
1.时间预定法：假设了过滤器在不同档位的使用寿命(小时),通过运行统 计的方式进行累积时间，达到设定值时报警提示。
此方法适用于颗粒物浓度变化不大的使用区域，例如每立方米小于20微克的欧美地区，不适合国内PM2.5浓度在10-600剧烈变化的环境。同时用于使用习惯不同，国内基本采用间歇开机的方式，使得实际统计方式位差较大。
2.灰度比色法：使用标有灰度比例分级的比色卡，同使用中的过滤器表面颜色进行对比，当表面灰度接近比色卡建议更换的灰度时，表面颗粒物过滤器已经达到使用寿命，更换滤芯。
此方法同样也只适用于低浓度大气颗粒物地区，国内需要进行频繁的比色操作，显然不切合实际。
工业上使用的本征安全高效过滤器-玻纤过滤器采用了初始与终点阻力对比法进行寿命判断，当阻力达到初始值的2倍时，即认为过滤器已经达到使用寿命，简单可靠。但是高效玻纤滤纸由于初始阻力大(200-400)Pa，涉及CADR(洁净空气量)值、能耗与噪声问题并不适于制成家用的空气净化器。
国内市场上的空气净化器多数采用聚丙烯(PP)熔喷静电驻极无纺布制成的过滤器，具有初始效率高、风阻低的特点。但是PP滤纸的失效机制主要同静电驻极的静电场强度相关，与容尘量、风阻变化值的关联性不强，尽管是呈正相关的趋势，但是在寿命期内，风阻的变化范围不足以作为检测和判定寿命终止的依据。
空气净化器过滤器制造行业、整机制造销售行业、用户都迫切的需要一种客观判断颗粒物过滤器寿命的方法，以规范市场行为并促进行业、市场规模的健康发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是克服现有产品在寿命检测方面所存在的不足，提供一种具有高容尘量，并且寿命可测的复合颗粒物过滤器。
为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：该过滤器由滤纸往复折叠构成，所述的滤纸由玻纤滤层、聚丙烯静电熔喷滤层、以及可包含的防护支撑层复合而成，其中气流的流经顺序为：首先经过玻纤滤层或防护支撑层，然后流经聚丙烯静电熔喷滤层。
进一步而言，上述技术方案中，所述的玻纤滤层采用直径0.2-20微米的玻璃纤维制成。
进一步而言，上述技术方案中，所述的玻纤滤层厚度0.1-1毫米，风阻1-20帕斯卡，过滤效率1-90％，过滤效率均匀度小于3-20％，面密度10-100克每平方米。
进一步而言，上述技术方案中，所述的玻纤滤层为改性玻璃纤维，其采用以下任意一种方式改性：加入氧化锌晶须或玻璃纤维表面载银元素；或者，加入纳米碳管或碳纤维微粉；或者，加入可产生负离子的具有托玛琳结构的矿物成分。
进一步而言，上述技术方案中，所述的聚丙烯静电熔喷滤层采用静电熔喷驻极无纺布工艺制造。
进一步而言，上述技术方案中，所述的聚丙烯静电熔喷滤层的纤维直径1-10微米，厚度0.1-1.5毫米，风阻5-50Pa，过滤效率85-99.99％，面密度15-75g/m2，表面静电电位2-5KV，过滤效率均匀度小于5-15％。
进一步而言，上述技术方案中，所述的支撑层采用以下任意一种材料:聚酯纤维无纺布、塑料丝网、金属丝网，其厚度为0.01-0.3mm，风阻小于5Pa。
本发明的过滤器采用了玻纤滤层、聚丙烯静电熔喷滤层的复合滤纸，其中使 用玻璃纤维制成低风阻的玻纤滤层，利用其初始阻力恒定和随容尘量逐步增加的特性，与高效率但容尘量与阻力相关性不明显的聚丙烯熔喷滤层复合，构成一种既有高的净化过滤效率，同时随容尘量的增加而阻力呈线性增加的新型过滤器(简称GPS：Glass fibre&PP Super filter paper)，该过滤器随着使用时间的增加，过滤器的捕集尘量也相应的增加，其风阻将成发生规律改变，检测该过滤器的风阻就可以判定过滤器的寿命状态，从而实现过滤器的寿命可测，并且这种寿命测试方式准确、可靠。
另外，本发明的有益之处还在于：
1、不改变已有纸质颗粒物过滤器的尺寸和安装方式，直接可以使用在现有产品上以替换原来的PP过滤器。
2、包括CADR(国际权威机构评价空气净化效能的主要指标)、适用面积等原设计参数得以保持或得到提升。
3、本发明的滤纸结构设计，可以使滤纸容尘寿命提升1倍以上，同时降低引起PP滤纸失效的不利因素。
4、更适合于国内的雾霾污染的成分现状，提升空气净化器的使用效能。
附图说明
图1是本发明过滤器所使用的滤纸结构示意图；
图2是本发明中测试系统的结构示意图；
图3是寿命期内不同过滤器的效率风阻变化曲线图；
图4是三种不同滤纸随使用时间变化风阻与效率测试数据表；
图5是传统PP滤纸使用过后的效率测试数据表；
图6是传统PP滤纸使用过后的效率变化曲线图；
图7是本发明滤纸使用过后效率测试数据表；
图8是本发明滤纸使用过后效率变化曲线图；
图9是传统PP滤纸随使用时间变化其表面电位分布测试数据表；
图10是传统PP滤纸随使用时间变化其表面电位分布变化曲线图；
图11是GPS滤纸随使用时间变化其表面电位分布测试数据表；
图12是GPS滤纸随使用时间变化其表面电位分布变化曲线图。
具体实施方式
见图1所示，本发明所使用的过滤器2由滤纸往复折叠构成，所述的滤纸由玻纤滤层21、聚丙烯静电熔喷滤层22、可包含的支撑层23复合而成。所述的玻纤滤层21采用直径0.2-20微米的玻璃纤维制成；所述的玻纤滤层21厚度0.1-1毫米，风阻1-20帕斯卡(Pa)，过滤效率1-90％，过滤效率均匀度小于3-20％，面密度10-100克每平方米。
聚丙烯静电熔喷滤层22采用静电熔喷驻极无纺布工艺制造，纤维直径1-10微米，厚度0.1-1.5毫米，风阻5-50Pa，过滤效率85-99.99％，面密度15-75g/m2，表面静电电位2-5KV，过滤效率均匀度小于5-15％。
所述的保护支撑层23采用以下任意一种材料:聚酯纤维PET无纺布、塑料丝网、金属丝网，其厚度为0.1-0.3mm，风阻小于5Pa。支撑层不对过滤产生效果。
本发明中玻纤滤层21为玻璃纤维滤纸，其作为本征安全过滤体系广泛应用于洁净厂房、医疗环境等需要严格控制颗粒物数量的环境，在其工作寿命范围内，过滤效率不会降低，反而会随着使用时间的延长过滤效率会增加。
本发明的设计方法是使用玻璃纤维制成低风阻的滤纸(GF滤纸)，利用其初始阻力恒定和随容尘量逐步增加的特性，与高效率但容尘量与阻力相关性不明显 的聚丙烯熔喷静电驻极纤维滤纸(PP滤纸)复合，构成一种既有高的净化过滤效率，同时随容尘量的增加而阻力呈线性增加的新型滤纸(简称GPS滤纸)，通过该滤纸制成净化器的过滤器，通过风阻的检测，用以判断过滤器的寿命。
本发明过滤器的滤纸的结构中玻纤滤层21、聚丙烯静电熔喷滤层22、防护支撑层23采用喷丝复合的工艺粘结。其中防护支撑层23用于支撑滤纸的硬度，便于折叠加工定型，同时防护滤层受到外力冲击破坏，避免使用者接触到玻纤层而产生不适，其可根据需要选择复合或不复合。
滤纸中玻纤滤层21置于进风方向，该改性玻纤滤纸层21还有以下有益效果：
1、随着玻纤滤层21的过滤效率不断的提升，通过适当的设计，可以弥补聚丙烯静电熔喷滤层22过滤效率的下降，使得本发明的过滤器能够在有效工作区间内保持相对稳定的过滤效率。
2、复合于聚丙烯静电熔喷滤层22上的玻纤滤纸层21，可以有效的滤除容易导致聚丙烯静电熔喷滤层22失效的焦油类、导电颗粒物如炭黑等颗粒物，延长聚丙烯静电熔喷滤层22的效率寿命。
3、复合于聚丙烯静电熔喷滤层22上的玻纤滤纸层21，可以起到良好的气流均流效果，避免聚丙烯静电熔喷滤层22因气流不均衡导致的局部早期失效。
4、玻纤滤纸层21与聚丙烯静电熔喷滤层22协同作用，可以使整个滤纸的容尘量得以提升，相应的延长了滤纸的使用寿命。测试表明，使用寿命可以提升1-3倍。
5、通过对玻纤滤纸层的改性，可以进一步拓展其应用范围，如：加入氧化锌晶须或玻璃纤维表面载银元素，可以提升其表面抗菌性能，避免捕集的袍子、真菌、霉菌等微生物在表面滋生；加入纳米碳管或碳纤维微粉，其裸露端在电场 的感应激励下，可以发射负离子，可以提升聚丙烯静电熔喷滤层22的过滤效率；加入可产生负离子的具有托玛琳结构的矿物成分，可以通过空气流动激发发射对健康有益的负离子等。上述的改性措施基本上无法加入到聚丙烯静电熔喷滤层22中，因其所造成的聚丙烯静电熔喷滤层22的性能下降至今尚无法预测，而玻璃纤维因其所固有的化学惰性和物理结构，容易引入改性物质进而拓展其功能。
可选的防护支撑23层结构，可以帮助本发明的滤纸具有更好的强度和易于加工性能。
见图2所示，这是本发明中所述的空气净化用过滤器的使用寿命检测的测试系统。
该系统5包括：缓冲舱51、空气流量计52、可调整风量的变频风机53、微压力差计54,粒子计数器55；将测试用过滤器2安装在缓冲舱51的进风口511处，缓冲舱51的出风口512与变频风机53连通，并且空气流量计52位于出风口512与变频风机53之间，所述的微压力差计54用于检测缓冲舱51内外环境的气压力差，可以计算过滤器2的风阻。粒子计数器55用于检测缓冲舱51内的颗粒物数量，用以计算过滤器2的效率。
测试时，将上述GPS滤纸经过折叠、固定后制成的本发明所述的过滤器2，计算气流通过区域的有效展开面积，以滤纸表面风速5.33厘米/秒设定计算所需的空气量流量，使用上述测试系统5测试其初始的风阻、颗粒物(自然尘)的捕集效率，进而设定过滤器2的效率级别。
下面是本发明具体测试的相关实施例，从而进一步说明本发明所提出的过滤器，其寿命确实可以测试，并且本发明采用过滤器相对于现有的其他过滤器更加高效、容尘量高、使用寿命更长。
本实施例中采用丝径为6微米中碱玻璃纤维，加入3％氧化锌晶须，采取湿法无纺布工艺，制成面密度40克/平方米，初始阻力3Pa，过滤效率15％(DOP，0.3um，5.33cm/S)，厚度0.2mm的玻纤滤层21，与效率99.5％,厚度0.4mm的聚丙烯静电熔喷滤层22(美国3M公司生产)复合，制成总厚度0.6mm的GPS滤纸，滤纸的初始效率为99.7％，风阻为23Pa，表面电位(聚丙烯静电熔喷滤层22比表面)2.4KV/5mm。计算气流通过区域的有效展开面积为1.2平方米，经过折叠、固定后制成两个标准过滤器2，编号为1#、2#。以滤纸表面风速5.33厘米/秒设定计算所需的空气量流量为230立方米/小时，然后将这两个相同标准的过滤器2分别使用本发明所述的测试系统5，测试各自的初始的风阻、颗粒物(自然尘)的捕集效率。
进行上述测试后，再将上述两个标准过滤器2进行如下测试：
1#过滤器：安装于测试系统5上，在室内的通风环境中，24小时连续运转，每24小时测试一次风阻、过滤效率数值，进行记录到图4所示的表格中。
2#过滤器：将该过滤器安装到上述的空气净化装置中，调整该空气净化装置的风量为230立方米/小时，在30立方米测试舱中，使用AHAM AC-1标准测试首次CADR值。将该空气净化装置置于室内的通风环境中，24小时连续运转，每24小时测试一次压力变化，计算2#过滤器的风阻变化。以每三天为一个时间基数，计算风阻的平均值。同时将该空气净化装置2移入测试舱中，测试其在烟雾环境下的CADR值，当CADR值降到首次测试值的50％时，停止测试。
测试结束后，将经过上述测试的2#过滤器滤纸重新展开，平均分配16个区域，使用非接触式表面电位测试仪测试每个区域中心点的表面静电电位。数据计入图11中所示的表格中，并生成图12所示的曲线图。然后，将分配的区域按照 纵横方向进行编号，并将其剪开，再次通过本发明的测试系统5测试不同区域的的净化效率数据，计入图7所示的表格中，并生成图8所示的曲线图。
整理1#、2#过滤器的测试数据，以2#过滤器的寿命终点时间推算，将相关的数据计入图4所示的表格中。
比较例：使用效率为99.7％的PP滤纸，制成与上述实施例同样规格的过滤器，进行相同方式的测试，并将对应的数据分别记录到相应的数据表中。见图4、5、6、9、10所示。
根据上述实施例与比较例的测试数据进行说明。
为了进一步说明，图4中引用了单纯玻璃纤维滤纸(GF滤纸)的风阻与效率数据(该数据为现有数据，也可通过上述方式进行测试取得)，通过图4中的数据可以看到，单纯使用玻璃纤维制作的GF滤纸，其随使用时间的变化，效率在不断提升，同时风阻也在不断增大。
见图4所示，传统的PP滤纸随时间变化效率在迅速下降，但是阻力只有少许的变化。
见图4所示，本发明的GPS滤纸在使用寿命期内，效率下降较少，阻力增加了接近1倍，证明了本发明的设计理念是完全可行的，即可以通过在线测试风阻的方式预测颗粒物过滤器的使用寿命，而风阻是可以通过气压变化计算出来，所以本发明通过检测气压压力差的数值是可以计算出过滤器2的使用寿命。经过不断的测试，本发明过滤器2的使用寿命的判断依据为：当阻力增加到标准测试初始值的1.5-3.5倍，我们认为其已经达到了使用寿命。或虽然没有达到上述条件 但是时间上达到了过滤器2的基本使用寿命。按照这一原理，反推计算出压力差数值即可得到过滤器2达到使用寿命时压力差参数。
图3是根据图4表格得到的不同材料滤纸(PP、GPS)的过滤器寿命期内,过滤器的阻力与效率变化曲线。其可以作为本发明空气净化装置过滤器寿命设计的参考依据。
图5、图6分别记录了在自然尘条件下、不同材料过滤器在使用后，不同区域的过滤效率，由图6、7可以看到，本发明所采用的过滤器2(GPS滤纸)依旧保持了均衡的过滤效率，而采用PP滤纸制作的过滤器过滤效率下降明显，并且不同区域的过滤效率差别较大，这体现了本发明过滤器2相对于传统的PP过滤器具有明显的优势。
图9-12分别记录了在自然尘条件下、不同材料过滤器在使用后，不同区域的表面静电电位，表明GPS滤纸上由于采用了玻纤滤层21，从而避免了通过PP滤层的气流不均衡性，而使得局部表面电位变化不均衡。这体现了本发明过滤器2相对于传统的PP过滤器具有明显的优势。
Claims (7)
1.一种寿命可测的复合颗粒物过滤器，其特征在于：该过滤器(2)由滤纸往复折叠构成，所述的滤纸由玻纤滤层(21)、聚丙烯静电熔喷滤层(22)、以及可包含的防护支撑层(23)复合而成，其中气流的流经顺序为：首先经过玻纤滤层或防护支撑层(21)，然后流经聚丙烯静电熔喷滤层(22)。
2.根据权利要求1所述的一种寿命可测的复合颗粒物过滤器，其特征在于：所述的玻纤滤层(21)采用直径0.2-20微米的玻璃纤维制成。
3.根据权利要求2所述的一种寿命可测的复合颗粒物过滤器，其特征在于：所述的玻纤滤层(21)厚度0.1-1毫米，风阻1-20帕斯卡(Pa)，过滤效率1-90％，过滤效率均匀度小于3-20％，面密度10-100克每平方米。
4.根据权利要求2所述的一种寿命可测的复合颗粒物过滤器，其特征在于：所述的玻纤滤层(21)为改性玻璃纤维，其采用以下任意一种方式改性：加入氧化锌晶须或玻璃纤维表面载银元素；或者，加入纳米碳管；或者，加入可产生负离子的具有托玛琳结构的矿物成分。
5.根据权利要求1所述的一种寿命可测的复合颗粒物过滤器，其特征在于：所述的聚丙烯静电熔喷滤层(22)采用静电熔喷驻极无纺布工艺制造。
6.根据权利要求5所述的一种寿命可测的复合颗粒物过滤器，其特征在于：所述的聚丙烯静电熔喷滤层(22)的纤维直径1-10微米，厚度0.1-1.5毫米，风阻5-50Pa，过滤效率85-99.99％，面密度15-75g/m2，表面静电电位2-5KV，过滤效率均匀度小于5-15％。
7.根据权利要求1所述的一种寿命可测的复合颗粒物过滤器，其特征在于：所述的支撑层(23)采用以下任意一种材料:聚酯纤维(PET)无纺布、塑料丝网、金属丝网，其厚度为0.01-0.3mm，风阻小于5Pa。
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