奈米纖維在空氣過濾材的應用(上)

刊登日期:2016/8/5
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目前最普遍使用的濾材為加靜電熔噴不織布,對於奈米微粒仍無法有效過濾,近年來,隨著奈米科技的快速發展,奈米纖維已能應用放電紡絲技術生產。這種纖維是一種由 100~1,000 nm 範圍直徑的纖維所組成,具有高比表面積,其所製成之過濾材,具有高孔隙度及特小且均勻之孔洞,纖維的型態及特性也異於一般纖維,適合應用於過濾用途。

奈米纖維與現有不織布濾材技術結合,除了可提升濾材的過濾性能,更具備降低能源消耗、增加使用壽命及易於保養等優點。本文主要介紹利用奈米纖維所製成的奈米纖維過濾材及其在氣溶膠過濾材、高效率空氣過濾材的應用。
 
奈米纖維的放電紡絲技術
放電紡絲是一種利用高靜電壓為驅動力產生高分子奈米纖維的方法。這種技術,是使高分子聚合物溶液或熔體充電而使流體表面帶電荷,並在紡口至接地收集網的間距產生高靜電場,使能吸引聚合物流體。當靜電吸引力克服高分子溶液或熔體的表面張力和黏彈力兩者時,會使聚合物流體噴射流紡口,同時形成一帶電的噴射流,如圖四所示。最終的紡絲纖維被收集在接地的金屬網上。


圖四、放電紡絲示意圖

放電紡絲的優點是能夠產生奈米尺度的纖維,如圖五所示。放電紡絲奈米纖維直徑比傳統的纖維小一或二個數量級,使比表面積急遽增大。此外,放電紡絲的設備需求較簡單,操作時間比傳統紡絲短,且僅需小量高分子樣品即可獲得奈米纖維,亦為其優點。

放電紡絲要追溯到1934年,那時Form-hals首先發明使用靜電力來製造高分子纖維的製程。一直到最近10年來,放電紡絲技術才被美國陸軍研究中心所重視,應用於製造奈米纖維及防護織物等用途之基礎研究,因此,更促進放電紡絲技術的研究發展。

纖維濾材的過濾理論
一般而言,過濾材的過濾機構,主要可分為三個機構。① 慣性衝擊機構主要是指汙染微粒或微滴與纖維表面的相互作用,進而達到收集或移除汙染物的目的。② 凝結機構是指在一個經過設計的過濾器上,將小液滴之汙染物懸浮於其上,進而凝結成可以重力分離的大質量液滴。③ 遮蔽或篩除機構是藉著過濾材纖維結構的孔隙,以機械方式移除汙染微粒。

另外,Timothy H. Grafe 在 2003年提出細小纖維在次微米的範圍,其過濾機制為攔截和慣性碰撞,在相同的壓損下,與大的纖維比較,可以提供較佳的過濾效率。然而,更小的纖維會導致更高的壓損,攔截和慣性碰撞效率將增加更快速,比補償壓損增加更多。換言之,以次微米和以上的纖維,在相同的壓損下可以得到較佳的過濾效率;相反地,以更細小的纖維在相同過濾效率下,則可以得到較低的壓損。因此,利用奈米纖維可以增進過濾材的過濾性能。



圖七、直接攔截的過濾機制
 
空氣過濾器的規格及濾芯的分類
顧名思義,空氣過濾器濾芯是過濾器的心臟,主要是為了淨化原生態的資源和資源的再利用而需要的淨化設備。濾芯一般主要用在……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:蕭弘毅、趙蓓瑩、洪文濱、蔡書憲、黃泳彬 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」356期,更多資料請見下方附檔。


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