超细玻璃纤维滤材的微结构对PM0.1颗粒物过滤效率的影响

概述

超细玻璃纤维（Ultra-fine Glass Fiber, UFGF）滤材因其优异的过滤性能，广泛应用于空气净化、工业除尘、医疗防护及洁净室等领域。随着大气污染问题日益严重，尤其是可吸入颗粒物中直径小于等于0.1微米的PM0.1颗粒物（又称超细颗粒物），其对人体呼吸系统和心血管系统的危害已引起全球高度关注。由于PM0.1粒径极小，具有强穿透性与高扩散能力，传统过滤材料难以实现高效捕集。因此，开发具备高过滤效率、低阻力特性的新型滤材成为研究热点。

超细玻璃纤维滤材凭借其纳米级纤维直径、高孔隙率和三维网络结构，在捕捉亚微米乃至纳米级颗粒方面展现出显著优势。其中，材料的微结构——包括纤维直径、孔径分布、堆积密度、厚度及表面化学性质等——是决定其对PM0.1颗粒物过滤性能的核心因素。

本文将从超细玻璃纤维滤材的基本特性出发，系统分析其微结构参数对PM0.1颗粒物过滤机制的影响，并结合国内外权威研究成果，深入探讨不同结构特征下的过滤效率变化规律。

一、超细玻璃纤维滤材的定义与基本特性

1.1 定义

超细玻璃纤维是一种由熔融玻璃通过离心喷吹或火焰拉丝法制备而成的无机纤维材料，其单根纤维直径通常在0.1～3 μm之间，远小于普通玻璃纤维（直径约5～20 μm）。根据中国国家标准《GB/T 42876-2023 空气过滤用玻璃纤维滤纸》中的分类标准，纤维平均直径≤1 μm的玻璃纤维被归类为“超细”级别。

1.2 物理与化学特性

资料来源：中国建材检验认证集团（CTC）、美国ASHRAE Standard 52.2、德国TÜV SÜD测试报告

超细玻璃纤维主要成分为SiO₂（含量≥60%），并含有CaO、B₂O₃、Al₂O₃等助熔氧化物，使其具备良好的耐热性、化学稳定性和电绝缘性能。此外，该材料不吸水、不易燃，适合长期在潮湿或高温环境中使用。

二、PM0.1颗粒物的物理特性与健康危害

2.1 PM0.1的定义与来源

PM0.1是指空气动力学直径小于或等于0.1微米（即100纳米）的悬浮颗粒物，属于超细颗粒范畴。这类颗粒主要来源于燃烧过程（如柴油发动机尾气、燃煤电厂排放）、工业生产（金属冶炼、喷涂作业）、以及二次气溶胶形成（大气中SO₂、NOₓ与VOCs反应生成有机/无机纳米颗粒）。

据世界卫生组织（WHO）发布的《空气质量指南》（2021年版），PM0.1虽未设定单独限值，但明确指出其沉积效率远高于PM2.5，且能深入肺泡甚至进入血液循环系统，引发炎症、氧化应激和DNA损伤。

2.2 PM0.1的运动行为特征

由于粒径极小，PM0.1在空气中表现出强烈的布朗运动（Brownian Diffusion），其扩散系数显著高于大颗粒。根据Einstein-Stokes方程：

$$
D = frac{k_B T}{3pi mu d_p}
$$

其中：

• $ D $：扩散系数（m²/s）
• $ k_B $：玻尔兹曼常数（1.38×10⁻²³ J/K）
• $ T $：绝对温度（K）
• $ mu $：空气粘度（~1.8×10⁻⁵ Pa·s）
• $ d_p $：颗粒直径（m）

计算可知，当$ d_p = 100 $ nm时，室温下（T=293K）的扩散系数约为 $ 4.3 × 10^{-6} , text{cm}^2/text{s} $，远高于1 μm颗粒的 $ 1.2 × 10^{-6} , text{cm}^2/text{s} $。这使得PM0.1更易因随机碰撞而被捕获于滤材纤维表面。

然而，由于惯性力和拦截效应减弱，PM0.1在传统深层过滤机制中存在“最易穿透粒径”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）现象，通常出现在0.03–0.3 μm区间，导致过滤效率出现谷值。

三、超细玻璃纤维滤材的微结构参数分析

3.1 纤维直径

纤维直径是影响过滤性能最关键的因素之一。较小的纤维直径可增加单位体积内的纤维比表面积，从而提升颗粒接触概率。

数据来源：Zhang et al., Journal of Aerosol Science, 2020；清华大学环境学院实验数据

研究表明，纤维直径每减小0.1 μm，对PM0.1的扩散捕集效率可提高3–7%。韩国科学技术院（KAIST）Lee团队（2019）通过静电纺丝制备出平均直径0.2 μm的玻璃纤维膜，实测对0.07 μm NaCl气溶胶的过滤效率达99.995%，压降仅为110 Pa。

3.2 孔隙结构与孔径分布

孔隙结构决定了气流路径和颗粒停留时间。理想的滤材应具备窄而均匀的孔径分布，避免大孔造成短路流。

注：CV = 标准差 / 平均值，反映孔径均匀性
资料来源：Wang et al., Separation and Purification Technology, 2021

中国科学院过程工程研究所采用汞 intrusion porosimetry 测定发现，孔径分布越集中，最易穿透粒径处的效率谷值越浅。当平均孔径<2 μm且CV<0.3时，MPPS可移至<0.05 μm，显著改善PM0.1过滤表现。

3.3 堆积密度与厚度

堆积密度直接影响滤材的容尘能力和阻力特性。过高密度会堵塞通道，过低则降低捕集概率。

数据来源：同济大学建筑环境与能源工程系，2022年度国家自然科学基金项目报告

美国明尼苏达大学的研究表明（Park et al., Aerosol Science and Technology, 2018），在相同面密度条件下，增加厚度比提高密度更能有效提升小颗粒过滤效率，尤其对扩散主导的PM0.1更为明显。

3.4 表面改性与电荷驻极处理

尽管玻璃纤维本身为非织造结构，但可通过驻极体技术引入持久静电场，增强库仑力对带电或极化颗粒的吸引力。

引用文献：Chen et al., IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2020

浙江大学高分子科学与工程学系研究证实，经水辅助驻极处理后的UFGF滤材，在相对湿度60%环境下仍能保持>70%的静电贡献率，显著优于传统聚丙烯熔喷材料。

四、微结构对PM0.1过滤机制的影响机制解析

颗粒在滤材中的捕集主要依赖以下五种机制：

1. 惯性撞击（Impaction）：适用于较大颗粒（>0.5 μm），在高速气流中偏离流线撞击纤维。
2. 拦截（Interception）：颗粒随气流接近纤维表面时被直接“勾住”。
3. 扩散（Diffusion）：布朗运动使小颗粒随机移动并与纤维接触，主导PM0.1捕集。
4. 静电吸引（Electrostatic Attraction）：带电纤维吸附带电或可极化颗粒。
5. 重力沉降（Gravitational Settling）：作用较弱，仅在低速长时间过滤中显现。

对于PM0.1颗粒，扩散机制占主导地位（占比约60–80%），其次为静电吸附（15–30%），其余机制贡献甚微。

4.1 微结构与扩散效率的关系

扩散捕集效率 $ eta_d $ 可用如下经验公式估算（参考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 $：气流速度（m/s）
• $ d_f $：纤维直径（m）
• $ K_n $：克努森数，$ K_n = lambda / d_p $，$ lambda $为空气平均自由程（~66 nm）

由此可见，降低 $ d_f $ 和提高 $ D $（即减小 $ d_p $）均可提升 $ eta_d $。因此，采用亚微米级纤维构建致密网络，是增强PM0.1扩散捕集的关键。

日本东京大学Nakamura课题组（2021）利用聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）重建了三种不同直径纤维滤层的三维结构模型，模拟结果显示：当纤维直径从1.0 μm降至0.3 μm时，PM0.1的平均停留时间延长2.7倍，碰撞频率增加4.3倍。

4.2 微结构与静电增强效应

静电场的存在可大幅降低最易穿透粒径对应的效率谷值。德国弗劳恩霍夫制造技术与先进材料研究所（IFAM）通过有限元模拟证明，当纤维表面电荷密度达到±5 nC/m²时，对0.1 μm颗粒的库仑力可达范德华力的10倍以上。

国内东华大学纺织学院开发了一种梯度复合滤材：表层为驻极超细玻璃纤维（d_f ≈ 0.4 μm），中间层为常规玻璃纤维支撑体，底层为导电涂层以防止静电屏蔽。实际测试显示，该结构在风速2.5 cm/s下对0.1 μm DOP气溶胶的过滤效率达99.998%，同时压降控制在135 Pa以内。

五、典型产品对比与应用案例

以下为国内外主流超细玻璃纤维滤材产品的微结构参数与性能对比：

说明：测试条件统一为NaCl气溶胶（0.1 μm CMD），流量5.3 cm/s，相对湿度50%

值得注意的是，美国3M公司在其高端N99口罩中采用了复合式设计：外层为疏水性聚酯，中间层为驻极超细玻璃纤维（d_f≈0.35 μm），内层为亲肤无纺布。第三方检测机构Intertek数据显示，该产品对0.07–0.15 μm盐雾颗粒的平均过滤效率为99.2%，满足NIOSH N99标准。

在中国市场，中材科技、重庆再升科技等企业已实现ULPA级玻璃纤维滤纸的国产化，广泛用于半导体洁净厂房、生物安全实验室及核电站通风系统。2023年生态环境部发布的《室内空气质量控制系统技术规范》征求意见稿中，明确提出PM0.1去除率应不低于90%，推动了高性能滤材的技术升级。

六、未来发展趋势与挑战

尽管超细玻璃纤维滤材在PM0.1控制方面取得显著进展，但仍面临多重挑战：

1. 成本与规模化生产瓶颈：目前直径<0.3 μm的玻璃纤维多依赖进口设备，国内良品率偏低；
2. 湿热环境下的性能衰减：高湿度可能导致静电消散，影响长期稳定性；
3. 废弃滤材的回收难题：玻璃纤维不可降解，焚烧易产生粉尘污染；
4. 多功能集成需求上升：如抗菌、抗病毒、自清洁等功能需进一步融合。

为此，国内外研究正朝以下几个方向发展：

• 纳米复合增强：在玻璃纤维中掺杂TiO₂、Ag纳米粒子，赋予光催化或抑菌功能；
• 仿生结构设计：模仿蜘蛛网或蜂巢结构，构建分级多孔体系；
• 智能响应材料：开发温敏/湿敏变孔材料，实现动态调节通量；
• 绿色制造工艺：推广低温溶胶-凝胶法替代高温熔融，降低能耗。

例如，新加坡南洋理工大学团队（2023）报道了一种基于生物模板的介孔玻璃纤维，孔径精确控制在50–100 nm，对PM0.1的截留率接近100%，且可通过紫外线照射实现表面再生。

与此同时，中国“十四五”新材料产业发展规划明确提出，要突破高端空气过滤材料关键技术，建立自主可控的ULPA滤材产业链。预计到2027年，我国超细玻璃纤维滤材市场规模将超过120亿元，年复合增长率达14.6%（数据来源：赛迪顾问《2023年中国功能性纤维材料白皮书》）。

参考文献

1. Hinds, W. C. (1999). Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles (2nd ed.). Wiley.
2. 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.
3. Lee, K. W., et al. (2019). "Electrospun glass nanofibers for high-efficiency particulate air filtration." Separation and Purification Technology, 211, 743–751.
4. Wang, Y., et al. (2021). "Pore structure optimization of glass fiber media for ultrafine particle capture." Separation and Purification Technology, 264, 118432.
5. 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.
6. 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.
7. Nakamura, T., et al. (2021). "3D microstructure modeling of glass fiber filters for PM0.1 removal." Atmospheric Environment, 244, 117890.
8. 国家市场监督管理总局. (2023). GB/T 42876-2023《空气过滤用玻璃纤维滤纸》.
9. World Health Organization. (2021). WHO Global Air Quality Guidelines.
10. 赛迪顾问. (2023). 《中国功能性纤维材料产业发展白皮书》.

（全文约3,680字）