多层复合滤材对抗病毒空气过滤器过滤效率的影响
多层复合滤材在空气过滤器中的作用
多层复合滤材是一种由多种不同材质和结构组成的过滤材料，广泛应用于空气过滤领域。其主要作用是通过物理拦截、静电吸附以及扩散效应等多种机制，有效去除空气中的颗粒物、细菌、病毒及其他有害物质。与单层滤材相比，多层复合滤材能够提供更高效的过滤性能，同时兼顾透气性和使用寿命，使其成为现代空气过滤技术的重要发展方向。
在对抗病毒的空气过滤器中，多层复合滤材的作用尤为关键。病毒通常以气溶胶形式存在于空气中，尺寸极小（一般在0.02~0.3微米之间），因此需要高效过滤材料来确保其被有效拦截。研究表明，采用多层复合滤材的空气过滤器可以显著提高对纳米级颗粒的捕获效率，并减少压降，从而提升整体过滤性能（Konda et al., 2020）。此外，多层结构还可以结合不同材料的优势，如静电纺丝膜用于增强静电吸附能力，熔喷无纺布用于提高机械拦截效果，活性炭层用于吸附挥发性有机化合物（VOCs）等（Li et al., 2019）。
近年来，随着空气质量问题的加剧及新冠疫情的影响，市场对高性能空气过滤器的需求大幅上升。根据中国空气净化行业联盟（CPIA）发布的报告，2021年中国空气过滤市场规模已超过500亿元人民币，并预计在未来五年内保持年均10%以上的增长速度（CPIA, 2022）。与此同时，全球范围内对于高效空气过滤器的研究也在不断深化，尤其是在医疗、工业净化及家用空气净化设备领域，多层复合滤材的应用前景十分广阔（Morawska et al., 2020）。因此，深入研究多层复合滤材的结构特性及其对抗病毒空气过滤器性能的影响，对于提升空气过滤技术水平具有重要意义。
多层复合滤材的组成与特性
多层复合滤材通常由不同功能层组合而成，每层材料具有特定的过滤机制和物理化学特性，以实现佳的综合过滤性能。常见的多层复合滤材包括初效层、高效层、活性炭层和静电层等，各层材料的选择直接影响空气过滤器的整体效率、阻力和使用寿命。
1. 初效层（Pre-filter Layer）
初效层主要用于拦截较大的颗粒物，如灰尘、花粉和毛发等，以保护后续高效过滤层免受过早堵塞。该层通常采用聚丙烯（PP）、聚酯纤维（PET）或玻璃纤维制成，具有较高的透气性和较低的压降。例如，某品牌空气过滤器的初效层由4 mm厚的聚丙烯非织造布构成，孔隙率约为70%，可拦截粒径大于5 μm的颗粒物（见表1）。
2. 高效层（HEPA/ULPA Filter Layer）
高效层是空气过滤器的核心部分，负责拦截微小颗粒，包括PM2.5、细菌和病毒等。高效粒子空气过滤器（HEPA）要求对0.3 μm颗粒的过滤效率不低于99.97%，而超低穿透空气过滤器（ULPA）则要求对0.12 μm颗粒的过滤效率达到99.999%以上（ASHRAE Standard 52.2, 2017）。高效层通常采用熔喷聚丙烯或静电纺丝膜，这些材料具有细密的纤维结构，能够通过惯性碰撞、拦截和扩散等方式有效捕捉微粒（Wang et al., 2020）。
3. 活性炭层（Activated Carbon Layer）
活性炭层主要用于吸附空气中的挥发性有机化合物（VOCs）、异味和有害气体。该层通常采用椰壳活性炭、煤基活性炭或浸渍活性炭，其中椰壳活性炭因具有较高的比表面积和吸附容量，常用于高端空气过滤器（Zhou et al., 2021）。例如，某款家用空气净化器采用厚度为2 mm的椰壳活性炭层，其碘吸附值可达1200 mg/g，适用于去除甲醛、苯系物等污染物（见表1）。
4. 静电层（Electrostatic Layer）
静电层利用驻极体材料产生的静电场增强对微小颗粒的吸附能力，使空气过滤器在较低风阻下仍能保持较高的过滤效率。该层通常采用驻极处理的聚丙烯熔喷材料，其表面电荷可维持数年，不会因湿度变化而明显衰减（Chen et al., 2020）。实验数据显示，在相同风速条件下，带有静电层的空气过滤器比未带静电层的同类产品过滤效率提高约10–15%（见表2）。
5. 支撑层（Support Layer）
支撑层主要用于增强整个滤材的机械强度，防止因高压差导致的破损。该层通常采用无纺布、金属网或塑料网格，其材料选择需兼顾轻量化和耐用性。例如，某些商用空气过滤器采用聚酯无纺布作为支撑层，其抗拉强度可达20 N/cm，能够在长期使用过程中保持结构完整性（见表2）。
综上所述，多层复合滤材的不同组成层各自承担不同的过滤任务，共同作用以提高空气过滤器的整体性能。通过合理搭配不同材料，可以优化过滤效率、降低空气阻力，并延长过滤器的使用寿命。以下表格总结了不同滤材层的主要参数及其典型应用：
| 滤材层类型 | 常见材料 | 厚度范围 | 孔隙率 | 适用颗粒尺寸 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 初效层 | 聚丙烯、聚酯纤维 | 2–6 mm | 60–80% | >5 μm | 家用空气净化器、工业通风系统 |
| 高效层 | 熔喷聚丙烯、静电纺丝膜 | 0.5–2 mm | 70–90% | 0.1–0.3 μm | 医疗洁净室、实验室通风系统 |
| 活性炭层 | 椰壳活性炭、煤基活性炭 | 1–5 mm | 40–60% | 气态污染物 | 家用空气净化器、汽车空调系统 |
| 静电层 | 驻极聚丙烯 | 0.2–1 mm | 70–85% | 0.01–0.1 μm | 口罩、医用空气过滤装置 |
| 支撑层 | 聚酯无纺布、金属网 | 0.5–3 mm | 50–70% | 不影响颗粒过滤 | 工业空气过滤器、HVAC系统 |
多层复合滤材对抗病毒空气过滤器过滤效率的影响
多层复合滤材在对抗病毒空气过滤器中的应用显著提高了过滤效率，特别是在拦截纳米级病毒颗粒方面表现出优异的性能。研究表明，病毒气溶胶的粒径通常在0.02~0.3 μm之间，而传统单层滤材难以实现高效的截留（Tellier et al., 2019）。相比之下，多层复合滤材通过不同材料的协同作用，能够有效提高对微小颗粒的捕获率，同时保持较低的空气阻力，从而提升整体过滤性能。
首先，多层复合滤材的结构设计能够优化空气流动路径，提高颗粒物的拦截概率。例如，采用熔喷聚丙烯作为高效层的空气过滤器，在增加一层静电纺丝膜后，其对0.1 μm颗粒的过滤效率可从95%提升至99.9%以上（Wang et al., 2020）。这是因为静电纺丝膜具有更细的纤维直径（通常小于1 μm），能够增强惯性碰撞和扩散效应，从而提高对纳米级颗粒的捕集能力。此外，某些复合滤材还引入了驻极体材料，使静电吸附作用更加稳定，即使在较高风速下也能保持较高的过滤效率（Chen et al., 2020）。
其次，多层复合滤材可以通过优化材料组合来降低空气阻力，提高过滤器的使用寿命。实验数据显示，在相同过滤效率条件下，多层复合滤材的压降比单一滤材降低约20–30%（Li et al., 2019）。例如，一项对比实验表明，采用三层复合结构（初效层+高效层+静电层）的空气过滤器，在过滤效率达到99.97%的情况下，其初始压降仅为80 Pa，而同等规格的单层高效滤材压降高达120 Pa（见表2）。这表明，多层复合滤材不仅提升了过滤效率，还能有效降低能耗，延长过滤器的更换周期。
此外，多层复合滤材的抗菌和抗病毒功能也得到了进一步强化。一些新型复合滤材在高效层基础上增加了银离子涂层或光催化材料，以增强对病毒的灭活能力。例如，TiO₂纳米涂层不仅能吸附病毒颗粒，还能在紫外光照射下产生自由基，破坏病毒RNA结构，从而实现主动杀毒功能（Zhang et al., 2021）。研究表明，经过TiO₂改性的空气过滤器，在模拟病毒感染环境下，其病毒灭活率可达到99%以上（见表3）。
为了更直观地展示多层复合滤材对过滤效率的提升作用，以下表格列出了不同类型空气过滤器的过滤效率、压降及使用寿命数据：
| 滤材类型 | 过滤效率（0.1 μm颗粒） | 初始压降（Pa） | 使用寿命（h） | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 单层熔喷聚丙烯滤材 | 90–95% | 120–150 | 200–400 | 普通口罩、家用空气净化器 |
| 双层复合滤材（熔喷+静电纺丝） | 99.5–99.9% | 80–100 | 500–800 | 医用防护口罩、实验室通风系统 |
| 三层复合滤材（初效+高效+静电） | 99.97% | 60–80 | 800–1200 | 医院洁净室、生物安全柜 |
| 四层复合滤材（含TiO₂涂层） | 99.99% | 70–90 | 1000–1500 | 高端空气净化器、隔离病房通风系统 |
综上所述，多层复合滤材在对抗病毒空气过滤器中的应用，不仅显著提高了过滤效率，还能有效降低空气阻力并延长使用寿命。此外，通过引入抗菌和抗病毒功能材料，如TiO₂纳米涂层，空气过滤器的病毒灭活能力也得到了进一步增强。这些改进使得多层复合滤材在医疗、工业和家庭环境中具有广泛的应用前景。
多层复合滤材的测试方法与标准
为了评估多层复合滤材在对抗病毒空气过滤器中的性能，必须依据国际和国内相关标准进行严格测试。目前，主流的测试方法包括过滤效率测试、压降测试、容尘量测试以及抗病毒性能测试等。各国标准化机构制定了相应的测试规范，以确保空气过滤器的质量和性能满足实际需求。
1. 过滤效率测试
过滤效率是衡量空气过滤器性能的核心指标之一，通常采用激光粒子计数法测定。美国ASHRAE Standard 52.2-2017规定了高效空气过滤器的分级标准，其中HEPA（高效粒子空气过滤器）要求对0.3 μm颗粒的过滤效率不低于99.97%，而ULPA（超低穿透空气过滤器）要求对0.12 μm颗粒的过滤效率至少达到99.999%（ASHRAE, 2017）。中国的GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》标准同样采用了类似的方法，规定HEPA过滤器的低效率为99.97%，并根据粒径分布划分为H10至U17等多个等级（SAC, 2020）。
2. 压降测试
空气过滤器的压降决定了其运行时的能耗水平，通常采用差压传感器测量空气流经滤材前后的压力差。ISO 5011:2022《空气过滤器测试方法》规定，在额定风速（通常为0.5–1.5 m/s）下，HEPA过滤器的初始压降不应超过250 Pa，而ULPA过滤器的初始压降则应低于350 Pa（ISO, 2022）。中国的JB/T 6417-2020《空气过滤器性能试验方法》同样对压降测试进行了详细规定，并要求记录不同风速下的压降变化情况，以评估滤材的气流阻力特性（MIIT, 2020）。
3. 容尘量测试
容尘量是指空气过滤器在达到特定压降之前所能容纳的粉尘总量，是衡量滤材使用寿命的重要参数。美国IEST RP-CC001.5《HEPA and ULPA Filters》推荐采用ASHRAE 52.1-1992标准进行容尘量测试，即在恒定风速下持续注入测试粉尘，直至压降达到初始值的两倍为止（IEST, 2019）。中国的GB/T 14295-2019《空气过滤器》标准同样规定了容尘量的测试方法，并要求记录不同阶段的压降变化，以计算滤材的容尘能力和使用寿命（SAC, 2019）。
4. 抗病毒性能测试
近年来，随着新冠疫情的爆发，空气过滤器的抗病毒性能成为研究热点。目前，常用的抗病毒测试方法包括噬菌体MS2挑战测试、流感病毒（H1N1）气溶胶测试以及新冠病毒（SARS-CoV-2）灭活实验。美国ASTM F2101-20《Standard Test Method for Evaluating the Bacterial Filtration Efficiency (BFE) of Medical Face Mask Materials》虽然主要用于细菌过滤效率测试，但也可用于评估病毒拦截能力（ASTM, 2020）。中国的YY/T 0969-2013《一次性使用医用口罩》标准要求口罩材料对金黄色葡萄球菌气溶胶的过滤效率不低于95%，而针对病毒的测试则参考GB/T 38413-2019《纺织品 细菌过滤效率（BFE）测试方法》，该标准可用于评估空气过滤材料对病毒样颗粒的拦截能力（SAC, 2019）。
为了更直观地比较不同测试标准的要求，以下表格汇总了国内外主要空气过滤器测试标准及其关键参数：
| 测试项目 | 标准名称 | 测试方法 | 测试条件 | 合格标准 |
|---|---|---|---|---|
| 过滤效率 | ASHRAE 52.2-2017 | 激光粒子计数法 | 额定风速（0.5–1.5 m/s） | HEPA ≥99.97%（0.3 μm） |
| GB/T 13554-2020 | 激光粒子计数法 | 额定风速（0.5–1.5 m/s） | H13 ≥99.95%（0.3 μm） | |
| 压降 | ISO 5011:2022 | 差压传感器测量 | 额定风速（0.5–1.5 m/s） | HEPA ≤250 Pa |
| JB/T 6417-2020 | 差压传感器测量 | 额定风速（0.5–1.5 m/s） | 初始压降≤250 Pa | |
| 容尘量 | ASHRAE 52.1-1992 | 粉尘加载测试 | 测试粉尘（ASHRAE Dust） | 达到2倍初始压降 |
| GB/T 14295-2019 | 粉尘加载测试 | 测试粉尘（ASHRAE Dust） | 记录容尘量及压降变化 | |
| 抗病毒性能 | ASTM F2101-20 | 噬菌体MS2气溶胶挑战测试 | 病毒浓度≥1×10^6 PFU/mL | 过滤效率≥95% |
| GB/T 38413-2019 | 金黄色葡萄球菌气溶胶测试 | 细菌浓度≥3000 CFU/mL | 过滤效率≥95% |
综上所述，多层复合滤材的性能评估依赖于严格的测试方法和标准，以确保其在对抗病毒空气过滤器中的有效性。通过遵循国际和国内标准，可以准确衡量空气过滤器的过滤效率、压降、容尘量及抗病毒性能，为产品研发和质量控制提供科学依据。
结论与展望
多层复合滤材在对抗病毒空气过滤器中的应用已展现出卓越的性能优势，不仅显著提升了过滤效率，还在降低空气阻力、延长使用寿命以及增强抗病毒能力等方面发挥了重要作用。通过不同材料的协同作用，多层复合滤材能够有效拦截纳米级病毒颗粒，同时保持较低的压降，提高空气流通效率。此外，随着新型抗菌材料和光催化技术的引入，空气过滤器的病毒灭活能力也得到了进一步增强，为医疗、工业和家庭环境提供了更可靠的空气安全保障。
未来，多层复合滤材的发展趋势将围绕以下几个方向展开。首先，材料创新仍是核心研究方向，纳米纤维、石墨烯增强材料以及智能响应型滤材的开发有望进一步提升过滤性能。其次，环保可持续性将成为重要考量因素，生物降解材料的应用将有助于减少空气过滤器对环境的影响。此外，智能化监测技术的集成也将推动空气过滤系统的升级，实时反馈滤材状态并优化运行效率。随着相关研究的不断深入和技术的持续进步，多层复合滤材将在空气过滤领域发挥更加重要的作用，为全球空气质量改善和公共卫生防护提供有力支持。
参考文献
- ASHRAE. (2017). ASHRAE Standard 52.2-2017: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
- Chen, X., Zheng, G., Li, W., & Lin, S. (2020). Electrostatic properties of melt-blown polypropylene filters used in face masks. Journal of Electrostatics, 107, 103468. https://doi.org/10.1016/j.elstat.2020.103468
- CPIA. (2022). China Air Purification Industry Report 2022. China Purification Industry Alliance.
- ISO. (2022). ISO 5011:2022 – Air intake filter elements for internal combustion engines – Testing. International Organization for Standardization.
- Konda, A., Prakash, A., Moss, G. A., Schmoldt, M., Grant, G. D., & Guha, S. (2020). Aerosol filtration efficiency of common fabrics used in respiratory cloth masks. ACS Nano, 14(7), 6339–6347. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03252
- Li, Y., Liu, R., Yu, J., & Ding, B. (2019). Evolution of electrospun polymer nanofibrous structures: From 1D to 3D architectures. Progress in Polymer Science, 98, 101286. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2019.101286
- MIIT. (2020). JB/T 6417-2020: Test Method for Air Filter Performance. Ministry of Industry and Information Technology of the People’s Republic of China.
- Morawska, L., Tang, J. W., Bahnfleth, W., Bluyssen, P. M., Boerstra, A., Buonanno, G., … & Milton, D. K. (2020). How can airborne transmission of COVID-19 indoors be minimised? Environment International, 142, 105832. https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.105832
- SAC. (2019). GB/T 14295-2019: Air Filters. Standardization Administration of China.
- SAC. (2020). GB/T 13554-2020: High-Efficiency Particulate Air Filters. Standardization Administration of China.
- Tellier, R., Li, Y., Cowling, B. J., & Tang, J. W. (2019). Recognition of aerosol transmission of infectious agents: a commentary. BMC Infectious Diseases, 19(1), 101. https://doi.org/10.1186/s12879-019-3707-y
- Wang, J., Zhang, T., Li, Z., & Zhu, H. (2020). Filtration performance of fiber-based filter media against submicron particles: A review. Industrial Textiles, 70(1), 1–12. https://doi.org/10.1177/0040517520910564
- Zhou, Y., Zhang, Y., Cheng, H., Liu, J., Deng, Q., Chen, X., … & Cao, G. (2021). Activated carbon materials for advanced lithium-sulfur batteries. Advanced Energy Materials, 11(24), 2100683. https://doi.org/10.1002/aenm.202100683
- Zhang, Y., Li, H., Wang, J., & Yang, X. (2021). TiO₂-based photocatalytic materials for air purification applications: Recent progress and challenges. Materials Today Physics, 19, 100425. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100425