冯建永 张建春 张 华 杨大祥

(1.东华大学纺织学院，上海，201620; 2.总后军需装备研究所，北京，100082;3.装甲兵工程学院，北京，100072)

汽车机油过滤用材料的研究现状

冯建永1，2张建春2张 华2杨大祥3

(1.东华大学纺织学院，上海，201620; 2.总后军需装备研究所，北京，100082;3.装甲兵工程学院，北京，100072)

阐述了国内外汽车机油过滤用材料的市场状况、常用的过滤介质与其性能以及过滤介质的研究现状。介绍了机油过滤用的纤维材料以及研发中的膜过滤材料和纳米纤维过滤材料等。指出在汽车机油过滤领域中，非织造过滤材料有广阔的发展前景，应重点开发两层、三层等多层过滤材料，还应利用静电纺丝技术开发纳米纤维过滤材料。

汽车机油，过滤介质，非织造过滤材料，膜过滤材料，纳米纤维过滤材料

汽车机油是汽车发动机润滑油的简称，属于润滑油大类中的一种，有“汽车血液”之称。机油在长期使用之后会变质，如不及时更换就会加大对发动机的磨损甚至造成部件损坏，因此建议车主们应按照车主手册的说明及时更换机油。更换机油时需先放出变质旧油，随后从发动机舱加入新油。

机油要经过机油滤清器才能到达润滑部位。汽车机油滤清器主要是对进入发动机系统的机油进行过滤，滤去杂质，以防止机油在使用循环过程中因不断混入的杂质(灰尘、金属碎屑以及机油遭氧化形成的胶质物)而造成油道堵塞，乃至损坏发动机。目前大多数轿车使用的都是不可拆卸清洗的一次性滤清器，因此在汽车每行驶5 000 km更换机油的同时也应更换机油滤清器，以保证机油对发动机良好的润滑效果。

目前应用于汽车机油滤清器的滤芯材料主要有棉木浆滤纸、玻纤滤纸、合成纤维过滤材料、金属丝网、复合结构的滤纸以及非织造过滤材料等。

1 汽车机油过滤材料的市场现状

1.1 国际市场

美国的Donaldson公司［1］使用纳米纤维做空气、汽车机油和工业过滤用材料，该纳米纤维具有亚微米级直径，已使用了20多年。与传统的过滤介质相比，纳米纤维过滤介质具有较好的过滤特性、较长的使用寿命和容尘能力。如果将这些纳米纤维形成网状(有时也被称为纳米网)，网的厚度仅为几根纳米纤维直径之和，小于1～5 μm。纳米纤维网可以应用在各种不同的基材上，基材可以提供合适的力学性能而满足褶皱、过滤器制造、耐用性、过滤器的清洁性等要求。在使用过程中，制造滤芯用的纤维有聚丙烯、聚酯、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酰亚胺、聚四氟乙烯等，也有用纳米纤维做过滤介质，主要是利用静电纺丝技术和基材形成复合的过滤介质［2］。

美国Pall公司的汽车机油过滤主要采用玻纤滤纸、不锈钢编织网、木浆滤纸、不锈钢烧结网，其过滤精度有1～3、3～5、5～12和20～25 μm 等不同种类，具有过滤精度高、阻力低、流量大、纳污量高、寿命长等特点。

意大利Sofima汽车滤清器公司主要使用聚环氧乙烷(PEO)纤维、棉纤维和玻璃纤维作为过滤材料。Sofima是意大利UFI集团的全资子公司，在我国为上海大众、一汽大众、上海通用、东风标致、长安福特、华晨汽车、南京依维柯、湖南长丰等整车厂和发动机厂提供O.E.M配套服务。

德国的Mann-Hummel(曼·胡默尔)滤清器是国际知名的顶尖汽车配件供应商，在全球具有较好的品牌效应，因其具有最高的品质保证，使其生产的原配件产品供应面广至世界各大汽车制造商。汽车机油滤清器主要采用不锈钢过滤材料，其他还有各种滤纸、金属纤维等过滤材料。不锈钢过滤材料具有较高的过滤性，可有效滤除润滑油中杂质和油劣化物，能延长运动机件寿命，以及通油性好、润滑油流动时阻力小、有一定力学强度、易清洗、抗腐蚀、抗老化和价格低等优点。

美国的Hollingsworth＆Vose(H＆V)公司主要从事过滤材料的生产和研发，其研发的机油过滤和燃油过滤的滤纸达到了欧Ⅲ柴油高压共轨过滤标准的要求(此外仅有德国BOSCH公司产品可以达到该标准)。H＆V公司已有超过160年的历史。2009年该公司推出先进的NanoWeb纳米技术，NanoWeb 纤维直径一般为 0.3 ～0.5 μm，但可以上升到1 μm。NanoWeb也可以生产任何利用非织造材料作为基材的涂层过滤介质，该纳米层的厚度15 ～30 μm 不等。

1.2 国内市场现状

1.2.1 我国非织造材料的主要用途

2010年我国非织造材料的主要用途构成见表1。

表1 2010年我国非织造材料的主要用途［3］

从表1可以看出:2010年过滤材料增长较为显著，达到18.25%;汽车内饰材料也增长较快，达到15.29%。环保标准的提高大大推动了过滤与分离(空气、液体、水)行业对非织造过滤材料需求的增长。2010年中国汽车工业继续快速发展，稳居世界汽车产量首位，这也大大推动了过滤材料市场的发展。

1.2.2 国内机油滤清器市场

国内主要的滤清器市场有安徽蚌埠，蚌埠地区的滤清器企业集群，近几年滤清器市场总体产销额平均达到每年18亿元，成为全国滤清器行业产销量的佼佼者，主要配套及适用于国内重型汽车市场，占当地总体滤清器产量的97%以上;此外，还有河南新乡，该地被称为“过滤之乡”，其液压过滤器在国内非常有名。国产的过滤器主要有“豹王”和“金海业”，所采用的机油过滤材料与国外滤清器企业所采用的过滤材料相同，有些过滤材料依靠进口。

2 汽车机油过滤用材料

2.1 常用机油过滤介质及其性能

一些常用过滤介质的性能比较见表2。

2.2 研究现状

Syverud 等人［5］研究了微纤维膜(MFC，Microfibrillar Cellulose Film)的过滤性能。实验结果表明MFC具有较高的拉伸强度、密度和伸长率，其面密度为35 g/m2，抗张指数是(146±18)N·m/g，伸长率为(8.6±1.6)%。在原纸上使用MFC作为表层(MFC面密度为总面密的0% ～8%)，MFC增加了纸张的强力，也显著地降低了透气性。扫描电镜结果显示，MFC层减少了纸张的孔隙率，密实的结构造成了不透气性。该材料主要用作密封包装材料和过滤材料。

Turbak等人［6］在1980年从木质纤维中生产MFC，这是一种新的纤维。与其他纤维相比，MFC具有较小的尺寸和较大的表面积。在纤维素材料方面，该MFC有较为广泛的应用前景，在过滤方面的应用已引起人们极大的兴趣。与玻璃纤维及玻纤滤纸相比，该 MFC已经在取代一些合成高聚物。MFC原纤维的尺寸在纳米级范围之内，直径在10 nm左右。

表2 一些常用过滤介质的性能比较［4］

Suh等人［7］研究了聚酯纤维毡的过滤特性以及注射喷嘴距离对压降的影响。该聚酯纤维毡的面密度是564 g/m2，毡的厚度是2.34 mm，透气量是 0.166 m3/(m2·s)，过滤速度是 1.5 m/min，喷射距离分别是 0.05、0.11、0.16 和 0.22 m，脉冲压力是490 kPa。根据理论模型和实验模型来预测压力降，实验模型主要包括滤饼阻力和质量密度指数两个参数，这两个参数可以通过实验来估计。实验结果显示，理论模型和实验数据之间的吻合效果比较好，两者之间的相关系数是0.952。

为了减少柴油车辆的尾气排放［8］，尤其是降低尾气颗粒的质量浓度和计数浓度，采用陶瓷材料做汽车的微粒过滤器。陶瓷材料过滤介质既可以用于液固分离，也可以用于气固分离。壁流陶瓷滤清器采用金属氧化物进行涂层处理可以获得90%以上的过滤效率。但是，陶瓷滤清器在过滤过程中存在一些问题，如不足的可靠性和过高的压力降均会导致在低温条件下出现固体颗粒的堵塞现象，高温以及高的温度梯度会导致过滤材料出现机械破裂现象。颗粒控制装置使用金属材料能够减少尾气的排放，产生的压力降较低，可简化柴油颗粒过滤器的复杂结构，并可避免很多问题的出现，所以金属过滤材料在颗粒去除方面也有较大的应用。实验结果显示，金属海绵做成的滤清器的颗粒去除效率超过50%。另有研究人员采用金属做成直通式滤清器，应用于重型柴油车辆，发现尾气颗粒的质量浓度减少了50% ～70%，但是粒子的计数浓度减少小于50%。

2.3 机油过滤用纤维材料

2.3.1 非织造材料

随着非织造技术的发展，通过针刺方法生产的聚酯非织造材料已经作为非常重要的过滤介质在应用，而传统的聚酯针刺非织造材料存在一些不足，主要是其过滤效果不能满足环境标准方面的要求。为了改善过滤介质的性能，许多研究人员开始尝试采用各种不同的方法加工非织造过滤材料，如使用一些特殊的纤维，增加一个膜层，或者对非织造材料进行涂层整理或轧光整理等，还可制成过滤毡以及通过静电纺丝技术制取纳米级的过滤网［9］。

2.3.2 多层材料

最新的一些过滤介质都具有多层结构［10］，如两层或三层结构。多层结构的过滤介质可以用于空气过滤，也可以用于机油过滤。两层结构的过滤介质以聚丙烯熔喷非织造材料作表层，化学黏合的聚酯纤维网作为底层，利用聚乙烯粉末通过热黏合方法黏结在一起。三层结构的过滤介质上表层是聚酯纺粘非织造材料，表层是聚丙烯熔喷非织造材料，底层是化学黏合的聚酯纤维网，层间都是通过超声波黏合方法黏结在一起。表3列出了几种多层结构过滤介质的生产工艺。扫描电镜分析发现，K01、RF01和RF02三种过滤介质的纤维尺寸几乎相同，都没有上表层结构;K01、K02和K03三种过滤介质使用相同的聚丙烯纤维网作为表层，但每种过滤介质中每一层的厚度稍有差别;K02和K03过滤介质使用了上表层结构。聚丙烯纤维的强力低，所以很容易受到外在的影响或者机械力的作用而遭损坏。

在研究表3所列的五种过滤介质的过滤性能时发现，K02具有最小的压力降，RF01显示最高的流阻特性;对于多层过滤介质而言，表层主要有助于降低压力;在厚度方面，K02具有最薄的表层，RF01具有最厚的表层，K02上表层的厚度也很薄，且呈现不均匀的分布状态，表层厚薄不均匀的情形导致了K02较低的压力降和低的过滤效率。多层过滤介质的表层具有非常重要的作用，直接影响过滤效果;表层厚度是一个主要的影响参数，与过滤介质的过滤速度和静电增强效果相关。

表3 过滤介质的纤维材料和结构特征［10］

纽约州立大学石溪分校的Wang Xuefen等人［11］研究了三层复合结构的高通量过滤介质，表层是无孔的亲水性纳米复合涂层，中间层是静电纺纳米纤维基片，支撑体是常见的非织造超细纤维，该新的过滤介质被首次应用于油/水乳液的分离。利用聚乙烯醇(PVA)静电纺丝制备了纳米纤维基质，并在丙酮溶液中将聚乙烯醇与戊二醛(GA)化学交联。结果显示，交联的聚乙烯醇基质具有优异的耐水性和良好的力学性能。上层的纳米复合层是由亲水性的聚醚-b-聚酰胺共聚物或一个交联的聚乙烯醇水凝胶混合的多壁碳纳米管组成。在仪器的分辨率范围之内，扫描电镜检测结果显示纳米复合层是无孔的，多壁碳纳米管很好地分散在聚合物基体上。油/水乳液测试结果显示，这种独特类型的过滤介质具有高的流速［在0.7 MPa喂给压力下的流速高达330 L/(m2·h)］和优秀的总有机溶剂拒绝率(99.8%)，且没有显著的污垢产生。在涂层表面，随着表面经过氧化的多壁碳纳米管数量的增加，一般流量也会增加，这主要是因为在复合膜中产生了更多有效的亲水性通道来让水分子通过。

2.4 膜过滤材料

金属多孔膜和陶瓷多孔膜是透气性很好的材料，具有特殊的性能，如分离和过滤作用、良好的强力、耐腐蚀性、化学稳定性、结构稳定性，在过滤方面有很好的应用前景。与对称性的多孔膜相比，不对称性膜具有较好的孔隙梯度，较高的过滤效率和可操作性。因为薄的孔层结构具有小的孔径，从而具有足够的过滤精度;而厚的支持层具有更大的孔径、较好的透气性和强力。

有研究人员采用从硅和铝的粉末中制取陶瓷膜，并研究了一些技术参数，如颗粒尺寸、烧结温度和时间对孔径大小以及膜的性能的影响。应用于过滤的烧结金属粉末的主要加工方法是模压烧结和非模压烧结，形成不同的层，使其具有不同的组成。粉末沉淀技术可能导致多孔材料具有不同的空隙梯度，通过不同的粉末粒径和形状可以研究不同沉淀速度的影响［12］。还对金属烧结粉末的过滤过程进行研究，利用扫描电镜分析其内部结构，研究流速与压力降、颗粒直径与累积频率、孔径与相对孔径体积、颗粒尺寸与累积频率之间的关系。研究结果显示:分散剂可以组织凝结的形成，颗粒的形状也会影响材料的结构，在沉淀动态过滤过程中分散剂的浓度和颗粒形状是很重要的参数。为了减少在过滤过程中试样的破裂，可以把试样烘干。对于8 μm过滤精度的球形颗粒试样，孔径大小为4 μm，流体透过系数为 1.32 ×10－12m2;而 11 μm的不规则颗粒形状的试样，孔径大小为5 μm，流体透过系数为0.14 ×10－12m2。

2.5 纳米纤维过滤材料

静电纺丝能够产生具有纳米级直径的连续聚合物纤维［13-15］。由聚合物溶液制得的静电纺纤维中，存在的剩余溶剂能够引起相交纤维的黏结，形成互相连接的多孔结构。非织造纳米纤维能够自组装形成像膜一样的网，具有良好的拉伸强度和轻的质量。Ryu等人［16］研究了由聚酰胺6纳米纤维组成的非织造毡的物理性能。根据纤维直径计算的静电纺丝毡的比表面积为9～51 m2/g、孔隙率为25% ～80%、孔径为 0.17 ～2.7 μm。与工业化生产的非织造材料相比，静电纺非织造纳米纤维毡具有较大的比表面积和较小的孔径，因此可以应用于过 滤［17］、酶 活 性 剂［18］以 及 生 物 应 用 等 方面［19-20］。

聚乙烯醇被选为静电纺丝的基质材料，这是因为聚乙烯醇是水溶性聚合物，经过交联剂处理后可以形成三维的防水网［21-22］。交联聚乙烯醇非常适合做过滤介质，因为其具有生物相容性、良好的化学稳定性和热稳定性，且易于加工。聚乙烯醇是一种廉价材料，在大多数生理条件下可生物降解。除了作为基质之外，聚乙烯醇也可以作为表面涂层使用。另一种涂层材料是Pebax，这是一种聚醚—聚酰胺嵌段共聚物，可以加工成具有不同亲水性的材料。该共聚物有多种用途，可以应用于先进的膜分离技术［23］，包括液体分离［24-25］和气体分离［26-27］。

利用纳米纤维开发的机油过滤材料美国的Donaldson公司已在应用，而国内尚处在实验室阶段。

3 结语

随着社会经济的发展，汽车已经慢慢融入了人们的日常生活，成为不可缺少的一种交通工具。在汽车机油过滤材料方面，对我国现有的市场情况分析和建议是:

(1)国内目前没有特别重视对汽车机油过滤材料的研究，很多过滤材料都是依靠进口，尤其是进口的滤纸，如奥斯龙滤纸、美国H＆V公司的滤纸、美国Lydall的滤纸等。

(2)非织造材料在过滤方面具有广阔的发展前景，应重点开发两层、三层等多层过滤材料。

(3)开展新的过滤材料的研发，如利用静电纺纳米纤维开发新的过滤材料。

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Study actuality of automobile oil filtration materials

Feng Jianyong1，2，Zhang Jianchun2，Zhang Hua2，Yang Daxiang3
(1.College of Textile，Donghua University;2.The Quartermaster Research Institute of General Logistics Department of the PLA;3.Armored Force Engineering Institute)

The market situation of automobile oil filtration material at home and abroad，and general filter media and their properties and study status of filter media were presented.The fiber material used for oil filtration and development of membrane filtration material and nano-fiber filtration material were introduced.It was pointed out that nonwovens filtration material have wide development prospects in field of automobile oil filtration，and it should develop two lays and multi-lays filtration materials and should adopt electrospinning technology to develop nano-fiber filtration material.

automobile oil，filter medium，nonwovens filtration material，membrane filtration material，nano-fiber filtration material

TS106.6+2

A

1004－7093(2011)09－0005－06

2011－06－03

冯建永，男，1983年生，在读博士研究生，总后军需装备研究所科研助理。研究方向是纺织材料及产品设计。