冯建永， 张建春， 张 华， 杨大祥

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



汽车空气滤清器过滤用材料的结构与性能及其新产品研发

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.总后勤部军需装备研究所，北京 100082; 3.装甲兵工程学院，北京 100072)

为研究汽车空气滤清器滤芯用过滤材料在使用前后的结构变化以及杂质颗粒对其性能的影响，收集了1组规格相同的使用前后的汽车空气滤清器并且取下过滤材料，分别采用SEM、FT-IR、DTA、TG分析过滤材料在使用前后的内部结构变化。同时，研究过滤材料在使用前后的面密度、厚度、透气率、断裂强力及伸长、平均孔径、最大孔径、过滤精度、压降流量的变化情况。结果表明，过滤材料在使用前后的结构及性能均有显著变化，杂质颗粒的存在会对过滤材料的内部结构、物理性能以及过滤性能产生影响。在此基础之上，开发了3种不同的新过滤材料并且将其性能进行比较。

汽车空气滤清器; 过滤材料; 内部结构; 物理性能

汽车滤清器包括空气过滤、机油过滤和燃油过滤[1]。经过市场调研，汽车机油滤清器滤芯用过滤材料也常常用作空气滤清器过滤，由于空气过滤材料和机油过滤材料的通用性，所以在研究汽车机油滤清器滤芯用过滤材料过程中，也有必要对汽车空气滤清器滤芯用过滤材料的结构及性能进行分析。

空气滤清器的作用就是对杂质颗粒进行过滤去除，净化进入气缸的空气，如果杂质颗粒没有除净[2-3]，在使用过程中会使缸筒、活塞的磨损程度增加[4-5]。在过滤过程中，过滤材料、空气以及杂质颗粒与过滤效果密切相关。科研人员试图模拟过滤材料上杂质颗粒被拦截截留的过滤过程[6-8]及堵塞情况[9-10]，并且将过滤一段时间后的材料与使用前的过滤材料进行比较。通过模拟，可以知道过滤材料上拦截的杂质颗粒质量以及过滤过程[11]，也可以通过控制过滤时间和杂质颗粒浓度来比较过滤材料在使用前后的结构变化。但这种模拟只是通过扫描电镜和压降结果进行比较，比较的参数较少，不够全面。实际应用中，过滤过程随着汽车行驶路程不同，杂质颗粒浓度是变化的。

在模拟过程中[11]，将杂质颗粒浓度设定为恒定值，而实际的汽车空气滤清器过滤过程比较复杂。为了研究汽车空气滤清器滤芯用过滤材料的过滤情况，有必要研究实际的使用状态而不仅仅是模拟。实际使用过程中，过滤时间和杂质颗粒浓度很难知道，只能知道汽车空气滤清器滤芯用过滤材料在使用前的初始状态以及使用报废后的最终状态。

本文主要研究汽车空气滤清器在使用前后的结构及性能变化。根据市场调研情况，收集了1组规格相同的汽车空气滤清器，一个是新的未使用的滤清器，另一个是使用报废后的滤清器，然后对使用前后的过滤材料进行结构及性能的比较。根据汽车空气滤清器滤芯用过滤材料在使用前后的变化情况，掌握过滤材料在使用前后的内部结构、厚度、面密度、透气率、断裂强力及伸长、平均孔径、最大孔径、过滤精度、流量特性的变化规律，进而为开发过滤材料提供技术参考。

1 试验部分

1.1 空气滤清器过滤用材料

图1 汽车空气滤清器及过滤材料Fig.1 Automobile air filter and filteration material. (a) Automobile air filter; (b) New material;(c) Used material

使用前后的汽车空气滤清器及过滤材料如图1所示。图1(a)中左边是使用前的滤清器，右边是使用后报废的滤清器，2个滤清器均是相同的材料和型号。从滤清器上拆卸下来的材料如图1(b)、(c)所示。使用前滤清器的过滤材料是黄色，使用后由于颗粒杂质的污染使过滤材料变为黑灰色。所用过滤材料为采用湿法造纸工艺制备的棉木浆滤纸。

1.2 材料结构及性能测试

采用JSM-6360LV扫描电镜观察空气滤清器过滤材料在使用前后的表面情况。采用NICOLET NEXUS 670型傅里叶红外光谱仪测试过滤材料在使用前后的红外光谱。采用差热分析仪测试过滤材料在使用前后的物理及化学变化。

采用AR2140电子天平测试过滤材料的定量。参照GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》，采用YG141N型织物厚度仪测试过滤材料厚度。测试条件为：施压质量100 g， 加压时间30 s。

参照 GB/T 5453—1997 《纺织品 织物透气性的测定》，采用YG461E型电脑式透气率测试仪测试过滤材料的透气率。测试条件：测试面积为20 cm2，压差为100 Pa，喷嘴为4#。

参照GB/T 3923.1—1997《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定 条样法》，采用YG065型强力仪测试过滤材料的力学性能。沿折叠方向将过滤材料裁成25 cm× 5 cm的矩形试样，实际夹持长度为20 cm× 5 cm，采用条样法进行测试，等速拉伸速度为100 mm/min。

参照GB 5249—1985《可渗透性烧结金属材料 气泡试验孔径的测定》，采用MP-15Kβx冒泡试验仪测试过滤材料的平均孔径、最大孔径和过滤精度。测试条件：所用试验液为异丙醇，接触角θ为0°，cosθ=1，测试面积为100 cm2, 则孔径d=4γ/△p，γ为异丙醇的表面张力，N/m;△p为过滤材料上的压力，Pa。测试过程中，过滤材料表面会冒出第1个气泡，随后会出现许多气泡，称之为群泡，分别记录第1个气泡出现时的压力及随后出现的群泡压力，利用公式d=4γ/△p分别计算第1个气泡压力和群泡压力下的孔径。其中，第1冒泡点压力计算出的是最大孔径，群泡压力计算出的是平均孔径。过滤精度是在过滤效率E=95%条件下，利用MP-15Kβx冒泡试验仪在一定孔径时测试过滤材料所对应的过滤精度。在实际应用中，过滤精度值越小，表示过滤材料对杂质颗粒的过滤效果越好。

参照ISO 3968—2001《液压传动、过滤器 压降与流量特性关系的评定》，测试过滤材料的流量压降。测试条件：试验液黏度为15 mm2/s，滤材有效面积为100 cm2。

2 结果与讨论

2.1 使用前后过滤材料的形貌

用扫描电镜观察使用前后过滤材料的表面形貌，如图2所示。

图2 空气过滤用材料使用前后的SEM照片Fig.2 SEM images of air filter material before and after application.(a) New material (×100); (b) New material (×1 000);(c) Used material (×100); (d) Used material (×500)

从图2可看出，空气滤清器过滤材料在使用前有较好的孔隙特征，孔隙处没有任何杂质。使用之后，过滤材料表面孔隙及内部孔隙均有杂质颗粒被截留的情况。由于只比较过滤材料使用前后的结构变化，对于杂质颗粒的5种过滤机制(材料孔隙直接拦截机制、杂质颗粒因为重力作用的沉积机制、杂质颗粒的惯性碰撞机制、布朗扩散机制以及静电吸附机制)不予考虑。因为杂质颗粒的大小、形状、分布、浓度均未知，只比较最初的状态和最终的状态。

2.2 使用前后过滤材料的红外光谱分布

汽车空气滤清器滤芯过滤材料使用前后的红外光谱如图3所示。由图可知，使用前后过滤材料的红外光谱在3 331、2 898、1 023 cm-1处的吸收峰有明显差异。实际上，在3 400～3 200、2 900～2 880、1 300～1 000 cm-1区域的变化峰分别是由—OH伸缩振动、—CH伸缩振动和—CO伸缩振动引起[12]。这3处的峰形也有差异，过滤材料在使用前的峰形较尖，使用后的吸收峰峰形变弱。由于使用后的过滤材料上截留了一些杂质颗粒，这些杂质颗粒导致过滤材料在使用前后的吸收峰峰形有所不同。

图3 空气过滤用材料使用前后的红外光谱分析Fig.3 FT-IR analysis of air filter material before and after application

2.3 使用前向过滤材料的差热及热重分析

汽车空气滤清器过滤材料在使用前后的差热曲线及热重曲线如图4所示。由图4(a)可知，当温度低于300 ℃或高于450 ℃时，使用前后过滤材料的差热曲线重合。而在300～450 ℃之间的2条曲线有显著差异，使用后过滤材料的峰位后移，峰形突出，峰宽减小，峰高增加，2种材料的放热峰不同。根据图4(b)可知，使用前后过滤材料的热重变化曲线也有显著差异，在300～450 ℃范围内随着温度的升高，过滤材料的质量急剧减小，在温度高于450 ℃时，质量趋于稳定。在温度变化过程中，过滤材料上截留的杂质颗粒会影响过滤材料的质量变化及分解程度，并且使热稳定性减弱。

图4 空气过滤用材料使用前后的差热曲线Fig.4 DTA (a) and TG (b) curves of air filter material before and after application

2.4 物理性能变化分析

在物理性能分析比较中，主要研究过滤材料在使用前后的厚度、面密度、透气率、断裂强力及伸长的变化情况。

2.4.1 厚度变化

空气滤清器过滤材料使用前后的厚度变化如表1所示。可以看出，使用后厚度增加0.353 4 mm。这是由于使用后的空气过滤材料上截留了一些杂质颗粒，致使过滤材料的厚度增加。在过滤过程中，会有一些液体浸湿及浸润，使过滤材料的厚度增加(在拆卸材料时发现，使用后的过滤材料有小部分是潮湿状，由于液体的吸湿膨胀作用也会引起材料的厚度增加，不过在测试过程中从整体过滤材料上裁剪的测试试样是未浸湿的部分)。

2.4.2 面密度变化

空气滤清器过滤材料使用前后的面密度变化如表1所示。过滤后面密度增加了6.46 g/m2。面密度的变化情况和过滤介质的厚度变化情况相似，其原因也和厚度的变化相同。

表1 过滤材料在使用前后的物理性能变化Tab.1 Physical properties change of filtration material before and after application

2.4.3 透气率变化

空气滤清器过滤材料在使用前后的透气率降为339.366 mm/s(见表1)。主要原因可以用过滤材料平均孔径和最大孔径的变化进行解释。使用后过滤材料的平均孔径和最大孔径均减小，从而造成过滤材料的透气率降低。

2.4.4 断裂强力及伸长变化

空气滤清器过滤材料使用前后的拉伸性能如表2所示。从表中数据可发现，断裂强力、断裂伸长、断裂伸长率、断裂时间、断脱强力、断脱伸长率、断脱伸长、断裂功等物理指标均有不同程度的减小。主要原因是在使用过程中过滤材料的结构被破坏，由于机械作用以及一些颗粒的相互作用也会使过滤材料的强力及伸长减小。

表2 过滤材料在使用前后的性能变化Tab.2 Tensile properties change of filtration material before and after application

2.5 过滤性能变化分析

在表征过滤性能的指标中，用平均孔径、最大孔径、过滤精度、压降流量指标来表征过滤材料的过滤性能。

2.5.1 孔径变化

平均孔径和最大孔径的变化如表3所示。可以看出，使用后过滤材料的平均孔径和最大孔径均减小。主要原因是杂质颗粒被截留在过滤材料表面，堵塞了过滤材料的部分孔隙，使得孔径减小。孔径测试是根据毛细管原理进行的，测试结果如图5所示。

在测试孔径时，使用后的过滤材料已经截留有杂质颗粒，此时的测试结果含有一些杂质颗粒的直径。使用前后过滤材料的平均孔径分别记为d1和d2，将杂质颗粒直径记为d3，单位均为μm，显然d1>d2。杂质颗粒的个数为i，则

表3 过滤材料在使用前后的孔径及过滤精度的变化Tab.3 Pore diameter and filtration accuracy change of filtration material

图5 空气过滤材料使用前后的孔径测试结果Fig.5 Analysis of pore diameter change of air filtration material before and after application.(a)New material; (b)Material in use; (c) Used material

2.5.2 过滤精度变化

空气过滤材料的过滤精度变化见表3。使用前的过滤精度为28.1 μm，使用后的过滤精度为21.5 μm，过滤精度明显减小，减小原因可以用孔径的变化进行解释，如图2(c)、(d)以及图5(b)、(c)所示。由于过滤材料上截留的杂质颗粒进行架桥以及一些孔隙被堵塞，使得过滤材料的孔径减小，此时对一些较小杂质颗粒的过滤效果变好。

2.5.3 流量压降特性变化

压降流量测试过程如图6所示。试验前，需将试样裁剪成面积为A的圆形试样，当流体以q的流量通过面积为A、厚度为L的圆形试样时，会在过滤材料两侧产生压差(或压降)△p。

图6 压降-流量测试过程Fig.6 Process of pressure drop-flow experiment

试验前，先让流体通过试验夹具，记录不同流量时试验夹具上的压差Q0，然后将面积为A的圆形试样放在试验夹具中，再让流体通过，记录此时的总成压差Q1，则过滤材料两侧的压差△p=Q1-Q0。

使用前后过滤材料的流量与压差变化如图7所示。可以看出，2条曲线基本重合，仅在流量为1 L/min时有较小差异。在流量为1 L/min时，使用后的过滤材料两侧压差为9.5 kPa，而使用前的过滤材料两侧压差为9 kPa。使用后的过滤材料两侧压差较大，这是因为使用后过滤材料孔径减小的原因。由此可见，在试验开始阶段较小流量时，使用后的过滤材料两侧压差较大，而使用前的过滤材料两侧压差较小。随着流量的继续增加，2条曲线基本重合，无论是使用前还是使用后，过滤材料两侧的压差已经没有变化。

图7 过滤材料的流量特性变化Fig.7 Pressure drop and fluid performance of filtration material

3 新型过滤材料的开发

分析棉木浆滤纸在使用前后的结构及性能，主要是为了开发新的过滤材料。由于市场上所用的过滤材料大都是滤纸(主要有棉木浆滤纸和玻璃纤维滤纸)。而与棉相比，大麻具有较强的吸附性能。本文的目的是尝试开发大多麻过滤材料并研究其过滤性能，探讨产业化应用的可行性。

3.1 大麻机织物过滤材料

在开发机织物过滤材料过程中，面密度、厚度、孔径、纱线的线密度是关键参数，由于棉木浆滤纸的面密度是149.43 g/m2，厚度是1.161 2 mm，所以在开发大麻机织物过滤材料时首先是面密度上接近棉木浆滤纸。但利用大麻股线开发的大麻机织物面密度是188.27 g/m2，比棉木浆滤纸要大。大麻机织物的织造工艺参为：筘外幅149 cm，内幅148 cm，内经数3 700根，边经数20根×2，总经数3 740根，上机纬密200根10cm，经纱和纬纱均为41.67 tex纯大麻股线。织物组织为平纹，厚度为0.46 mm，经密为250根10cm，纬密为200根10cm。

图8示出纯大麻机织物的扫描电镜照片。表4示出孔径及过滤精度的试验结果。结果表明利用机织物作为过滤材料的孔径较大，过滤精度较高。

图8 纯大麻机织物Fig.8 Hemp woven fabric

群泡压力/Pa平均孔径/μm第1冒泡点压力/Pa最大孔径/μm过滤精度/μm480185458194683

3.2 大麻非织造布过滤材料

由于大麻纤维比较刚硬，使用100%大麻纤维生产非织造布时，机器难于加工，所以考虑采用一种比较柔软的纤维进行混合，本文用大麻纤维和棉纤维进行混合，分别用干法成网中的水刺及针刺工艺制备。在开发产品过程中，也是让厚度和面密度尽量接近棉木浆滤纸，然后再将开发的新过滤材料与棉木浆滤纸的过滤性能进行比较。采用光学显微镜测试纤维细度，结果如表5所示。

表5 2种纤维直径测量结果Tab.5 Fiber diameter of two kinds of fibers

本文所用大麻纤维和棉纤维的平均细度分别为14.306 μm和14.750 μm。图9示出2种大麻非织造布的扫描电镜照片(利用JSM-5610扫描电子显微镜拍摄)。大麻/棉(60/40)在相同的开松、混合、梳理、成网工艺条件下，分别采用水刺工艺和针刺工艺进行加固形成非织造布，其规格孔径及过滤精度见表6。由表可知，与水刺非织造布相比，大麻/棉针刺非织造布的平均孔径、最大孔径和过滤精度均较大，所以大麻/棉水刺非织造布具有较好的过滤性能。

图9 大麻/棉(60/40)非织造布 Fig.9 Hemp/cotton (60/40) nonwoven. (a) Spunlaced nonwovens(×100); (b)Spunlaced nonwoven(×1 000); (c) Needle-laced nonwoven(×100); (d) Needle-laced nonwoven(×1 000)

非织造布类别厚度/mm面密度/(g·cm-2)群泡压力/Pa平均孔径/μm第1冒泡点压力/Pa最大孔径/μm过滤精度/μm水刺非织造布1．173152．7312746971236718267针刺非织造布1．718143．7782010827561174414

3.3 大麻秆芯纸过滤材料

大麻秆的韧皮可以制备大麻纤维，用于纺织加工，但秆芯用途较少。为了充分利用大麻秆芯，可以用来制备大麻秆芯超细粉体，也可以制备大麻粘胶纤维及大麻纸，本文侧重所制备的大麻纸的过滤性能。其制备方法是湿法造纸工艺，制备的纸是麻浆纸，厚度为0.64 mm，面密度为79.23 g/m2，如图10所示(利用FEI QUANTA250扫描电子显微镜拍摄)。用相同的孔径测试仪器冒泡法试验测试大麻纸的孔径时，结果测试不出来，冒泡一直在材料的两侧，并且群泡和第1冒泡没有明显差异，导致测试结果不准确。不过根据扫描电镜的结果可以看出大麻秆芯纸具有较小的孔径。

图10 大麻秆芯纸Fig.10 Hemp paper

3.4 过滤材料的压降流量特性比较

让相同的流体流过开发的3种过滤材料，将测试结果与棉木浆滤纸的压降流量特性进行比较，结果如表7所示。结果表明，开发的大麻秆芯纸具有较大的压降，而大麻机织物的压降基本为零(这是由于大麻机织物的孔径较大的原因，试验油液可以直接流过，没有任何阻力，过滤效果较差)，只有大麻/棉水刺非织造布的压降与棉木浆滤纸比较接近，孔径也比较接近。将新开发的过滤材料的性能与棉木浆滤纸进行比较，开发的大麻/棉水刺非织造布具有较好的性能。在此基础上，将小样中试生产的大麻/棉水刺非织造布制成平板状汽车滤清器，外观如图11所示。

表7 压降流量特性比较Tab.7 Comparison of pressure drop

图11 大麻/棉平板状汽车滤清器Fig.11 Hemp/cotton flat automobile filter

4 结 语

本文主要研究了汽车空气滤清器滤芯用过滤材料在使用前后的结构及性能变化，对2种过滤材料的外观、结构、物理性能及过滤性能进行比较。在此基础上，开发了3种不同的过滤材料，并且对这3种过滤材料的性能进行比较。

1)过滤材料在使用前后的外观、结构、物理性能以及过滤性能均有差异，杂质颗粒的存在对过滤材料的性能有一定影响。

2)杂质颗粒被截留在过滤材料的表面孔隙及内部孔隙，杂质颗粒的存在会影响红外光谱吸收峰的峰形变化。在温度变化过程中，杂质颗粒也会影响过滤材料的质量变化及分解程度，使得热稳定性减弱。

3)杂质颗粒会对过滤材料的物理性能有一定影响，在使用过程中，由于杂质颗粒的存在，过滤材料的定量和厚度会增加，而透气率、断裂强力、断裂伸长、断裂伸长率、断裂时间、断脱强力、断脱伸长率、断脱伸长、断裂功均有不同程度的减小。

4)过滤材料上截留的杂质颗粒会影响过滤性能，使过滤材料的平均孔径和最大孔径减小，在过滤过程中对较小颗粒的过滤效果变好。

5)在流体通过过滤材料的起始阶段，当流体的流量较小时，杂质颗粒的存在会使过滤材料两侧的压差增大。当流体的流量不断增加时，杂质颗粒对于过滤材料两侧产生的压降几乎没有影响。

6)大麻机织物和大麻秆芯纸的过滤性能较差，大麻机织物的孔径较大，试验液体可以直接流过，而大麻秆芯纸的孔径较小，试验液不能很好的流过，压差较大。将大麻/棉水刺非织造布与大麻/棉针刺非织造布和棉木浆滤纸的过滤性能进行比较发现，大麻/棉针刺非织造布的的过滤性能较差，而大麻/棉水刺非织造布具有较好的性能。在此基础上，小样中试生产了大麻平板状汽车滤清器。

FZXB

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Properties and new product developement of automobile air filter filtration material

FENG Jianyong1，2，ZHANG Jianchun2，ZHANG Hua2，YANG Daxiang3

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.TheQuartermasterResearchInstituteofGeneralLogisticsDepartmentofthePLA,Beijing100082,China; 3.ArmoredForceEngineeringInstitute,Beijing100072,China)

This paper is mainly regarding to the structure and performance change of automobile air filter and its two different stage of filtration material before filtration and after filtration. With the purpose of experiment is to research the influence of impurity particles on filtration property. Firstly a group of same automobile air filters are collected from market and the filtration material is taken off, then SEM,FT-IR,DTA and TG are adopted to analyze the internal structure, respectively. Meanwhile, other instruments were applied to characterize the performance change of this two different filtration materials, for instance, the weight, thickness, air permeability, breaking strength and elongation, average pore diameter, maximum pore diameter, filtration accuracy and the changes of flow and pressure drop. The results shown that there is an obvious difference between structure and performance of the new filtration material and used material.The deposition of impurity particles on internal pore space surface pore space of filtration material has an important influence on internal structure, physical property and filtration property. And the main purpose is to develop the new filtration materials and to make a deep comparison of filtration properties among them.

automobile air filter; filtration material; structure; physical property

0253- 9721(2013)06- 0058- 09

TS 176.5

A

2012-03-20

2013-02-25

冯建永(1983—)，男，博士生。主要研究方向为纺织材料及产品设计。张建春，通信作者，E-mail: jianchunzhang502@263.net。