纤维是制造航空航天和汽车过滤介质的主要原料。它们可以从多种材料中选择，包括纤维素、热塑性塑料和玻璃纤维。其中，纤维素纤维因其加工性能好、化学和机械性能理想、成本相对较低等优点，成为汽车、飞机和航天器中燃油滤清器、机舱空气滤清器、发动机油滤清器和发动机空气滤清器滤纸的常用选择。市场上最常见的用于过滤的纤维是植物基纸浆纤维，包括硬木纸浆纤维、软木纸浆纤维、棉纸浆纤维及其处理后(如丝光处理、漂白处理)的版本。

生物基纤维素(Cellulose Fiber) 

纤维素纤维是生物基材料。它们来源于纤维素，一种天然聚合物，作为植物细胞壁的结构成分。它们的生物基起源意味着，如果以适当的方式制造，它们对环境的影响可能比以石化为基础的同类产品(如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚丙烯(PP))，或碳足迹更小。同时，纤维素纤维也是可生物降解的，表明它们可以在相对较短的时间内被微生物分解成水和二氧化碳等基物质。但是，由于使用过的纤维素纤维含有油和污染物，并且与金属、石化纤维以及聚合物混合在一起，在被生物分解之前，它们通常在金属回收或能源回收设施中燃烧。另一方面，在去除聚合物和其他不需要的物质后，使用过的纤维素纸也可以被纤维分解机分解成单个纤维。

单纤维可用于制作再生滤纸。中国天津科技大学(TUST)的研究表明，与新纸相比，再生纤维素滤纸的耐破度、刚度和拉伸指数略低，但仍足以用于一些要求较低的应用。然而，在实际操作中，纤维素滤纸通常不会被回收，因为这在经济上是不利的——金属和油通常是过滤器回收过程中的主要目标。在加州，使用过的金属包装的油和燃料过滤器将被粉碎以回收金属，而使用过的纸质油和燃料过滤器将作为能源回收设施的燃料来源进行回收。在其他一些地方，滤纸是手工从金属罐或筛网中挑选出来的，然后制成糊状来分离油——这种糊状很难回收或再利用，经常被烧掉或送到垃圾填埋场。

事实上，有一些专注于从发动机空气和机舱空气过滤器中回收滤纸的专利。例如，中国蚌埠宏发滤清器有限公司拥有一项专利技术，通过使用高压氮气和修复液回收发动机空气滤清器中的滤纸。虽然这类技术从未真正商业化，但它们可能有机会在未来成为世界绿色经济的一部分。

生物基纤维素复合材料(Bio-Based Cellulose Composites)

复合材料的生产往往会结合其在航空航天和汽车过滤应用中的优势将不同类型的纤维素纤维混合在一起。一般来说，硬木纸浆纤维的成本相对较低，而软木纸浆纤维的渗透率可能更高。另一方面，丝光处理通常会增加纸浆纤维的渗透性以及成本，同时降低其强度。换句话说，由不同类型的纤维素纤维制成的复合材料可以在渗透性、孔径、强度、污染物保持能力、成本和其他特性之间实现平衡。

MA-based Hollingsworth & Vose (H&V)和总部位于芬兰的Ahlstrom Oyj (Ahlstrom)等几家公司是纤维素纤维过滤介质的全球领先供应商。其他公司主要关注地区的市场，为当地客户提供定制的解决方案。作为一个整体，他们积极致力于开发具有创新构造的新型过滤合成材料，每年生产大量与航空航天和汽车过滤介质相关的专利技术。

一些研究还将其他纤维素纤维，如莱赛尔纤维（lyocell）、粘胶纤维(viscose)和纤维素纳米丝(CNF)纳入上述流行的硬木、软木和棉浆纤维中。这些复合材料提供了额外的功能，同时保持相对较低的成本以及生物基和可生物降解的优点。例如，中国齐鲁工业大学(QUT)开发了一种由硬木纸浆纤维、莱赛尔纤维和CNF组成的复合材料。他们的研究表明，当lyocell含量达到重量的60%时，复合材料将在过滤效率和阻力之间取得良好的平衡——当过滤阻力为146.7 Pa时，它可以去除98.97%的PM2.5。在这种结构中，CNF被用于复合材料的表面，以提高捕获小颗粒的效率。

生物基与可降解粘合剂(Bio-Based and Degradable Binders)

粘结剂是提高过滤介质机械性能的关键成分。它通常由热固性树脂如环氧树脂、丙烯酸树脂和酚醛树脂制成，通过喷雾浸渍、浸渍或涂层的方法附着在纤维上。此外，它经常与其他材料(如羧基腈乳胶)相混合，以进一步提高其结合能力，从而提高过滤介质的机械性能。

然而，这些热固性粘合剂通常不是生物基的，也不是可生物降解的。虽然生物基和可生物降解粘合剂已经在市场上出现，但它们目前还不能用于航空航天和汽车过滤。例如，位于瑞典的OrganoClick开发了一种名为OC-BioBinder™的生物基粘合剂，该粘合剂来自食品工业中的残留物，如橙皮、虾壳和麦麸。它被用于粘合非织造布和由大多数纤维类型(包括纤维素纤维)制成的技术纺织品。尽管这种生物基粘合剂尚未用于航空航天和汽车产品，但它仍展示出未来广泛工业的潜力。

OrganoClick的100%生物基粘合剂OC-BioBinder™是基于食品工业中残留废物流中的生物聚合物。有了这些生物粘合剂，非织造布和技术纺织品可以是100%可生物降解的，无毒的，以及100%可用作堆肥的。

其他研究人员正在尝试使用基于石化但易于降解的粘合剂材料来取代传统的热固性树脂。例如，TUST开发的一项专利技术。该技术采用聚六氢三嗪树脂（PHT）代替酚醛树脂作为纸浆纤维基机油滤清器的粘结材料。经TUST发现，将该树脂置于盐酸和丙酮溶液中，室温下半小时，PHT的降解率可达94.2%。除去PHT后，滤纸可以很容易地分解成单纤维并回收。结果表明，虽然回收的纤维素纤维滤纸的拉伸指数和破裂强度分别下降了16.14%和2.27%，但其他性能与原滤纸基本持平。尽管从废旧机油纤维中回收滤纸在经济上还不是可行的，但这项专利技术确实为未来其实行的可能性打开了一扇门。

纤维素纤维保持持久的需求(Demand for Durability)

虽然纤维素纤维是生物基的、可生物降解的，并且有许多其他的优点。但是当它暴露在纤维素基过滤介质容易破裂的环境中时，要提高它的持久性和可靠性，纤维素纤维通常必须加入其他材料，如化学纤维和玻璃纤维。例如，在125至135°C(257至275°f)的高温下，在发动机燃油中，用于提高持久性的化学纤维主要是热塑性纤维，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚丙烯(PP)，聚酰胺(PA)和聚丙烯腈(PAN)等等，这里使用的玻璃纤维大多是直径只有几微米的超细纤维。

由这些材料制成的新型复合材料不断出现。例如，在过去几年中，Ahlstrom开发了一系列专利技术，以纤维素纤维、热塑性纤维、玻璃纤维、热固性粘合剂和添加剂为原料，生产一系列自给褶皱油介质。这些介质相较于传统的机油过滤介质具有更高的爆破强度，同时消除了使用昂贵的金属网来支撑褶皱结构，从而节省了一些材料成本。

此外，一些公司每年还开发出许多其他的专利多层结构，用于汽车和航空航天过滤。此类活动表明，这些行业对新型复合材料以及结构有很大需求，这也推动了新型先进材料进入市场。例如，由静电纺丝制成的高强度或高耐热树脂(如芳纶、聚砜酰胺(PSA)和聚酰亚胺(PI))与其他聚合物制成的混纺纤维。虽然这些材料还没有在市场上大规模使用，但对于它们的研究和开发无疑会给这些用于恶劣或新环境中的过滤器提供新的解决方案，比如未来的燃料电池汽车。

另外，每种材料都有可能提供额外的好处——一种纤维在不同的形式下可能表现出明显不同的特点。例如，来自中国西安工程大学(XPU)的研究人员用普通PET和三维卷曲PET开发了一种以针刺无纺布作为机油的过滤介质。当调整常规PET与三维PET的比例时，非织造布的强度、体积、孔径、渗透性和过滤材料的过滤效率都会发生相应的变化。在这个过程中，可以实现不同过滤性能的理想组合。

由不同类型的材料制成的纳米纤维也一直被用于提高过滤器捕获小颗粒的能力。例如，美国唐纳森公司(Donaldson Company, Inc.)的Ultra-Web®Media Technology在纤维素介质上添加了一层纳米纤维，为发动机空气过滤提供了一种具有高吸尘能力和高过滤效率的过滤介质。中国的新星工业(Newstar Industry)也开发了一种带有纳米纤维层的过滤材料。

Donaldson’s Ultra-Web® 技术采用静电纺丝工艺制成，可产生直径为0.2-0.3微米的非常精细，连续，有弹性的纤维，形成具有非常精细的纤维间空间的永久精细纤维网，可在介质表面捕获灰尘。

基础滤纸是棉浆纤维和软木浆纤维的复合材料。Newstar的研究表明，在滤纸表面添加4%的纳米纤维，当压差为200 Pa时，过滤介质的平均孔隙率为23.8 μm，同时保持115.4 L/m2s的透气性。这种过滤材料在去除纳米颗粒方面也表现出理想的破裂强度和优秀的初始过滤效率。

未来展望

上述例子表明，在追求耐用性和可靠性时，以部分甚至全部纤维素纤维经常被石化纤维和不可生物降解纤维所取代。另一方面，生物基或可生物降解纤维，如聚乳酸、壳聚糖和尼龙56，也正在被研究用于取代这些石化纤维。一些研究甚至侧重研究用于空气过滤应用的PLA合成材料的开发，包括机舱空气过滤等等。尽管这些生物基材料的使用仍处于早期阶段，但一个前景广阔、快速增长的市场将有望在未来出现。

来源|INTERNATIONAL FILTRATION NEWS

作者|Jason Chen