台灣過濾與分離學會電子報2024年第10期

研究新知

◎利用捲曲超細纖維紗製造高效能空氣濾材

        現今整體空氣品質下降，外部灰塵、PM_2.5等有害物質瀰漫在空氣之中，因此許多人都只待在密閉空間中活動，但室內則可能有粉塵、黴菌、一氧化碳、二氧化碳濃度過高的問題，透過全熱交換器(energy recovery ventilation, ERV)能保持室內空間良好的空氣對流，藉此改善空氣品質。將室外的新鮮空氣與室內空氣進行交換，降低室內空氣汙染物濃度，並在交換空氣的同時執行熱交換，讓室外引進的風溫更接近室內溫度，可以降低空調的耗能，打造舒適、健康的居家環境。

德國Proventics公司的熱交換器。

        德國ProVentecs GmbH公司一直致力於優化通風設備的熱交換器，成功製造了迄今為止最小的通風設備熱交換器，與建設築系統供應商長期合作。同時，ProVentecs公司與德國布萊梅應用科學大學(Hochschule Bremen City University of Applied Science)長期合作，其中HaLo-Filter (高吸收低壓損過濾器)計畫旨在提高節能住宅通風系統的接受度。一般通風系統由三個主要部件組成：風扇、熱交換器和空氣過濾器，該計畫的目的是將後兩個組件組合成一個新產品：過濾式熱交換器，將液體冷凝物從舊空氣轉移到新鮮空氣，可以顯著減小尺寸，同時保持相同的傳熱程度。

        HaLo過濾器的創新過濾概念是使用超細纖維進行空氣過濾，達到低壓損與高容塵的效益，除了降低通風系統中風扇的功耗以節省能源之外，還可以降低噪音。纖維的特殊結構可滿足過濾器的高流速和小巧設計。纖維過濾器的過濾性能主要由兩個參數決定：纖維直徑和材料的孔隙率。纖維過濾理論可用於分析纖維直徑、孔隙率和流速對過濾性能和壓力降的影響。開發分析計算程式可以確定所需的過濾器參數，對於當量直徑為0.4 μm的顆粒而言，最低效率需要為35%，濾材產生的最大壓降應明顯低於50 Pa，使通風系統的功耗保持在最低值。根據計算結果，必須採用纖維直徑為0.9 μm、孔隙率為99.98%的纖維濾材，才能滿足最大壓降和最低過濾效率的要求。一般來說，高效且分離效率高的纖維空氣過濾器應由細且緻密度較低的纖維組成。

過濾器效率和壓力降的計算程式。

        纖維過濾材料通常使用不織布，然而此研究發現為了將不織布整合到熱交換器的流道中，必須達到基重< 0.1 g/m²才能滿足所需的孔隙率。研究人員首先生產出連續的超細纖維複絲紗線，進一步加工得到具有過濾效果的紡織半成品，再將深層空氣濾材應用到熱交換器板，氣流縱向流經過濾器表面，獲得高的容塵能力和低壓降梯度。

HaLo過濾器的製造過程。

        超細纖維複絲紗線採用海島纖維，島的成分為聚醯胺12 (PA12)；海的成分為水溶性聚乙烯醇(PVA)，迄今為止，海島複絲紗線可以生產900 nm超細纖維，其強力為61 cN/tex，經加工成蓬鬆紗(BCF)或假撚加工絲(DTY)，使纖維產生永久的捲曲，大幅增加紗線體積，進而增加濾材的孔隙率。

海島超細纖維複絲紗。

捲曲海島複絲/捲曲PA12超細纖維複絲。

        生產HaLo濾材的最後一步是從纖維中移除水溶性PVA，隨後，超細纖維的捲曲受熱產生些微收縮，使捲曲超細纖維紗線的體積最大化。目前，此研究尚在進行中，由於超細纖維紗線的纖維捲曲不足，尚未達到高孔隙度HaLo濾材的目標，這也成為該團隊未來的研究目標。儘管如此，利用捲曲超細纖維紗製造高效能空氣濾材可作為新型HVAC過濾器的發展方向。

資料來源：

1.https://www.filtnews.com/efficient-air-filter-media-of-crimped-microfiber-yarns/

2.https://www.faserinstitut.de/

台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society