產業趨勢
◎過濾纖維的趨勢：綠色還是耐用？
纖維濾材是製造航太和汽車過濾器的主要原料，包括纖維素、熱塑性塑膠和玻璃纖維。其中，纖維素纖維因其良好的加工性能、良好的化學機械性能和良好的機械性能而成為汽車、飛機和太空船中燃油濾清器、車廂空氣過濾器、引擎機油濾清器和引擎空氣過濾器濾紙的熱門選擇。市面上最常見的過濾用纖維素纖維是植物紙漿纖維，包括硬木紙漿纖維、軟木紙漿纖維、棉紙漿纖維及其處理過的(例如絲光、漂白)形式。
纖維素纖維是生物基材料，源自植物細胞壁結構成分的天然聚合物，以適當的方式製造，比聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚丙烯(PP)等石化產品對環境影響更小，碳足跡也更小。同時，纖維素纖維也具有生物降解性，可以被生物體分解為水和二氧化碳等基礎物質。然而，由於使用過的纖維素纖維含有油和汙染物，並且與金屬和石化纖維和聚合物混合，因此最終處置通常在金屬回收或能源回收設施中燃燒。
另一方面，在去除聚合物和其他不需要的物質後，用過的纖維素紙也可以透過纖維粉碎機分解成單纖維，可用於製造再生濾紙。中國天津科技大學(TUST)的研究發現，再生纖維素濾紙的破裂強度、挺度和拉伸指數略低於新紙，但仍足以用於一些要求不高的應用。
然而，在實際使用中，金屬和油通常是過濾器回收的主要標的，纖維素濾紙通常不會被回收，因為這較不具經濟效益。在加州，用過的金屬封裝的機油和燃油過濾器被粉碎並回收以回收金屬，而用過的紙質機油和燃油過濾器在能源回收設施中作為燃料來源進行回收。在某些地方，人們用手從金屬罐或網中取出濾紙，然後將其製成糊狀物來分離油，這種糊狀物很難回收或重複使用，並且經常被焚燒或送往垃圾掩埋場。
目前已有一些專利聚焦於從引擎空氣和車廂空氣過濾器中回收濾紙。例如，中國蚌埠市宏發濾清器有限公司擁有一項利用高壓氮氣和修復液回收引擎空氣濾清器濾紙的專利技術，儘管此類技術尚未商業化，但它們可能有機會在未來成為世界綠色經濟的一部分。
Ahlstrom的油和燃料纖維素過濾平台(含超細玻璃纖維或100%纖維素)可用於燃料水分離、生物柴油和侵蝕性燃料水分離。
生物基纖維素複合材料
不同類型的纖維素纖維通常混合在一起生產複合材料，一般來說，闊葉木漿纖維的成本相對較低，而針葉木漿纖維可能具有較高的滲透性，混合可結合其過濾應用優勢。另一方面，絲光處理通常會增加紙漿纖維的滲透性和成本，同時降低其強度。因此，由不同類型的纖維素纖維製成的複合材料可以達到滲透性、孔徑、強度、納汙能力、成本等特性之間的平衡。
麻州的Hollingsworth & Vose (H&V)和芬蘭的Ahlstrom Oyj (Ahlstrom)等公司是纖維素纖維過濾介質的全球領導供應商，他們致力於開發結構創新的新型過濾複合材料，每年產出大量與航太和汽車過濾材相關的專利技術。一些研究還將萊賽爾纖維(lyocell)、黏膠纖維(viscose)和奈米纖維素(CNF)等摻入上述硬木、軟木和棉漿纖維中，提供額外的功能，同時保持相對較低的成本以及生物基和可生物降解的優點。例如，中國齊魯工業大學(QUT)開發一種由硬木漿纖維、萊賽爾纖維和CNF製成的複合材料，發現當萊賽爾含量達到60 wt%時，在過濾阻力為146.7 Pa時，可以去除98.97%的PM 2.5，在兩者之間取得良好的平衡。
H&V的以玻璃纖維過濾材用於廢燃油與水分離，使用壽命長，具有高容塵量(DHC)。
生物基和可降解黏結劑
黏結劑是提高過濾材機械性能的關鍵成分，通常由環氧樹脂、丙烯酸和酚醛等熱固性樹脂製成，透過噴霧浸漬、浸潰或塗覆的方法施加到纖維上，也可被其他材料(例如羧基腈乳膠)改質以提高黏結能力，提高過濾材的機械性能。
然而，這些熱固性黏結劑通常不是生物基的，也不是可生物降解的。儘管生物基和可生物降解的黏合劑已出現在市場上，但其應用目前還無法用於航太和汽車過濾。例如，瑞典的OrganoClick利用食品工業中的殘留物(例如橙皮、蝦殼和麥麩)開發一種OC-BioBinder™的生物基黏結劑，用於不織布和產業用紡織品，儘管尚未用於航太和汽車產品，但未來應用頗具潛力。
其他研究人員嘗試使用易降解的黏結劑材料來取代傳統的熱固性樹脂，例如中國天津科技大學(TUST)開發聚六氫三嗪(PHT)樹脂取代酚醛樹脂作為紙漿纖維引擎機油濾清器的黏結劑材料，將該樹脂放入鹽酸和丙酮溶液中，室溫半小時後，PHT的降解率可達94.2%。去除PHT後，濾紙可以輕易地破碎成單纖維並回收。雖然再生纖維素纖維濾紙的拉伸指數和破裂強度分別下降了16.14%和2.27%，但其他特性仍與原濾紙相當，為未來從廢機油濾芯中回收濾紙提出了可行性。
OrganoClick的100%生物基黏合劑OC-BioBinder™是以食品業殘留廢棄物製成的生物黏結劑，使不織布和產業用紡織品可以100%可生物降解、無毒且100%可堆肥。
對耐用性的需求
儘管纖維素纖維是生物基的、可生物降解的並具有許多其他優點，但纖維素纖維通常必須摻入其他材料，例如化學纖維和玻璃纖維，以提高其耐用性和可靠性，其中的化學纖維大多是熱塑性纖維，例如PET、PBT、PP、PA和PAN；玻璃纖維大多是直徑只有幾微米的超細纖維。例如，Ahlstrom開發由纖維素纖維、熱塑性纖維、玻璃纖維、熱固性黏結劑和添加劑生產的自支撐褶狀油濾材，破裂強度比傳統油濾材高，同時不須使用支撐褶皺結構的昂貴金屬網，可節省一些材料成本。
近幾年，由於汽車和航太過濾產業對新型複合材料和結構的需求，也推動新型先進材料進入市場，例如由芳香族聚醯胺、聚磺醯胺(PSA)和聚醯亞胺(PI)等高強度或高耐熱樹脂與其他聚合物靜電紡絲製成的混合纖維，儘管這些材料尚未商業化，但可為未來燃料電池汽車等惡劣或新環境中使用的過濾器提供新的解決方案。
唐納森的Ultra-Web®技術採用靜電紡絲製成，可生產直徑為0.2-0.3 微米的極細、連續、有彈性的纖維，可將灰塵捕集在濾材表面。
此外，不同形式的纖維可能表現出不同的過濾特性，例如，中國西安工業大學(XPU)的研究人員利用普通PET和三維捲曲PET開發針軋不織布作為機油過濾材，當調整兩種纖維的比例時，不織布的強度、密度、孔徑、滲透性和過濾效率都會發生變化，可以獲得不同過濾性能的理想組合。
由不同類型材料製成的奈米纖維也被用來提高過濾器捕獲小顆粒的能力，例如，明尼蘇達州唐納森公司的Ultra-Web®濾材技術，在纖維素濾材上添加了一層奈米纖維，為引擎空氣過濾提供具有高容塵量和高過濾效率的濾材。中國的新星工業(Newstar)也開發了一種具有奈米纖維層的過濾材料，濾紙基材是由棉漿纖維和針葉木漿纖維複合而成，在濾紙表面額外添加4%的奈米纖維，濾材的平均孔隙率為23.8 μm，在壓差為200 Pa時，透氣度仍保持在115.4 L/m2s，破裂強度良好，表現出色的奈米顆粒初始過濾效率。
不斷發展的過濾材
上述的例子說明，在追求耐用性和可靠性時，纖維素纖維通常部分甚至完全被石化纖維和不可生物降解的纖維取代。另一方面，生物基或可生物降解纖維，如PLA、殼聚醣和尼龍56，也正被研究以取代石化纖維，例如已有研究開發用於空氣過濾(包括車廂空氣過濾)的PLA複合材料。儘管這些生物基材料的使用仍處於早期階段，但未來預計將出現充滿前景且快速成長的市場。
資料來源：
1.https://www.filtnews.com/green-or-durable-automotive-aerospace-fibers-in-filtration/
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
