高效空氣過濾器國標體系主要修訂內(nèi)容解讀（上）

摘要 本文為2015~2017年間高效空氣過濾國標體系修訂過程的研究工作技術(shù)總結(jié)，文章通過對近10年來國內(nèi)外對高效空氣過濾器性能測試研究的進展以及國際技術(shù)標準體系的發(fā)展進行梳理，總結(jié)了現(xiàn)行國家標準體系所存在的主要技術(shù)問題，并對標準修訂工作針對所述問題所開展的主要研究工作進行了介紹，對標準體系主要修訂內(nèi)容進行了相應解讀。

關(guān)鍵詞 高效及超高效過濾器 空氣凈化 過濾器性能測試 高效過濾器分級 高效過濾器生命周期評價

0 前言

高效及超高效過濾器是各類型潔凈受控環(huán)境用于保護室內(nèi)環(huán)境、工作人員以及周邊環(huán)境安全的關(guān)鍵性凈化處理措施，被廣泛應用于微電子、制藥、食品、醫(yī)療衛(wèi)生、檢驗檢疫以及航空航天等諸多國民經(jīng)濟支柱性產(chǎn)業(yè)。我國高效空氣過濾器于上世紀60年代研制成功,80年代，我國借鑒英國的鈉焰法（火焰光度計法）以及前蘇聯(lián)的油霧法初步建立高效空氣過濾器的效率測試標準GB 6165《高效空氣過濾器性能試驗方法 效率和阻力》，90年代形成涵蓋高效空氣過濾器產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、技術(shù)要求以及相應檢測方法的完整產(chǎn)品技術(shù)標準GB 13554《高效空氣過濾器》。2008年，我國參考歐美發(fā)達國家在2000年前后開始采用的計數(shù)法，建立分別針對過濾器以及過濾材料的MPPS效率測試方法，將對過濾器的效率檢測范圍提高到99.99999%以上的超高效過濾器范疇。

截至2015年，一方面國內(nèi)空氣凈化行業(yè)在7年的國標運行使用過程中對于舊版國標體系的一些存在問題取得了新的認識與積累，另一方面，2011年國際標準化組織ISO也以歐洲標準為藍本形成并正式頒布了首份全球通用國際標準ISO29463《High-efficiency filters and filter media for removing particles in air》，因此，有必要對當時標準存在的主要技術(shù)問題進行梳理，并對新國際標準環(huán)境下提高國標體系與國際標準體系的適應性和對接性進行改進提升。

因此標準主編單位會同行業(yè)內(nèi)主要技術(shù)研發(fā)機構(gòu)、高校、生產(chǎn)廠家以及檢測機構(gòu)等有關(guān)單位成立標準修訂編制組并開展了大量的比對測試以及基礎技術(shù)改進評估工作，于2017年底完成了新一輪國標體系修訂稿的標準審查與報批工作。本文將對國標體系修訂過程所面臨的主要問題、技術(shù)研發(fā)工作以及所形成的主要修訂內(nèi)容進行介紹，供行業(yè)各領域?qū)＜遗u指正。

1 當前國標體系主要存在的問題

通過對近年來國標體系使用情況以及終端用戶、生產(chǎn)廠家、檢測機構(gòu)的信息反饋匯總，我國舊版國標體系主要存在的技術(shù)問題包括：

a） 產(chǎn)品性能分級標識體系與國際分級體系不相適應。

圖1給出了08版國標高效分級體系與歐、美以及ISO標準分級體系的比對。從中可以看出08版國標分級體系的主要不足包括：，在拋棄不同標準體系中檢測方法的差異性前提下，08版分級體系高效過濾器的起始值（99.9%）低于國際標準體系（99.95（歐盟及ISO標準）、99.97%（美國標準））。

考慮到08版國標體系采用鈉焰法為標準試驗方法，而鈉焰法的效率測試結(jié)果一般高于國際上流行的計數(shù)法測試結(jié)果，因此，08版標準分級體系中A級高效過濾器其實際效率相當于國際標準分級中的亞高效過濾器，這種差異不利于滿足過濾器所應用的各類潔凈室行業(yè)進行符合生產(chǎn)工藝要求的風險控制需求。

第二，從國際標準體系的發(fā)展來看，過濾器分級標識體系從早期的單純效率數(shù)值標識體系向更豐富信息層次發(fā)展，現(xiàn)代的過濾器標識體系除效率級別外，傾向與通過盡可能簡潔的符號標識傳遞用戶所需要的必要信息，如具體效率測試結(jié)果、所采用測試方法以及檢漏方法還希望體現(xiàn)過濾器出廠檢測的核心試驗方法等。例如，歐洲標準以及ISO標準中的U組過濾器，即表示過濾出廠必須經(jīng)過掃描檢漏測試，而在ISO29463的制定討論過程中，針對H組別過濾器若出廠為掃描檢漏測試是否標識為U組也曾有過廣泛的討論。08版國標體系在此方面則存在不足。

b）08版國標體系的效率標準試驗方法——鈉焰法粒徑分布與過濾器易穿透粒徑（Most Penetrate Particle Size， MPPS）存在較大偏差，因此試驗結(jié)果與國際上通行的計數(shù)法試驗結(jié)果存在偏差。

鈉焰法作為我國高效過濾器效率檢測的傳統(tǒng)方法，采用火焰光度計對經(jīng)噴霧干燥發(fā)生過程獲得的多分散NaCl固體氣溶膠進行質(zhì)量濃度進行測試、比較，進而獲得被測過濾器的效率檢測結(jié)果。圖2給出了采用粒徑頻譜儀所獲得的傳統(tǒng)鈉焰法測試氣溶膠粒徑分布，其計數(shù)中值粒徑為40~50nm，計重中值粒徑約為300nm，同時粒徑分布較為分散。因此，其實際測試結(jié)果與國際通行計數(shù)法相比存在較為明顯的差距。

c）08版國標體系中包含有針對特殊行業(yè)的特殊性能需求。我國的高效過濾產(chǎn)品及標準化測試方法均源于核工業(yè)的特殊要求，因此，過濾器產(chǎn)品標準GB/T13554中一直保留了部分針對核工業(yè)行業(yè)特定的特殊產(chǎn)品強度要求，例如要求高效過濾器能在10倍阻力下運行一定時間并保持完好等。時至今日，一方面當前我國高效過濾器產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應用于微電子電子、液晶面板、精密加工制造、醫(yī)藥、衛(wèi)生等諸多科技行業(yè)，而另一方面國內(nèi)核工業(yè)已經(jīng)以美國標準體系為藍本完成了相應國標【5】的制定并應用至今。因此，作為通用產(chǎn)品技術(shù)標準，不宜再保留相應的特殊性能要求。

2 新版國標體系主要修訂內(nèi)容及相應研究基礎工作介紹

2.1對國內(nèi)現(xiàn)有高效過濾器試驗臺開展樣本傳遞試驗（Round Robin Test），了解當前各試驗臺差異性現(xiàn)狀，提升標準在試驗臺質(zhì)量控制要求。

過濾器試驗裝置的基礎性能參數(shù)，如風量穩(wěn)定性、風速均勻性、氣溶膠濃度均勻性、穩(wěn)定性以及管道氣密性等，均需要有較為嚴格并且一致的規(guī)定，方能避免不同試驗臺的測試結(jié)果偏差。但在08版國標體系中，鈉焰法、計數(shù)法以及油霧法三種試驗方法均對試驗裝置基礎性能參數(shù)有各自要求，各自所要求指標項目以及允許數(shù)值均存在偏差，因此容易導致不同試驗臺在測試同一樣品時存在偏差，造成數(shù)據(jù)結(jié)果的不可比對。為明確國內(nèi)目前在用過濾器試驗臺性能差異，國標修訂編制組于2016年組織國內(nèi)現(xiàn)有部分高效過濾器試驗臺的測試結(jié)果比對傳遞試驗（Round Robin Test， RRT測試），傳遞試驗采用過濾器（效率測試標件）和金屬孔板（阻力標件）同時進行。

圖3給出了采用金屬孔板作為阻力標件的部分試驗臺測試結(jié)果，圖中，1#~5#為參與傳遞試驗的試驗臺編號，CV為各試驗臺測試結(jié)果差異系數(shù)。表1給出了4臺計數(shù)法試驗臺對傳遞過濾器的效率測試結(jié)果比較。從各試驗臺的效率及阻力測試比較結(jié)果來看，各試驗臺間存在較為明顯的差異性，不同試驗臺對同一阻力標件的測試結(jié)果差異明顯，1#、2#、5#試驗臺測試結(jié)果基本相當，3#試驗臺測試結(jié)果明顯低于其它，4#試驗臺測試結(jié)果明顯高于其它，在高效空氣過濾器常用風量范圍（500~1700m3/h），各試驗臺總體差異系數(shù)15%左右，相比發(fā)達國家較為成熟的技術(shù)水平存在一定差距。

而對于效率標件的傳遞比對測試結(jié)果，各試驗臺間的差異性結(jié)果要略好于阻力，同為計數(shù)法的4臺試驗臺中，對同一臺過濾器的透過率測試結(jié)果大值與小值偏差4~5倍，效率測試結(jié)果偏差則超過半個9。由于在新版ISO國際標準中高效及超高效過濾器分級體系以半個9劃分級別，因此，這種差異終將導致同一臺過濾器在不同試驗臺上的測試結(jié)果出現(xiàn)級別差異。

為了進一步規(guī)范試驗臺設計、建設和使用維護，逐步縮小不同生產(chǎn)廠家、實驗室試驗臺間的差異性，新版國標體系的修訂過程中，統(tǒng)一提出了試驗臺的基礎性能參數(shù)要求，表2給出了新版修訂國標體系所提出的過濾器試驗臺性能及標定維護要求。所要求的基礎性能參數(shù)中，除管道密封性、混勻性等傳統(tǒng)的常規(guī)要求外，相比與國際標準體系，新增了對于阻力標件以及參考過濾器的定期回溯要求，希望可以為國內(nèi)生產(chǎn)廠家提升產(chǎn)品質(zhì)量控制水平提供助力。

2.2 完善高效過濾器的鈉焰法測試方法

鈉焰法是我國進行高效過濾器檢漏測試的傳統(tǒng)方法，也是舊版國標體系的效率基準測試方法，相比于2000年左右開始廣泛應用的計數(shù)法測試，鈉焰法的優(yōu)勢與劣勢同等突出，其主要優(yōu)點包括：采用NaCl作為測試氣溶膠，安全并且對人員健康及環(huán)境無負面影響；采用火焰光度計作為測試手段，只針對含鈉顆粒物進行測試，環(huán)境氣溶膠對測試結(jié)果的影響??；與美國目前仍在使用的DOP光度計法一樣，代光度法測試方法雖然試驗方法相對粗糙，但試驗臺之間微小差異對試驗結(jié)果的影響較計數(shù)法小，因此更容易實現(xiàn)不同試驗臺對相同測試樣品的測試結(jié)果穩(wěn)定性。

而鈉焰法的主要劣勢在于：其測試結(jié)果高于計數(shù)法，并且二者測試結(jié)果不具備可比性。這是由于鈉焰法采用多分散NaCl氣溶膠粒徑分布特征與過濾元件MPPS粒徑范圍（易穿透粒徑，傳統(tǒng)玻纖濾材一般為100nm~250nm，PTFE濾膜則一般為50~70nm）存在明顯偏差，同時，測試手段采用質(zhì)量濃度而非計數(shù)濃度測試，因此大粒子尤其是粒徑大于1μm的粒子對于效率測試結(jié)果的貢獻會顯著高于MPPS粒徑范圍的小粒子。另一方面，測試氣溶膠中的Na及Cl會破壞電子芯片絕緣層從而影響產(chǎn)品成品率和可靠性【7】

為改善鈉焰法測試氣溶膠的粒徑分布，標準編制組對不同NaCl氣溶膠發(fā)生制備參數(shù)（溶液濃度以及噴霧壓力）進行大量測試，并利用中效過濾過濾元件的MPPS特性進一步對發(fā)生NaCl氣溶膠進行篩選從而獲得分布更接近于MPPS范圍的測試氣溶膠;

圖4給出了使用Laskin噴嘴噴霧發(fā)生NaCl固體氣溶膠，再經(jīng)不同級別過濾器篩選所得到多分散氣溶膠計數(shù)峰值粒徑，試驗所使用NaCl溶液濃度10%，噴霧壓力0.2~0.6MPa。由測試結(jié)果可見，隨著篩選過濾器效率級別的提高，篩選后多分散NaCl氣溶膠的粒徑分布越來越接近于高效過濾器的MPPS范圍，但過高的篩選過濾器級別會導致NaCl氣溶膠質(zhì)量濃度下降過多，不利于高效過濾器的效率檢測，經(jīng)比較權(quán)衡，F7、F8級別的中效過濾器就足以滿足測試需求。

圖5為使用WPS測試得到的改進后鈉焰法試驗氣溶膠粒徑分布，相比于傳統(tǒng)鈉焰法的測試氣溶膠粒徑分布（圖2），改進后的試驗塵粒徑分布更集中，也更接近過濾器MPPS范圍。

圖6為改進后的鈉焰法與傳統(tǒng)方法的測試結(jié)果比對，可見改進方法確實可在一定程度上降低鈉焰法對于過濾器效率測試結(jié)果，使之進一步接近計數(shù)法測試結(jié)果。但同時我們?nèi)员仨毧吹礁倪M后的鈉焰法測試結(jié)果與計數(shù)法仍有相當差距（圖7），未來對于鈉焰法的性能改進與提升仍是標準工作組需要持續(xù)努力與技術(shù)投入的方向之一。關(guān)于這部分工作的詳細技術(shù)內(nèi)容請讀者參考張惠及曹冠朋二位的文章【8】、【9】。

（接《高效空氣過濾器國標體系主要修訂內(nèi)容解讀（下）》）