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生活處處皆過濾:過濾的世界中「奈」又如何

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時間倒轉到2013年1月10日。早上10點,北京的天空灰矇矇一片,看不清太陽在哪裡;下午4點鐘,只看到橘紅色的天空中布滿了灰塵。這是我到北京後看到的情況,一種空氣汙染,也稱霾害。

蜘蛛的過濾行為

在北京散步的過程中,被垂掛在半空中的蜘蛛網嚇了一跳,仔細一看,是一隻張開腳比人臉還大的人面蜘蛛掛在網中央。隨手撿起一隻枯枝正想把網搗破的最後一秒收手了,一個念頭在腦中閃過:我是一個研究人員,專門做過濾的研究,怎麼可以傷害我的同伴呢!

倒不是說我是蜘蛛人,但蜘蛛網掛在半空中為的是甚麼?捕捉空中飛來的獵物?就是了!這是一種過濾現象吧?當我越往下細想,越覺得蜘蛛真是我的偶像,牠紡出的絲是奈米纖維的代表。根據研究,蜘蛛絲是一種會固化的蛋白質纖維,強度可比美鋼絲。牠的生活形態呈現出來的是一種過濾的行為,這跟我的研究「利用奈米纖維膜做為過濾基材」如出一轍!有機會,再把蜘蛛的奈米纖維跟我的奈米纖維做一個比較。這次想跟大家分享的是在過濾的世界中,奈米纖維所扮演的角色。

奈米纖維的作用

甚麼是奈米纖維?大家常常看到奈米纖維跟頭髮的比較,一根頭髮直徑約為20微米(20 × 10–6米),若把它分為200根,一根的粗細就是100奈米(100 × 10–9米)。還是沒甚麼概念?換個說法好了,一根直徑是50奈米的纖維,從地球拉到月球這樣長,大約要耗用多少高分子材料呢?答案是約3克。是的,您沒看錯,就是這麼少!

正因為如此,很多科學家耗用無數心力想替這樣的製程與產品找到應用出路。筆者在求學階段有幸進入一個專門製作奈米纖維的研究領域,在一個過濾研討會中,發現了奈米纖維或許是解決現今粉塵過濾的一個最佳方法。

為甚麼呢?因為在空氣過濾的過程中,主要是利用物理攔截的方式把粉塵阻隔在濾材外,避免其穿過濾材,越細小的孔洞可以阻擋越細小的粉塵顆粒。因此,如何製作出具有微小孔洞的濾芯材料,便是一個高效濾材的基本條件。奈米纖維正好具有這樣的條件,透過層層堆疊的方式,可製備出一層薄薄的、具有非常良好過濾效果的纖維膜濾材。

空氣粉塵的過濾

過濾主要可分為氣體的與液體的兩種型態,先以現今最熱門的空氣粉塵過濾做詳細的介紹。

在環境科學中,懸浮粒子就是懸浮在空氣中的固體顆粒或液滴,是空氣汙染的主要成分。其中,粉塵顆粒直徑小於或等於10微米的懸浮粒子稱為可吸入懸浮粒子(PM 10),直徑小於或等於2.5微米的稱為細懸浮粒子(PM 2.5)。細懸浮粒子能夠在大氣中停留很長時間,可隨呼吸進入體內積聚在氣管或肺中,影響身體健康。

懸浮粒子的大小決定了它們最終在呼吸道中的位置。較大的懸浮粒子往往會被纖毛和黏液過濾,無法通過鼻子和咽喉。然而,小於10微米的懸浮粒子就可被吸入人體,並可穿透上述屏障到達支氣管和肺泡。而小於2.5微米的細懸浮粒子,表面積與體積比大於PM 10的更易吸附有毒害的物質。由於體積更小,PM 2.5具有更強的穿透力,可能抵達細支氣管壁,並干擾肺內的氣體交換。直徑小於或等於100奈米的更小微粒會透過肺部的傳遞影響其他器官。

一項研究顯示,PM 2.5會導致動脈斑塊沉積,引發血管炎症和動脈粥樣硬化,最終導致心臟病或其他心血管問題。

過濾塵埃的原理

如何過濾空氣中的這些懸浮粒子,使得這些顆粒粉塵不易進入人體,是一個重要的課題。我們先來了解學理上空氣中懸浮的塵埃是怎麼被過濾掉的。空氣中的粉塵會因以下幾種機制而被阻隔在濾材外。

碰撞攔截原理 ─ 空氣中的塵埃粒子或隨氣流做慣性運動,或做無規則運動,或受某種場力的作用而移動。當運動中的粒子撞到障礙物時,粒子與障礙物表面間的引力使它黏在障礙物上。

慣性原理 ─ 大粒子在氣流中做慣性運動,氣流遇障繞行,粒子則因慣性偏離氣流方向並撞到障礙物上。粒子越大,慣性越強,撞擊障礙物的可能性越大,因此過濾效果越好。

擴散原理 ─小粒子做無規則運動,我們對無規則運動做數學處理時使用質傳學中的擴散理論。粒子越小,無規則運動越劇烈,撞擊障礙物的機會越多,因此過濾效果越好。

從以上的說明可知,不同顆粒大小的粉塵的過濾機制,竟然有這樣大的差異。各種濾材對於粉塵的過濾機制,粗略可分為表面與深層過濾兩種。在表面過濾的過程中,當粉塵堵塞濾材表面時,這過濾膜會對氣流造成很大的壓力損失。

優良的濾材

因此,好的濾材多由不織布所組成,因為好的過濾材料必須能有效攔截塵埃粒子,又不對氣流形成過大的阻力,而不織布或特製紙張之類的材料能夠符合這一要求。雜亂交織的纖維形成對粒子的無數道屏障,纖維間的空間則允許氣流順利通過,使得氣流在通過過濾材料前後的壓損降低,這些是不織布過濾材料的特色。

所謂壓損,是空氣通過過濾材料前後的壓力差。壓損越低,空氣流量越不受影響;壓損越高,表示過濾材料越不透風。任何的過濾材料都有使用壽命,過濾材料上堆積的灰塵越多,阻力越大。當阻力大到設計所不允許的程度時,過濾器就該更換了。否則,過大的阻力反而會使卡在過濾材料上的灰塵散落,造成二次汙染。

因此,如何製備「低壓損」卻有「高容塵」二項效果的濾材,便成了重要的研究課題。研究發現利用奈米纖維層層堆疊的方式,可以創造出一個具有微小孔洞與高效過濾性能的纖維膜。同時,奈米纖維的形態使得氣流在流經奈米纖維表面時具有滑流效應,因而在過濾時可使濾材有較低的壓損,這表示奈米纖維間的空間能允許氣流順利通過,使得氣流在通過過濾材料前後的壓力損失非常小。奈米纖維的出現解決我們的第1個問題,一種具有「低壓損」性能的高效過濾膜材。

奈米纖維的製備

但是,如何製造出奈米纖維?當初科學家利用一根底部挖了洞的湯匙,加上高壓電後,以非常簡單的製程製備出直徑是奈米尺寸的纖維,現多稱為「奈米纖維」。在這之前,人們對於如何製備出奈米纖維充滿了想像,認為應該要以很高科技的手段才能得到。當看到這樣一個簡單製程後,很多人躍躍欲試,想透過這一方式製備出奈米纖維,這種加工技術就叫電紡絲。正因為這項加工技術可以輕易地製備出奈米纖維,而引起了科學家對這一技術展開廣泛的研究。

因此,現今大家最熟知的奈米纖維製程就是電紡絲,電紡製程所需的元件非常簡單,包括高壓電、高分子溶液承裝盒(常用針筒)、收集裝置3個。

高分子電紡絲加工技術的操作原理,是把高分子溶液輸送至針頭形成液滴,當施加一高壓電後,高分子液滴表面布滿電荷,隨著電壓的增高,因液滴表面電荷密度上升而斥力上升。當電斥力大於液體表面張力時,液滴表面會噴射出一帶電液柱,液滴形狀也隨之改變成為習知的Taylor cone。噴射出的帶電液柱在電場作用下劇烈地甩動延伸,使得液柱溶液中的溶劑迅速揮發,最後在接地的收集板上形成纖維直徑是奈米等級的不織布膜。

研究顯示,與微米尺寸的纖維相比,利用奈米纖維所製成的濾材,在相同的過濾條件下,過濾效率明顯提升,所造成的壓降也較低。

一般而言,空氣濾材過濾灰塵能力的改善,與濾材所用纖維直徑減小的程度、體積與重量的比值(比容)相關。以靜電紡絲所產出的直徑小於200 奈米的纖維為例,把它噴布在不織布上,在HEPA等級的過濾測試中,具有非常高的空氣過濾效率(> 99.99 %)。而以不同纖維直徑所產出的濾材,更可以製備出不同的過濾孔徑,應用在不同過濾等級的濾材中。

奈米纖維膜對過濾有非常大的效益,但是其製程是出了名的慢。為了克服這個困難,筆者的研究團隊開發了量產型電紡奈米纖維生產設備,建立臺灣業界唯一的1.6米幅寬的奈米纖維不織布靜電紡絲量產製程,並搭配快速聚乙烯醇熱交聯技術,完成國內最完整、環保的奈米纖維不織布製程技術,可以快速量產奈米纖維膜。

高容塵的纖維膜材

對於奈米纖維膜,大家還有一個疑慮,那壽命呢?無可否認地,單純奈米纖維膜材並無法提供更長的使用壽命,尤其是當它的過濾效果非常好時。

這時,電紡纖維製程可結合熔噴微米纖維膜製造技術,以複合製程方式開發微奈米複合型纖維膜材。即以熔噴不織布製程為主軸,在熔噴製程中高分子熔體吹出後的不同階段,匯入奈米纖維或異型斷面短纖或機能性奈米粉體,所得膜材便具有不同的結構。透過這樣的技術可以克服濾材使用的第2個困境(容塵量),開發出具有低壓損、高容塵量二項特性的纖維膜材。

接下來,將更進一步開發機能性奈米複合纖維膜濾材,採用電紡/熔噴微奈米纖維複合成型技術、機能性奈米纖維/短纖維同步匯入不織布製造等技術,開發出機能型微奈米複合纖維膜,具有特定有機揮發氣體汙染物過濾吸附效能。這一製程以電紡奈米纖維製程為主軸,輔以現有量產型電紡絲製程為基礎,開發「奈米纖維離子交換濾材」的關鍵奈米纖維膜吸附過濾材,生產高效能奈米纖維離子交換複合濾材。

奈米纖維的挑戰

其實,擁有奈米纖維製造技術並不值得慶賀,因為早在人類出現以前,自然界的蜘蛛絲及細菌纖維素就已是典型的奈米纖維。細的蜘蛛絲直徑只有100奈米,纖維性能更遠優於同樣尺寸的鋼材纖維,細菌纖維素纖維尺寸更是只有數十奈米,兩者都是真正的天然奈米纖維。

因此,當我們具有製備奈米纖維的能力後,更應了解替奈米纖維找到合適的應用才是最重要的挑戰。
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