生活處處皆過濾：過濾的世界中「奈」又如何
103/08/06
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簡煥聲｜
紡織產業綜合研究所產品部
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。
