超低揮發性有機物釋放：超高無隔板高效過濾器在高端塗布車間的應用一、引言 隨著我國製造業向高精尖方向發展，尤其是在電子、新能源電池、光學膜材、精密塗層等領域，對生產環境的潔淨度與空氣質量提...
超低揮發性有機物釋放：超高無隔板高效過濾器在高端塗布車間的應用
一、引言
隨著我國製造業向高精尖方向發展，尤其是在電子、新能源電池、光學膜材、精密塗層等領域，對生產環境的潔淨度與空氣質量提出了前所未有的嚴苛要求。其中，高端塗布車間作為實現高性能材料表麵處理的核心場所，其空氣潔淨等級直接影響產品良率、性能穩定性及後續工藝適配性。在這一背景下，傳統空氣過濾技術已難以滿足現代塗布工藝對超低揮發性有機物（VOCs）釋放和微粒控製的雙重需求。
近年來，超高無隔板高效過濾器（Ultra-Low Particulate Air Filter, ULPA Filter with No Separator Frame）憑借其結構緊湊、容塵量大、阻力低、效率高等優勢，逐漸成為高端塗布車間空氣淨化係統的關鍵組件。更為重要的是，新型ULPA過濾器通過采用低VOC釋放材料（如聚丙烯纖維、PTFE覆膜、食品級粘合劑等），實現了在高效過濾的同時顯著降低自身對環境的化學汙染，從而真正實現“清潔設備提供清潔空氣”的閉環管理。
本文將係統闡述超高無隔板高效過濾器的技術原理、關鍵參數、在高端塗布車間中的具體應用場景，並結合國內外權威研究文獻與工程實踐案例，深入分析其在控製揮發性有機物釋放方麵的卓越表現。
二、高端塗布車間的環境挑戰
2.1 塗布工藝簡介
塗布是指將液態或漿料狀的功能材料均勻地塗覆於基材（如PET薄膜、銅箔、玻璃、金屬帶等）表麵，經過幹燥、固化等工序形成功能性塗層的過程。廣泛應用於：
- 鋰離子電池電極製造（正負極塗布）
- 光學膜（AR/AG/AF膜）
- 半導體封裝材料
- 醫療膠帶與貼片
- 柔性電子器件
2.2 環境控製的核心指標
為確保塗層厚度一致性、無缺陷、高附著力，塗布車間需嚴格控製以下環境參數：
| 參數類別 | 控製目標 | 影響後果 |
|---|---|---|
| 潔淨度等級 | ISO Class 5 ~ 7（百級至萬級） | 微粒導致塗層針孔、劃傷 |
| 溫濕度 | 溫度±1°C，相對濕度±3% RH | 影響溶劑揮發速率、塗層流平性 |
| VOC濃度 | < 0.1 ppm（苯係物、醇類等） | 引起交叉汙染、影響固化反應 |
| 氣流組織 | 垂直單向流（Laminar Flow） | 防止紊流擾動，保證塗層均勻性 |
| 過濾器VOC釋放 | < 5 μg/m³（24小時累計釋放量） | 過濾器自身成為汙染源 |
資料來源：GB/T 25915.1-2021《潔淨室及相關受控環境 第1部分：分類》；ISO 14644-1:2015
值得注意的是，傳統有隔板高效過濾器常使用酚醛樹脂膠固定濾紙，而這類膠黏劑在長期運行中會緩慢釋放甲醛、苯酚等VOCs，尤其在高溫高濕環境下更為顯著（Zhang et al., 2020）。這在對化學純度極為敏感的鋰電池極片塗布中可能引發界麵副反應，導致電池循環壽命下降。
三、超高無隔板高效過濾器的技術演進
3.1 結構設計對比
| 特性 | 傳統有隔板高效過濾器 | 超高無隔板高效過濾器 |
|---|---|---|
| 框架結構 | 金屬/紙隔板分隔濾紙 | 無隔板，熱熔膠直接成型波紋結構 |
| 濾料材質 | 玻璃纖維為主 | 超細玻璃纖維+PTFE覆膜或聚丙烯納米纖維 |
| 過濾效率（0.3μm） | H13~H14（99.95%~99.995%） | U15~U17（≥99.9995%，可達99.9999%） |
| 初始阻力 | 220~280 Pa | 120~180 Pa |
| 容塵量 | 600~800 g/m² | 900~1200 g/m² |
| VOC釋放量（24h） | 10~30 μg/m³ | < 5 μg/m³ |
| 使用壽命 | 1~2年 | 3~5年 |
| 適用標準 | GB/T 13554-2020 | IEST-RP-CC001.5、EN 1822:2019 |
數據來源：中國建築科學研究院《空氣過濾器性能測試報告》（2022）；Camfil AB Technical Bulletin (2023)
3.2 核心技術創新點
（1）無隔板波紋成型技術
采用自動化熱熔膠噴絲設備，將濾料連續折疊成蜂窩狀波紋結構，取消傳統鋁箔或瓦楞紙隔板。該設計不僅減輕重量約40%，還大幅增加有效過濾麵積（單位體積內增加30%以上），從而降低麵風速與壓降。
（2）低VOC釋放複合濾材
新一代ULPA濾材采用雙層複合結構：
- 主過濾層：超細玻璃纖維（直徑0.2~0.5μm），經駐極處理提升靜電吸附能力；
- 保護層：膨體聚四氟乙烯（ePTFE）薄膜，孔徑≤0.1μm，兼具疏水疏油特性，且VOC釋放趨近於零。
據美國ASHRAE Journal（2021）報道，ePTFE材料在70°C、95% RH條件下連續運行1000小時後，TVOC釋放量仍低於0.3 mg/m³，遠優於傳統濾材。
（3）環保型密封膠與框架材料
- 密封膠：采用矽酮改性聚氨酯膠（Silane-Modified Polyurethane），不含溶劑，固化過程無VOC排放；
- 外框：選用陽極氧化鋁合金或食品級ABS塑料，避免鋅、鉛等重金屬析出。
四、超低VOC釋放機製解析
4.1 VOC釋放源識別
根據德國TÜV研究報告（TÜV SÜD, 2020），高效過濾器的主要VOC釋放來源包括：
| 釋放源 | 主要化合物 | 釋放機製 |
|---|---|---|
| 粘合劑 | 甲醛、甲苯、乙酸丁酯 | 溶劑殘留與熱分解 |
| 濾紙浸漬劑 | 矽油、偶聯劑 | 緩慢揮發 |
| 框架塗層 | 環氧樹脂降解產物 | 高溫老化 |
| 包裝材料遷移 | 增塑劑（鄰苯二甲酸酯類） | 吸附-解吸平衡 |
4.2 超低釋放解決方案
通過以下四項措施實現VOC釋放小化：
- 原材料預處理脫揮：濾材在出廠前經真空高溫烘烤（80°C×48h），去除殘留溶劑；
- 全生命周期VOC檢測：依據ISO 16000-9標準，在模擬工況下進行動態釋放測試；
- 模塊化密封設計：采用O型矽膠圈+機械壓緊結構，減少現場打膠帶來的二次汙染；
- 在線監測接口預留：支持集成PID（光離子化檢測器）傳感器，實時反饋空氣質量。
一項由中國科學院過程工程研究所主導的研究顯示（Li et al., 2023），在某動力電池塗布車間替換為超低VOC ULPA過濾器後，車間空氣中苯係物濃度從原來的0.08 ppm降至0.012 ppm，降幅達85%，且設備運行一年後未見明顯回升。
五、在高端塗布車間的應用實例
5.1 應用場景分類
| 場景類型 | 典型行業 | 對過濾器的核心要求 |
|---|---|---|
| 鋰電池極片塗布 | 寧德時代、比亞迪、LG新能源 | 極低金屬離子與有機物釋放，防短路 |
| 光學功能膜塗布 | 萊寶高科、激智科技 | 零微粒、無矽油遷移，防霧化缺陷 |
| 半導體封裝膠塗布 | 長電科技、通富微電 | ISO Class 4級別，抗靜電 |
| 醫用壓敏膠塗布 | 3M中國、穩健醫療 | 生物相容性認證，無致敏物質釋放 |
5.2 典型項目參數配置（以某12GWh動力電池塗布線為例）
| 項目名稱 | 參數說明 |
|---|---|
| 車間麵積 | 8,000 m² |
| 潔淨等級 | ISO Class 6（靜態） |
| 換氣次數 | ≥60次/h |
| 送風係統形式 | FFU（風機過濾單元）陣列式布置 |
| 過濾器型號 | ULPA-U16，無隔板，ePTFE覆膜 |
| 尺寸規格 | 1170×570×90 mm（H×W×D） |
| 額定風量 | 1,000 m³/h |
| 初始效率（MPPS） | ≥99.999%（0.12μm粒子） |
| 初始阻力 | 150 Pa |
| 終阻力報警值 | 450 Pa |
| VOC釋放限值（24h） | ≤3 μg/m³（按GB 37822-2019測定） |
| 認證標準 | EN 1822:2019, RoHS, REACH, USP Class VI |
| 安裝數量 | 1,248台 |
| 年維護成本節約 | 相比傳統H14過濾器降低37% |
數據來源：該項目EPC總承包方——中電投工程設計院有限公司《潔淨室係統驗收報告》（2023）
5.3 性能對比實驗數據
在相同工況下，對三種過濾器進行為期6個月的跟蹤測試：
| 指標 | 傳統H14有隔板 | 新型H14無隔板 | ULPA-U16超低VOC |
|---|---|---|---|
| PM0.3濃度（pcs/L） | 0.85 | 0.32 | 0.08 |
| TVOC濃度（μg/m³） | 28.6 | 12.4 | 3.7 |
| 甲醛釋放率（μg/h·unit） | 1.8 | 0.6 | 0.1 |
| 更換周期（月） | 14 | 22 | 36 |
| 能耗（kW·h/年·unit） | 286 | 210 | 182 |
實驗地點：蘇州某新能源材料產業園；測試儀器：TSI AeroTrak 9000 + Agilent GC-MS
結果顯示，ULPA-U16在顆粒物截留效率和VOC控製方麵均顯著優於其他兩種類型，尤其在長期運行穩定性上表現突出。
六、國內外標準與認證體係
6.1 國際主流標準
| 標準編號 | 發布機構 | 核心內容 |
|---|---|---|
| EN 1822:2019 | 歐洲標準化委員會 | ULPA過濾器分級（U15-U17），MPPS測試方法 |
| IEST-RP-CC001.5 | 美國環境科學與技術學會 | 過濾器VOC釋放評估協議 |
| ASHRAE 52.2 | 美國采暖製冷協會 | 過濾器效率與阻力測試 |
| JIS Z 8122:2020 | 日本工業標準 | 潔淨室用過濾器性能要求 |
| ISO 29463 | 國際標準化組織 | 高效和超高效過濾器試驗方法 |
6.2 中國相關法規與標準
| 文件名稱 | 文號 | 關鍵條款 |
|---|---|---|
| 《潔淨廠房設計規範》 | GB 50073-2013 | 明確醫藥、電子類廠房需采用H13級以上過濾器 |
| 《大氣汙染物綜合排放標準》 | GB 16297-1996 | 規定VOC排放限值 |
| 《低揮發性有機化合物含量塗料產品技術要求》 | GB 38507-2020 | 推動全產業鏈低VOC化 |
| 《空氣過濾器》 | GB/T 13554-2020 | 更新H10~U17等級劃分，增加容塵量與耐火等級要求 |
| 《工業企業揮發性有機物排放控製標準》 | DB12/ 524-2020（天津） | 要求潔淨室設備自身VOC釋放納入總量控製體係 |
值得注意的是，2023年生態環境部發布的《重點行業揮發性有機物綜合治理方案》明確提出：“鼓勵使用低釋放型空氣過濾材料，推動潔淨室設備綠色升級”，標誌著政策層麵已開始關注“二次汙染”問題。
七、前沿研究進展與未來趨勢
7.1 智能化過濾器係統
目前已有企業開發出帶RFID芯片的智能ULPA過濾器，可記錄安裝時間、累計風量、壓差變化等數據，並通過物聯網平台實現遠程預警與壽命預測。例如，瑞典Camfil公司推出的SmartFilter™係統已在多家半導體工廠部署，故障響應時間縮短60%以上。
7.2 自清潔與抗菌功能拓展
基於光催化（TiO₂）與銀離子摻雜技術，部分實驗室已研製出具有自清潔能力的ULPA濾材。東京大學研究團隊（Sato et al., 2022）證實，在紫外光照下，此類濾材可在72小時內降解吸附的VOCs，同時抑製黴菌生長，適用於高濕環境下的塗布車間。
7.3 全生命周期碳足跡評估
隨著ESG理念普及，過濾器的碳足跡核算日益受到重視。清華大學環境學院的一項研究（Wang & Chen, 2023）指出，盡管ULPA過濾器初始製造能耗較高，但由於其壽命長、阻力低、更換頻率少，全生命周期碳排放反而比傳統H13過濾器低約29%。
八、選型建議與實施要點
8.1 選型決策矩陣
| 決策因素 | 推薦選項 | 理由說明 |
|---|---|---|
| 潔淨等級要求 | U15及以上 | 滿足ISO Class 5以下需求 |
| VOC敏感度 | ePTFE覆膜+食品級膠 | 杜絕矽油、增塑劑遷移 |
| 能效優先 | 低壓降設計（<180Pa） | 減少FFU風機功耗 |
| 維護便利性 | 模塊化快裝結構 | 支持不停機更換 |
| 成本控製 | H14無隔板 vs ULPA權衡 | 若非極端潔淨需求，可適度降配 |
8.2 安裝與運維注意事項
- 安裝前處理：新過濾器應在潔淨環境中靜置24小時以上，釋放運輸過程中吸附的汙染物；
- 密封檢查：使用發煙儀或粒子計數掃描法檢測邊框密封性，漏泄率應<0.01%；
- 定期檢測：每季度進行一次MPPS效率測試與VOC釋放抽檢；
- 報廢回收：建議由專業機構進行無害化處理，避免玻璃纖維揚塵汙染。
參考文獻
- Zhang, Y., Liu, X., & Wang, H. (2020). VOC emissions from HVAC filters under high humidity conditions. Building and Environment, 175, 106812.
- TÜV SÜD. (2020). Testing Protocol for VOC Emissions from Air Filter Media. Technical Report No. AIR-2020-045.
- Li, J., Zhao, M., et al. (2023). Impact of ultra-low VOC air filters on battery electrode quality in cleanrooms. Journal of Power Sources, 570, 232889.
- Sato, K., Tanaka, R., et al. (2022). Photocatalytic self-cleaning ULPA filter for cleanroom applications. Separation and Purification Technology, 284, 120231.
- Wang, L., & Chen, Q. (2023). Life cycle assessment of high-efficiency air filters in semiconductor manufacturing. Resources, Conservation & Recycling, 190, 106845.
- ASHRAE. (2021). HVAC Systems and Equipment Handbook. Chapter 17: Air Cleaning Devices.
- 國家市場監督管理總局. (2020). GB/T 13554-2020《空氣過濾器》. 北京: 中國標準出版社.
- 中國建築科學研究院. (2022). 《潔淨室用超低VOC空氣過濾器性能測評白皮書》.
- Camfil AB. (2023). Ultra-Low Emitting Filters for Critical Environments. Product Technical Datasheet FARR 99.
（全文約3,680字）
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