基于三葉形截面刺針的針刺工藝對PTFE濾料性能的影響

黃 魁 靳向煜 (東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)在不斷提高，使袋式除塵器的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，而對于作為袋式除塵器核心部件之一的濾料的性能也提出了更高的要求［1］。聚四氟乙烯(PTFE)過濾氈憑借其優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性、良好的過濾效率和清灰性能及較長的使用壽命，成為濾料研究的重要方向之一。然而，由于PTFE纖維具有靜電大、卷曲小、可紡性差的特點(diǎn)，增加了PTFE過濾氈針刺加固的技術(shù)難度。本文通過變化三葉形截面刺針的針刺工藝，研究分析了針刺工藝對濾料通透性能和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

PTFE纖維，長度51 mm，線密度3.2 dtex;

PTFE基布，面密度135 g/m2，經(jīng)密(Pj)79根/(5 cm)，緯密(Pw)54根/(5 cm)。

1.2 設(shè)備和儀器

FZZG-J1600型針刺機(jī)，YG141N 數(shù)字式織物厚度儀，YG141N數(shù)字式透氣量儀，PUMA孔徑測試儀，YG065H型電子織物強(qiáng)力儀和JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡。

本試驗(yàn)使用15×18×38×3.5 R222刺針，三葉形截面，第一個鉤刺與針尖間的距離為4.8 mm，相鄰鉤刺間距離為1.4 mm，共6個鉤刺。

1.3 PTFE針刺過濾氈的制備

將用PTFE纖維梳理而成的纖網(wǎng)鋪在PTFE基布的上下表面，形成“三明治”式結(jié)構(gòu)，送入針刺機(jī)，進(jìn)行針刺加固，制成PTFE針刺過濾氈。

1.4 性能測試

(1)厚度：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T60004—1991《非織造布厚度的測定》方法進(jìn)行。

(2)透氣率：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》方法進(jìn)行。

(3)孔徑：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T2679.14—1996《過濾紙和紙板最大孔徑的測定》方法進(jìn)行。

(4)孔隙率由以下公式計(jì)算得出：

式中：n——孔隙率(%);

m——面密度(g/m2);

ρ——原材料密度(g/m3);

δ——材料厚度(m)。

(5)斷裂強(qiáng)力及伸長率：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T60005—1991《非織造布斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長的測定》方法進(jìn)行。

1.5 試驗(yàn)方案與性能測試結(jié)果

本試驗(yàn)采用的表層PTFE纖網(wǎng)面密度為350 g/m2，纖維均呈縱向排列，針刺機(jī)輸出速度為1.67 m/min。試驗(yàn)通過改變針刺工藝參數(shù)中針刺深度和針刺密度來研究針刺工藝對PTFE針刺過濾氈的通透性和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)的工藝參數(shù)及其對針刺氈性能的影響見表1。

表1 針刺工藝參數(shù)及其對針刺氈性能的影響

調(diào)節(jié)針刺深度的目的是為了決定刺針刺入纖網(wǎng)的有效鉤刺數(shù)，即在針刺過程中有幾個鉤刺起帶纖維量的作用。由于針刺深度的調(diào)節(jié)是每次控制在進(jìn)退2 mm(每次進(jìn)或退2 mm可減少或增加1個起作用的刺鉤)［2］，根據(jù)非織造針刺加固理論，針刺深度必須控制大于3 mm，使得三葉棱邊上不同位置的倒鉤帶有足夠量的纖維參與纖維之間的機(jī)械纏結(jié)，達(dá)到針刺濾料強(qiáng)力的要求，故本試驗(yàn)采用6、8和10 mm三檔針刺深度的設(shè)計(jì)方案。針刺密度的變化主要通過改變針刺的道數(shù)來實(shí)現(xiàn)，本試驗(yàn)分為780、1 040和1 300刺/cm2三檔。

2 結(jié)果與分析

2.1 針刺工藝對濾料體積密度的影響

濾料的體積密度是指濾料的質(zhì)量與表觀體積的比值，直接影響材料的通透性和力學(xué)性能［3］。材料的通透性能不僅與單纖維的性能有關(guān)，更重要的是與纖維集合體的堆砌緊密程度有關(guān)，即與纖維集合體中的纖維與孔隙所占的體積有關(guān)。當(dāng)材料體積密度較小時，材料的孔隙率就大，用作過濾用材料內(nèi)部的容塵量就高，過濾性能相應(yīng)提高;隨著材料體積密度的不斷增大，纖維的堆砌就會越來越緊密，材料的孔隙率變小，材料的容塵量也隨之變小，同時氣體流動的阻力增加，因而降低了材料的過濾性能［4］。由圖1可知，隨著針刺密度和針刺深度的增加，PTFE針刺過濾氈的體積密度隨之增加。這是由于隨著針刺深度和針刺密度的增加，纖網(wǎng)受到更多的刺針的作用，更多的纖維被帶進(jìn)纖網(wǎng)中，纖維的摩擦糾纏加強(qiáng)，纖維之間的纏結(jié)更加緊密，過濾氈的結(jié)構(gòu)也更加緊密，厚度減小，面密度增大，所以材料的體積密度也隨之增加［5］。但是，當(dāng)針刺深度為10 mm時，針刺密度從1 040刺/cm2增加到1 300刺/cm2，材料的體積密度趨向平穩(wěn)。造成這一現(xiàn)象的原因是由于過濾氈的緊密度不再隨著針刺密度的提高而增加，纖網(wǎng)中纖維之間的糾纏束縛使得纖維不再隨著刺針的作用而滑動，但三葉形截面刺針仍帶著大量纖維沿纖網(wǎng)厚度方向深入，造成部分纖維被拉伸斷裂或被三葉形截面上的倒鉤剪切斷裂和損傷，使纖維之間的孔隙略有增加，故過濾氈的體積密度趨向平穩(wěn)。

圖1 針刺工藝對PTFE過濾氈體積密度的影響

2.2 針刺工藝對濾料透氣率、孔隙率和孔徑的影響

針刺過濾氈的過濾性能主要是由材料的孔隙結(jié)構(gòu)決定的，而孔隙結(jié)構(gòu)主要包括孔徑的大小與分布，以及孔隙率。在針刺非織造材料中，孔徑的大小與纖維纏結(jié)的程度有關(guān)，而孔隙率則反映濾料的容塵量，間接反映材料的過濾性能，一般孔徑小而孔隙率大的濾料能夠具有更佳的過濾性能。透氣性以單位時間通過單位面積的氣體體積來表征，一般透氣率受孔徑和孔隙率的共同影響，隨兩者的增加而增加［6］。由圖2和圖3可知，在6和8 mm針刺深度時，過濾氈的透氣率和孔隙率都隨著針刺密度的增加而減小;在10 mm針刺深度時，隨著針刺密度的增加，過濾氈的透氣性和孔隙率先減少后增大。由圖4可知，平均孔徑的大小隨著針刺密度的增加大體上是先減少后增加。Ji等人［7］曾研究得出，濾料的平均孔徑會隨著針刺密度的增加，先減小而后再增大，在某一個針刺密度時濾料會達(dá)到最佳的過濾性能。

圖2 針刺工藝對PTFE過濾氈透氣率的影響

圖3 針刺工藝對PTFE過濾氈孔隙率的影響

圖4 針刺工藝對PTFE過濾氈孔徑的影響

2.3 針刺工藝對濾料力學(xué)性能的影響

根據(jù)針刺加固理論，針刺過濾氈的強(qiáng)力主要由三部分提供：基布強(qiáng)力、纖維之間的抱合力以及纖維和基布之間糾纏抱合產(chǎn)生的強(qiáng)力［8］。由于PTFE纖維表面光滑，膜裂PTFE基布長絲與PTFE纖網(wǎng)纖維相互之間的抱合力差，因此PTFE針刺過濾氈的強(qiáng)力基本上是基布強(qiáng)力和纖維層強(qiáng)力之和。由圖5和圖6對比可知，PTFE針刺氈的強(qiáng)力大于PTFE基布的強(qiáng)力，且基布基本上提供了過濾氈80%以上的強(qiáng)力。這是因?yàn)镻TFE纖維表面爽滑，纖維的抱合力差，纖維層提供的強(qiáng)力較低。

圖5 針刺工藝對PTFE過濾氈強(qiáng)力的影響

圖6 針刺工藝對PTFE基布強(qiáng)力的影響

在針刺過程中，針刺密度和針刺深度對于保持基布強(qiáng)力很重要，所以本試驗(yàn)通過剝離纖維層的方法進(jìn)一步研究了針刺工藝與PTFE基布強(qiáng)力的關(guān)系。由圖5可知：在針刺深度為6和8 mm時，過濾氈的縱橫向強(qiáng)力隨著針刺密度的增加，先增加后減小;在10 mm針刺深度時，過濾氈的縱橫向強(qiáng)力隨針刺密度增加而減小。這是因?yàn)樵卺槾躺疃葹?和8 mm時，刺針作用在基布上的鉤齒數(shù)較少，主要是增加了纖維之間的抱合和纖維與基布的纏結(jié)，對基布的損傷較少，因此過濾氈的強(qiáng)力隨著針刺密度的增加總體表現(xiàn)為增加，當(dāng)針刺密度達(dá)到一定程度時，鉤刺對基布的作用次數(shù)增多，對基布的損傷變大，過濾氈的強(qiáng)力也隨之減小。而當(dāng)針刺深度為10 mm時，由于作用在基布上的鉤刺過多，基布損傷的程度明顯大于纖維層纏結(jié)的程度，使得針刺氈的強(qiáng)力呈下降趨勢。

2.4 刺針對PTFE基布的損傷

圖7和圖8分別是針刺后基布的表觀形態(tài)和PTFE長絲受損狀況的掃描電鏡照片。

圖7 針刺后PTFE基布的表觀形態(tài)

圖8 針刺后PTFE基布中長絲的受損狀況

從圖7和圖8可以觀察到，經(jīng)過針刺作用后PTFE基布中大部分PTFE長絲都有縱向分裂，呈分叉彎曲狀，一部分長絲的邊緣部分被橫向切斷，在加固過程中經(jīng)緯向長絲的交叉處產(chǎn)生擠壓分裂。這說明PTFE基布的損傷主要是在針刺加固過程中刺針對PTFE長絲的損傷造成的。由圖8可知，PTFE長絲的損傷主要發(fā)生在縱向的分裂上。這是由于PTFE長絲縱向呈扁平狀，當(dāng)刺針高頻往復(fù)作用于長絲時，針尖和鉤刺尖作用于長絲表面，隨著拉伸距離的增大，易刺穿而非割斷長絲，造成長絲縱向分裂。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)主要研究了針刺深度和針刺密度對于PTFE濾料的通透性能和力學(xué)性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1)隨著針刺深度和針刺密度的增加，PTFE過濾氈的體積密度隨之增加。

(2)隨著針刺深度的增加，透氣率、孔隙率和平均孔徑都呈減少趨勢;而隨著針刺密度的增加，透氣率、孔隙率和平均孔徑先減少后增大。這說明改變針刺密度和針刺深度的工藝參數(shù)能夠使PTFE針刺過濾氈獲得一個最佳的過濾性能。

(3)在針刺深度為6和8 mm時，過濾氈的縱橫向強(qiáng)力都是隨著針刺密度的增加先增加后降低;在針刺深度為10 mm時，針刺氈的縱橫向強(qiáng)力降低。

(4)基布提供了針刺過濾氈80%以上的強(qiáng)力，且基布強(qiáng)力隨著針刺深度和針刺密度的增加而降低，其中以針刺深度對基布的強(qiáng)力損傷影響更大。PTFE基布的損傷主要表現(xiàn)在PTFE長絲的縱向分裂。

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