PI纖維/PTFE基布復(fù)合水刺耐高溫濾料的制備工藝與性能研究

(東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

我國經(jīng)濟(jì)的增長推動了水泥、鋼鐵、電力等工業(yè)的發(fā)展，但也給環(huán)境帶來了巨大的負(fù)擔(dān)［1］。開發(fā)應(yīng)用高性能濾料，尤其是適合于上述工業(yè)生產(chǎn)工況作業(yè)的耐高溫濾料，是緩解環(huán)境壓力的重要措施。利用濾料制成的過濾元件捕集含塵氣體中固體顆粒物，可有效凈化空氣。隨著國家對煙塵的粉塵排放濃度控制要求的提高，耐高溫濾料的應(yīng)用領(lǐng)域必將進(jìn)一步擴(kuò)大［2］。

國內(nèi)外高性能材料發(fā)展迅猛，目前在耐高溫濾料中應(yīng)用的耐高溫纖維有芳綸、聚苯硫醚(PPS)纖維、聚酰亞胺(PI)纖維、聚四氟乙烯(PTFE)纖維和玻纖等，這些纖維各具優(yōu)缺點(diǎn)。在比較了常用耐高溫纖維及濾料的性能后，本課題選用PI和PTFE為原料，研制了PI纖維/PTFE基布復(fù)合水刺氈濾料。該濾料系采用2層PI纖網(wǎng)與PTFE基布按“三明治”形式水刺加固而成，結(jié)合了兩種纖維的特性，使濾料的優(yōu)勢達(dá)最大化。

1 耐高溫濾料過濾性能的影響因素分析

1.1 纖維原料

不同纖維原料對濾料的過濾性能有直接的影響。例如:直徑較細(xì)的纖維形成的濾料微孔尺寸小，可以提高濾料的過濾精度［3］;三葉形或四葉形纖維的凹槽可以捕捉更多的顆粒，由其制成的濾料過濾效率比用圓形或兩葉形纖維制成的濾料更好;由卷曲纖維制成的濾料比用非卷曲纖維制成的濾料具有更高的過濾效率，同時可以減少過濾阻力［3］。

相同線密度的PI纖維與PPS纖維相比，表面積約大65%，其制成的濾料過濾精度高［3］。

本課題選用的PI纖維線密度為2.39 dtex，且具有均勻的長度。圖1是在顯微鏡下觀察到的PI纖維截面和表面形態(tài)，三葉形的截面可大大提高過濾效率。PI纖維的卷曲度為4.47%，有利于水刺加固，可使纖維得到有效的纏結(jié)，保證材料的纏結(jié)性能和表面均勻性，從而使材料的孔隙率高，孔徑分布均勻。

圖1 PI纖維形態(tài)

表1是用于煙氣過濾濾料的纖維原料性能［4］。由表1可知，PI纖維具有較好的穩(wěn)定性能和耐高溫性能;作為增強(qiáng)材料的PTFE長絲基布，耐高溫性好，且能彌補(bǔ)PI纖維不耐堿的劣勢。PI纖維/PTFE基布復(fù)合水刺濾料中PI纖維表層密實(shí)，粉塵難以進(jìn)入氈的內(nèi)部，有利于過濾和清灰［5］;同時，PI纖維層可保護(hù)PTFE基布，提高濾料的耐磨性，使用壽命長。

表1 用于煙氣過濾濾料的纖維原料性能

1.2 濾料加固方式

在水刺工藝中，纖維總是在水力的作用下順著水流方向發(fā)生位移，在材料中呈三維交錯隨機(jī)排列。水刺的柔性纏結(jié)復(fù)合技術(shù)有效地減少了普通針刺工藝中帶鉤的鋼針對基布長絲的損傷，保持纖維形態(tài)完整，可提高材料的強(qiáng)度，并保證有效阻止塵粒。吳麗麗［3］對原料相同、規(guī)格相同的水刺和針刺濾料孔徑分布進(jìn)行了測試。結(jié)果表明:水刺耐高溫濾料孔徑集中分布在50 μm以下，微小孔徑較多;而針刺濾料的孔徑分布較分散，微小孔徑較少。這一結(jié)果說明，水刺耐高溫材料在最初過濾時對細(xì)小顆粒具有較好的阻擋性，過濾性能較優(yōu)。

3.3 濾料結(jié)構(gòu)特性

在非織造濾料中，過濾性能與材料的厚度有很大關(guān)系，而濾料的厚度與其面密度及緊度之間有一定的關(guān)系。保持緊度基本不變，增加濾料的厚度，濾餅過濾通道減少，透氣度降低，流體阻力增大，其平均孔徑基本沒有變化，而最大孔徑有所減小。在保證過濾精度和材料強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減小濾料的厚度［3］。

2 試驗(yàn)部分

2.1 原料

PI纖維，長 57.4 mm，線密度 2.39 dtex，橫截面呈不規(guī)則的葉片狀;

膜裂 PTFE基布，面密度 120 g/m2，經(jīng)密184根/(10 cm)，緯密136根/(10 cm)。

2.2 樣品制備

2.2.1 梳理成網(wǎng)

采用AS181A梳棉試樣機(jī)進(jìn)行梳理成網(wǎng)。復(fù)合纖網(wǎng)由上下兩層PI纖網(wǎng)與一層PTFE基布組成。上、下層PI纖網(wǎng)的面密度均為150 g/m2，PTFE基布的面密度為120 g/m2，復(fù)合纖網(wǎng)的設(shè)計(jì)面密度為420 g/m2。

2.2.2 水刺

采用德國水刺試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行水刺加工。水刺加固部分噴水板的孔密度為 16個/cm，孔徑為0.12 mm。由于較快的輸網(wǎng)速度不利于高面密度、高密度纖網(wǎng)的水刺加固，因而本課題底簾速度采用2 m/min。

本課題主要是研究水刺道數(shù)和水刺壓力與產(chǎn)品力學(xué)及過濾性能的關(guān)系，從而選擇合理的水刺工藝來生產(chǎn)PI纖維/PTFE基布復(fù)合濾料。各試樣采用的水刺工藝參數(shù)見表2。試樣1～試樣4是研究水刺道數(shù)對產(chǎn)品性能的影響，試樣5～試樣8是研究水刺壓力對產(chǎn)品性能的影響。

表2 水刺工藝參數(shù)

2.3 產(chǎn)品性能測試

面密度測定參照標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 6003—1991，測試儀器為FA2004A電子天平;厚度測定參照標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 6004—1991，測試儀器為YG141N數(shù)字式織物厚度儀;縱橫向強(qiáng)力測定參照標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 6005—1991，測試儀器為HD026N+織物強(qiáng)力儀;透氣性測定參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5453—1997，測試儀器為YG461E數(shù)字式透氣量儀;試樣孔徑大小及分布測定參照標(biāo)準(zhǔn) ISO 4003—1977，測試儀器為 CFP-1100-AI孔徑儀。

纏結(jié)系數(shù)反映纖維纏結(jié)性，數(shù)值由(橫向強(qiáng)力+縱向強(qiáng)力)/面密度計(jì)算而得。

水刺能量是指每千克纖網(wǎng)受到的高壓水針穿刺所耗用的能量，不包括本身的能量損失，計(jì)算公式［6］如下;

式中:Em——材料接受水注射總能量(kW·h/kg);

Pi——第 i只水刺頭水壓(105Pa);

Vi——第i只水刺頭水針?biāo)俣?m/min);

Ai——第i只水刺頭噴水孔面積(m2);

v——輸送簾的纖網(wǎng)速度(m/min);

m——水刺后纖網(wǎng)面密度(g/m2);

WB——纖網(wǎng)寬度(m)。

孔隙率是指孔隙體積與總體積的比值，計(jì)算公式［7］如下:

式中:n——孔隙率(%);

ρ——原材料密度(g/m3);

δ——材料厚度(m)。

3 結(jié)果與討論

3.1 水刺道數(shù)與產(chǎn)品基本性能的關(guān)系

3.1.1 面密度和厚度

由表3可見，隨著水刺道數(shù)的增加，產(chǎn)品的面密度下降，而厚度變化不大，略有波動。

表3 水刺道數(shù)與面密度和厚度的關(guān)系

高壓水針對纖網(wǎng)沖擊會使纖維脫落，隨著水刺道數(shù)的增加，纖維受到作用力的次數(shù)增加，纖維脫落概率增加，產(chǎn)品面密度下降;但達(dá)到一定水刺道數(shù)后，纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)緊密，纖維與纖維的纏結(jié)增加，脫落機(jī)會減少，從而使產(chǎn)品面密度下降趨勢變緩。在經(jīng)過前面幾道水刺后，纖網(wǎng)已具有一定的緊密性，而多道水刺對纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)略有破壞，會使纖網(wǎng)回彈，因此產(chǎn)品厚度稍有波動。

3.1.2 縱橫向拉伸強(qiáng)力

圖2示出了水刺道數(shù)對產(chǎn)品縱橫向強(qiáng)力的影響。隨著水刺道數(shù)增加，纖維間以及纖維與基布的纏結(jié)增多，樣品縱向強(qiáng)力增加;而6道和7道水刺的樣品橫向強(qiáng)力略有下降，這是因?yàn)樗痰罃?shù)過多破壞了橫向纖維間的纏結(jié)，致使結(jié)構(gòu)不勻而強(qiáng)力下降。每塊樣品的PI纖網(wǎng)層中纖維都沿縱向平行排列，且與PTFE基布縱向重合，PTFE基布縱向強(qiáng)力大于橫向，故而材料的縱向強(qiáng)力明顯大于橫向強(qiáng)力。試驗(yàn)表明，當(dāng)水刺壓力為20 MPa時，增加水刺道數(shù)，產(chǎn)品的強(qiáng)力呈增大趨勢，但水刺道數(shù)過多會降低材料強(qiáng)力，也會使能量損耗增加。因此，有必要選擇合適的水刺道數(shù)。

圖2 水刺道數(shù)對產(chǎn)品縱橫向強(qiáng)力的影響

3.1.3 水刺能量與產(chǎn)品纏結(jié)系數(shù)的關(guān)系

水刺非織造材料中纖維的纏結(jié)效果以及材料的性能和表觀狀態(tài)都與纖網(wǎng)接受的水刺能量有關(guān)。

在水刺壓力不變的情況下，增加水刺道數(shù)，水刺能量也將提高。圖3示出的產(chǎn)品纏結(jié)系數(shù)與水刺能量的關(guān)系中，并沒有呈現(xiàn)水刺能量隨著水刺道數(shù)的增加而遞增的規(guī)律。本試驗(yàn)中，部分纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)在進(jìn)行第6道水刺時被水刺能量破壞，纖維間纏結(jié)系數(shù)下降;而第7道水刺是在第6道水刺的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，對纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)也存在一定的破壞，但第7道水刺進(jìn)一步帶動了纖維的位移、穿插以及相互纏結(jié)抱合，其產(chǎn)品纏結(jié)系數(shù)比6道水刺產(chǎn)品高，厚度也比6道水刺產(chǎn)品小(見表3)。圖3顯示，7道水刺產(chǎn)品與5道水刺產(chǎn)品相比，其纏結(jié)系數(shù)提高幅度不大，但水刺能量消耗增加很多。從成效與能耗角度綜合考慮，應(yīng)優(yōu)先選用5道主水刺工藝。

圖3 不同水刺道數(shù)時產(chǎn)品纏結(jié)系數(shù)與水刺能量的關(guān)系

3.2 水刺道數(shù)與產(chǎn)品過濾性能的關(guān)系

水刺非織造材料的透氣性主要取決于材料中纖維間孔隙的大小、數(shù)量以及纖維纏結(jié)狀況。

隨著產(chǎn)品纏結(jié)系數(shù)的增大，纖維間的纏結(jié)越來越緊密，孔隙越來越小，空氣透過的阻力變得越來越大，故透氣性越來越差［8］。但是，從表4中1號～4號試樣的纏結(jié)系數(shù)和透氣量數(shù)據(jù)來看，并沒有遵循上述規(guī)律，而是纏結(jié)系數(shù)較高的產(chǎn)品透氣量也較大，其原因可能是纏結(jié)系數(shù)高的產(chǎn)品纏結(jié)比較均勻，材料表面性能一致性高，透氣阻力也均勻，故透氣性好。本課題中2號樣品的透氣性最好，其纏結(jié)系數(shù)也較高(見圖3)，因此認(rèn)為2號樣品的水刺道數(shù)最為合適，即宜采用5道主水刺工藝。

表4 不同水刺道數(shù)產(chǎn)品的過濾性能

3.3 水刺壓力與產(chǎn)品基本性能的關(guān)系

3.3.1 面密度和厚度

由表5可見:隨著水刺壓力的增加，產(chǎn)品的面密度降低，這是因?yàn)樵谒槢_擊纖網(wǎng)時，隨著水刺壓力的增加，纖維受到的作用力增大，脫落概率增加;同時，纖網(wǎng)中纖維受水流的雙重作用發(fā)生位移、穿插和纏結(jié)，纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐漸緊密，厚度減小;當(dāng)水刺壓力達(dá)20和22 MPa時，水刺能量不能完全被纖網(wǎng)吸收，纖網(wǎng)厚度減小趨勢不明顯。

表5 水刺壓力與面密度和厚度的關(guān)系

3.3.2 縱橫向拉伸強(qiáng)力

圖4示出了水刺壓力對產(chǎn)品縱橫向強(qiáng)力的影響。隨著水刺壓力增加，材料縱向強(qiáng)度先增加后減小，橫向強(qiáng)度則高低波動。過大的水刺壓力會破壞纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，纖維纏結(jié)緊密度下降，也會損傷單纖維或基布，因此在20和22 MPa水刺壓力下產(chǎn)品的縱橫向強(qiáng)力下降，也會消耗過多的能量。因此，有必要選擇合適的水刺壓力。

圖4 水刺壓力對產(chǎn)品縱橫向強(qiáng)力的影響

3.3.3 水刺能量與纏結(jié)系數(shù)的關(guān)系

圖5顯示，隨著水刺壓力的增加，水刺能量也增大，而產(chǎn)品的纏結(jié)系數(shù)是先增大后減小。試驗(yàn)表明:在一個合理的水刺道數(shù)下，水刺壓力增加，纖維間的有效纏結(jié)也增加，產(chǎn)品強(qiáng)力增大;但當(dāng)水刺壓力超過了一定值時，每一道水刺的水針對纖網(wǎng)作用力過大，纖網(wǎng)無法完全吸收水刺能量，導(dǎo)致纖維分布不均勻，部分纖維或集聚緊密或比較分散，纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)遭到破壞，纖維間有效纏結(jié)減少，材料纏結(jié)系數(shù)下降。本課題從能耗方面考慮，認(rèn)為選用18 MPa水刺壓力是較為適宜的工藝條件。

圖5 不同水刺壓力時纏結(jié)系數(shù)與水刺能量的關(guān)系

3.4 水刺壓力與產(chǎn)品過濾性能的關(guān)系

從表6中5號～8號試樣的數(shù)據(jù)來看，遵循了纏結(jié)系數(shù)越小，透氣量越高的規(guī)律［8］。隨著水刺壓力增加，產(chǎn)品的孔徑、孔隙率和透氣量先降低再變大。這是因?yàn)樵黾铀虊毫墒估w維纏結(jié)緊密，材料厚度降低而密度提高，纖網(wǎng)的孔隙大小及孔徑分布范圍變小，透氣量也隨之減小;但是當(dāng)水刺壓力超過20 MPa時，水刺能量過大，破壞了纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致部分纖維集聚緊密，而另一部分纖維比較分散，不均勻的結(jié)構(gòu)會使透氣量變大。結(jié)合對材料強(qiáng)力的要求，綜合考慮產(chǎn)品纏結(jié)系數(shù)和透氣性效果，本課題認(rèn)為6號樣品的水刺壓力最為適宜，即宜采用18 MPa水刺壓力。

表6 不同水刺壓力時產(chǎn)品的過濾性能

3.5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

圖6是PI纖維/PTFE基布復(fù)合水刺濾料的電鏡照片。由圖6(a)可見材料表面纖維間密集纏結(jié)在一起，而在圖6(b)中可見表面有縱向溝槽的纖維為PI纖維，扁平狀的纖維為PTFE長絲，纖維間以及纖維與基布長絲間有效纏結(jié)，能保證材料的強(qiáng)力。從1號～8號試樣測試數(shù)據(jù)可以看出，具有較優(yōu)性能的材料其厚度都較小，也印證了“在保證過濾精度和材料強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減小濾料的厚度［3］”的理論。

圖6 PI纖維/PTFE基布復(fù)合水刺濾料的電鏡照片

4 結(jié)論

(1)采用耐高溫性能優(yōu)異的PI纖維與PTFE長絲基布水刺復(fù)合，可使兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)，控制材料的厚度，能制得具有優(yōu)異過濾精度的耐高溫濾料。

(2)在采用5道主水刺，第2道～第4道水刺壓力控制為18 MPa的工藝條件下，可以制得力學(xué)性能較優(yōu)、過濾性能好的PI纖維/PTFE基布復(fù)合水刺耐高溫濾料，且能耗較低。

［1］ 高啟芳，郭曉燕，薛芳.淺談大氣污染及防治措施［J］.安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2008(14):82-83.

［2］ 嚴(yán)長勇，沈恒根.袋式除塵器在我國的發(fā)展及其在燃煤電廠中的應(yīng)用［J］.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2005(5):34-36.

［3］ 吳麗麗.水刺耐高溫過濾材料的關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)品性能研究［D］.上海:東華大學(xué)，2010.

［4］ KUMAR.V，張威，艾慶文.紡織品過濾材料及其應(yīng)用［J］.國外紡織技術(shù)，2004(1):34-40.

［5］ 晏榮華，章勤華.新型復(fù)合過濾材料——P84/Glas［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2006，24(3):33.

［6］ 柯勤飛，靳向煜.非織造學(xué)［M］.2版.上海:東華大學(xué)出版社，2010.

［7］ 《土工合成材料工程應(yīng)用手冊》編寫委員會.土工合成材料工程應(yīng)用手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1994.

［8］ 楊旭紅，李棟高.非織造材料孔隙結(jié)構(gòu)的定量表述［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2005，23(1):11-15.