針刺非織造布過(guò)濾性能的研究

【摘 要】對(duì)針刺非織造布過(guò)濾性能的研究的分析，闡述了針刺非織造布的不同材質(zhì)、不同后整理方法對(duì)過(guò)濾效果的影響。不同材質(zhì)主要研究分別由PP纖維、PET纖維、亞克力纖維、芳綸纖維、PPS纖維、P84纖維和PTFE纖維構(gòu)成的針刺過(guò)濾氈的相關(guān)性能，過(guò)濾氈的力學(xué)性能越好，濾袋在袋式除塵系統(tǒng)中所使用的壽命越長(zhǎng)，浸漬、覆膜和拒油水對(duì)過(guò)濾氈的力學(xué)性能無(wú)很大影響，但是PTFE覆膜對(duì)過(guò)濾氈的透氣性能有很大的影響，對(duì)針刺非織造布過(guò)濾性能的研究對(duì)企業(yè)的發(fā)展是很有必要的。

【關(guān)鍵詞】針刺非織造布；過(guò)濾性能研究；透氣性能；過(guò)濾氈；覆膜

1、針刺非織造過(guò)濾材料的市場(chǎng)需求

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，污染問(wèn)題也隨之而來(lái)，全球氣候異常。大氣污染加重，粉塵是造成空氣污染的主要污染物之一。高能耗、高污染產(chǎn)生大量的PM10 的超微細(xì)粉塵可長(zhǎng)期在空氣中漂浮，影響大氣質(zhì)量和能見(jiàn)度，特別是PM2.5粉塵以氣溶膠形式存在大氣中。在水泥、鋼鐵、燃煤電廠等高污染行業(yè)的煙氣排放治理將會(huì)用到大量的針刺過(guò)濾材料，因此，對(duì)針刺過(guò)濾材料的性能研究很有必要。

2、針刺過(guò)濾材料的特點(diǎn)

針刺非織造布是將由梳理機(jī)梳理出纖網(wǎng)用帶有棱邊的刺針穿透使纖網(wǎng)纖維之間相互抱和纏繞，使得纖網(wǎng)表面平整、擁有一定的強(qiáng)力，在很多方面是傳統(tǒng)機(jī)織過(guò)濾材料所無(wú)法比擬的。針刺過(guò)濾材料的特點(diǎn)如下：

（1）材料中纖維呈三維雜亂分布[1]，煙塵在通過(guò)纖維的曲徑系統(tǒng)時(shí)分散效應(yīng)加強(qiáng)，粉塵粒子有更多的機(jī)會(huì)與單纖維碰撞并粘附；

（2）針刺過(guò)濾氈的的孔隙率可高達(dá)70%-80%，使得過(guò)濾設(shè)備的運(yùn)行壓力減小，減小風(fēng)機(jī)能耗；從過(guò)濾機(jī)理上分析，初期非織造過(guò)濾氈的過(guò)濾機(jī)理以提過(guò)濾為主，隨著表面粉塵層的建立，逐漸向面過(guò)濾過(guò)渡；

（3）由于針刺工藝靈活多樣，在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過(guò)設(shè)定針刺頻率、針刺密度及鋪網(wǎng)層數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)；

（4）針刺非織造布的原材料來(lái)源廣泛，產(chǎn)品可以滿足不同的工況需求；

（5）針刺非織造布的后整理工藝種類繁多，可以使產(chǎn)品具備不同的功能。

3、工藝流程

針刺非織造過(guò)濾材料的工藝與傳統(tǒng)的紡織工藝相比比較簡(jiǎn)單，其流程如下：抓包開(kāi)松→纖維混合→梳理成網(wǎng)→鋪網(wǎng)→（加入基布）→預(yù)刺→主刺→（修面針刺）→后整理→成卷包裝，其中用作濾袋的針刺過(guò)濾氈通常需要進(jìn)行熱定型、軋光、燒毛等后整理。

4、實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)用試樣生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備為德國(guó)DILO針刺生產(chǎn)線，該設(shè)備采用雙錫林雙道夫梳理機(jī)并配有兩臺(tái)抓包機(jī)和一臺(tái)大倉(cāng)混棉機(jī)，采用雙錫林雙道夫梳理機(jī)能夠較好的保證纖網(wǎng)的表面均勻度，并通過(guò)在線稱重設(shè)備有效的控制纖網(wǎng)的克重。鋪網(wǎng)設(shè)備為臥式交叉鋪網(wǎng)機(jī)，可根據(jù)需要設(shè)置鋪網(wǎng)層數(shù)。

針刺非織造布的后整理基礎(chǔ)加工主要有熱定型，燒毛，軋光。而常用的功能性后整理有浸漬、表面涂膜和拒油水等幾種方法，其中熱定型可以采用蒸汽、電熱和遠(yuǎn)紅外線輻射的方法對(duì)非織造濾料進(jìn)行熱定型，在適當(dāng)?shù)睦煜聦V料加熱到一定的溫度，然后很快冷卻，可以改善分子的整齊度和分子結(jié)構(gòu)緊密不勻等缺點(diǎn)；同時(shí)可以消除在加工過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和產(chǎn)生的皺折，以提高在使用過(guò)程中的尺寸穩(wěn)定性，與表面的挺括平整以及增加緊密度，提高強(qiáng)力，提高濾塵效率與清灰的性能[2]。本文主要考察不同材質(zhì)、不同后整理方法對(duì)過(guò)濾效果的影響。不同材質(zhì)主要研究分別由PP纖維、PET纖維、亞克力纖維、芳綸纖維、PPS纖維、P84纖維和PTFE纖維構(gòu)成的針刺過(guò)濾氈的相關(guān)性能；不同后整理方法對(duì)過(guò)濾效果的影響主要研究目前在過(guò)濾材料中常用的PTFE乳液浸漬、覆膜和拒油水后整理對(duì)過(guò)濾氈過(guò)濾性能的影響。

實(shí)驗(yàn)采取單一因素控制的原則對(duì)相同的后整理方法和不同材質(zhì)的過(guò)濾氈和相同材質(zhì)不同后整理的過(guò)濾氈進(jìn)行力學(xué)性能、克重、厚度和透氣量檢測(cè)，旨在找出不同原材料和不同后整理方法對(duì)過(guò)濾效率的影響。

4.1 實(shí)驗(yàn)用過(guò)濾材料樣品

100%聚丙烯纖維過(guò)濾氈，克重為500g/m2，100%滌綸纖維過(guò)濾氈，克重為500g/m2；亞克力纖維過(guò)濾氈，克重為500g/m2；芳綸纖維過(guò)濾氈，克重為500g/m2；PPS纖維過(guò)濾氈，克重為500g/m2；PTFE纖維過(guò)濾氈，克重為500g/m2。

4.2 檢測(cè)儀器

FA2004B電子天平，YG141織物厚度儀，YG461織物透氣量檢測(cè)儀，YG026HB織物強(qiáng)力測(cè)試器

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 不同原材料過(guò)濾氈性能測(cè)試

5.1.1不同原材料過(guò)濾氈的力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)用各種纖維的過(guò)濾氈試樣克重均為500g/m2，在每塊試樣縱橫向上各取20cm×5cm的條狀試驗(yàn)樣品，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為YG026HB織物強(qiáng)力測(cè)試器，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如下：

從這些數(shù)據(jù)可以看出，PTFE纖維所構(gòu)成的過(guò)濾氈的力學(xué)性能的抗拉強(qiáng)度較差，斷裂伸長(zhǎng)一般可以滿足袋式除塵器的一般要求，其中PPS纖維過(guò)濾氈的強(qiáng)力較高，可以達(dá)到1880N，說(shuō)明PPS纖維過(guò)濾氈能夠承受較強(qiáng)的拉伸應(yīng)力，可以用在工況十分惡劣，粉塵含量比較大的環(huán)境下；在袋式除塵器中用到的濾袋是需要在濾袋中套用一個(gè)起支撐作用的龍骨，濾袋與龍骨之間會(huì)有一定的作用力，過(guò)濾氈的力學(xué)性能越好，那么濾袋的使用壽命就會(huì)越長(zhǎng)。一般情況下，過(guò)濾氈的斷裂強(qiáng)力越大其斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)越小，但是以上各種纖維過(guò)濾氈中卻出現(xiàn)了斷裂強(qiáng)力越大斷裂伸長(zhǎng)率越大的現(xiàn)象，是由于在過(guò)濾氈中加入基布的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)所用的基布為劍桿織機(jī)生產(chǎn)，每種纖維過(guò)濾氈使用相同纖維原料的基布。

5.1.2 不同原材料過(guò)濾氈克重與厚度的關(guān)系

本次實(shí)驗(yàn)用的試樣為保證單一因素控制原則均都采用相同針刺工藝（包括相同的針刺頻率、針刺深度、針刺動(dòng)程等）制成，試驗(yàn)用的設(shè)備為YG141織物厚度儀，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表2：

從上表的數(shù)據(jù)和直方圖可以看出，同是克重為500g的過(guò)濾氈，PTFE纖維過(guò)濾氈的厚度最薄，那是因?yàn)镻TFE單纖密度較大，可以達(dá)到2.2g/cm3，而其它的單纖維密度很低，例如PPS和P84單纖維的密度為1.36g/cm3和1.41g/cm3[3]。眾所周知，隨著過(guò)濾氈的厚度增加，那么它的體過(guò)濾效果就會(huì)越好；但是隨著過(guò)濾氈厚度的增加其透氣性能將會(huì)減弱，設(shè)備的運(yùn)行阻力就會(huì)增加，風(fēng)機(jī)的能耗就會(huì)增加。因此，需要根據(jù)實(shí)際的工況來(lái)選擇過(guò)濾材料的厚度。

5.1.3 不同原材料過(guò)濾氈的透氣性

該實(shí)驗(yàn)采用相同針刺工藝、相同厚度不同纖維原料的過(guò)濾氈進(jìn)行透氣性能測(cè)試，測(cè)試所用的實(shí)驗(yàn)儀器為YG461織物透氣量測(cè)量?jī)x，實(shí)驗(yàn)用織物的面積為100dm2，織物的上下表面所加的空氣壓差為200pa，每塊試樣進(jìn)行上下兩面兩次測(cè)試，所得數(shù)據(jù)取上下兩面兩次測(cè)試結(jié)果的平均值。所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

非織造針刺過(guò)濾氈的透氣量與纖維氈的孔隙量和孔隙大小有關(guān)?？紫读吭酱?，孔隙越大，過(guò)濾氈的透氣量越大。從上表的數(shù)據(jù)可以看出，PTFE纖維的透氣量較小，說(shuō)明由PTFE纖維構(gòu)成的過(guò)濾氈的孔隙孔徑比較小，這是由于PTFE纖維的截面形狀與其它纖維的截面明顯不同，PTFE纖維的截面呈現(xiàn)扁平狀且表面不光滑，會(huì)使得過(guò)濾氈的孔徑變小能夠增加纖維對(duì)于粉塵的攔截效果但是同時(shí)也會(huì)增加除塵設(shè)備的運(yùn)行阻力。一般針刺過(guò)濾材料的透氣率與孔隙率成正比，但是過(guò)濾效率與過(guò)濾材料的孔隙率成反比。因?yàn)榭紫堵试礁?，過(guò)濾氈的微孔較多，較多的微孔為含塵氣流提供了通道。過(guò)濾材料的孔徑大，不能有效地截留氣流中的顆粒物，則通過(guò)過(guò)濾材料的顆粒物數(shù)量會(huì)增多，過(guò)濾效果就會(huì)變差。

5.2 不同后整理過(guò)濾氈性能測(cè)試

5.2.1 不同后整理過(guò)濾氈的力學(xué)性能

本次試驗(yàn)采用PET纖維過(guò)濾氈作為研究對(duì)象，對(duì)其分別進(jìn)行覆膜、浸漬和拒油水處理后，測(cè)試其力學(xué)性能并設(shè)置一個(gè)對(duì)照組，所用試驗(yàn)設(shè)備為YG026HB織物強(qiáng)力測(cè)試器，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

通過(guò)上表數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)過(guò)濾氈進(jìn)行浸漬，覆膜或者拒油水后整理后，其力學(xué)性能基本沒(méi)有發(fā)生變化。

5.2.2 不同后整理過(guò)濾氈的透氣性測(cè)試

本次試驗(yàn)同樣采用PET纖維針刺氈作為試樣，采用YG461織物透氣量檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)中織物兩側(cè)所加的壓強(qiáng)差為200pa，試驗(yàn)的結(jié)果如表5：

從上表的數(shù)據(jù)可以看出，針刺過(guò)濾氈進(jìn)行覆膜后，其透氣量明顯下降；由于薄膜的孔徑較小，使得過(guò)濾氈的過(guò)濾阻力增大，但過(guò)濾效率提高。一般覆膜濾料可以用在精細(xì)過(guò)濾上。聚四氟乙烯覆膜濾料首先是由美國(guó)戈?duì)柟狙兄瞥晒Φ?，他們采用特殊工藝將PTFE制成微孔薄膜，再將其復(fù)合到各種基布上形成覆膜濾料[4]。與常規(guī)濾料相比，覆膜濾料表面的粉塵在清灰時(shí)更加易于被清落；同時(shí)在過(guò)濾過(guò)程中，粉塵顆粒幾乎不會(huì)穿透薄膜進(jìn)入濾料內(nèi)部，但粉塵小顆粒卻能不斷滲人到常規(guī)濾料的內(nèi)部，致使濾料內(nèi)部空隙堵塞，影響過(guò)濾的正常進(jìn)行。由此可見(jiàn)，表面過(guò)濾是覆膜濾料的優(yōu)勢(shì)。

濾料清潔狀態(tài)下，過(guò)濾阻力隨過(guò)濾風(fēng)速的變化情況。

由上圖可知，在同一過(guò)濾風(fēng)速下，覆膜濾料的阻力比常規(guī)濾料的阻力大很多，而且隨著過(guò)濾風(fēng)速的增加，阻力上升的更快。

由上圖可知，在同一粉塵厚度下，覆膜濾料的壓力損失比常規(guī)濾料的壓力損失大，而且隨著粉塵厚度的增加，壓力損失上升的更快。

與常規(guī)濾料相比，覆膜濾料的主要優(yōu)勢(shì)在于它的表面過(guò)濾機(jī)理，過(guò)濾效率高、清灰徹底、壓力損失穩(wěn)定且保持較低水平、對(duì)濾袋磨損小的特點(diǎn)。另外，覆膜濾料適用的范圍廣、壽命長(zhǎng)、能耗低、成本低[5]。

6、結(jié)論

（1）過(guò)濾氈的力學(xué)性能越好，濾袋在袋式除塵系統(tǒng)中所使用的壽命越長(zhǎng)。PTFE纖維過(guò)濾氈的抗腐蝕性能好但是其力學(xué)性能較差。

（2）浸漬、覆膜和拒油水對(duì)過(guò)濾氈的力學(xué)性能無(wú)很大影響，但是PTFE覆膜對(duì)過(guò)濾氈的透氣性能有很大的影響，原因是PTFE薄膜的孔徑較過(guò)濾氈的孔徑小，單位面積，恒定壓力下透過(guò)的空氣的量就會(huì)減少。

【參考文獻(xiàn)】

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