聚丙烯熔噴非織造材料的空氣過濾效果研究

張煌忠

(三明職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建三明365000)

聚丙烯(PP)熔噴非織造材料具有纖維超細(xì)、比表面積大、孔隙小、空隙率高等特點(diǎn)，在一般性過濾中能夠發(fā)揮高效、低阻、節(jié)能的優(yōu)勢，達(dá)到良好的濾除粉塵和細(xì)菌等有害顆粒的目的［1］。PP非織造材料廣泛用于勞保及醫(yī)療口罩、中央空調(diào)過濾、企業(yè)排放過濾等，還可以在要求超高潔凈度的場合用作亞高效以上的氣體過濾，如半導(dǎo)體制造工場、原子力研究中心、無塵室、層流設(shè)備等。PP非織造材料的氣體過濾市場越來越大，但同時也對材料提出了更高的過濾要求。作者通過對比不同纖維直徑及面密度、駐極處理前后PP非織造材料的過濾效率，分析研究影響PP非織造材料過濾效果的主要因素，從而為熔噴PP非織造材料的生產(chǎn)企業(yè)和使用單位提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及儀器

PP熔噴非織造材料:JH系列，纖維平均直徑分別為 1，2，3，4，5 μm，面密度規(guī)格分別為 20.7，25.9，31.2，40.6，54.0 g/m2，福建省泉州市嘉和無紡制品有限公司產(chǎn)。

CLJ－03A激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器:江蘇吳江市瑞鑫凈化設(shè)備廠制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)采用潔凈度接近10 000級［1］的空氣作為試驗(yàn)塵源，生產(chǎn)中的粉塵粒徑(i)分別為0.3，0.5，1.0，3.0，5.0，10.0 μm，標(biāo)記為 1#，2#，3#，4#，5#，6#試樣，實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為 5.3 cm/s。通過大氣 CLJ－03A激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器測算過濾前后的平均塵埃粒子數(shù):選取面密度為40.6 g/m2，不同纖維直徑的PP非織造材料，分別測試其粉塵過濾效率(Gi);選取纖維平均直徑為1.0 μm，不同面密度的PP非織造材料分別測試其Gi;在纖維平均直徑為1.0 μm、面密度為 40.6 g/m2的條件下，分別對普通型和經(jīng)電暈駐極處理型的PP非織造材料測試其Gi。

(2)電暈駐極處理。對纖維直徑為1.0 μm，面密度為40.6 g/m2的PP非織造材料進(jìn)行電暈駐極處理，處理電壓為15 kV，處理隔距為4.5 cm，處理時間為1 s。

1.3 測試方法

反映材料空氣過濾效果的主要指標(biāo)是過濾效率，指某個粒徑尺寸以上的粉塵顆粒被過濾材料捕集的效率。采用計(jì)數(shù)法來計(jì)數(shù)過濾前后空氣中所含的粉塵顆粒數(shù)計(jì)算PP非織造材料的Gi。

材料對空氣中粉塵顆粒的Gi按式(1)計(jì)算:

式中:Ai，Bi分別表示材料過濾前、后空氣中大于某一粉塵粒徑的顆粒數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維直徑

從表1可知:纖維直徑對PP熔噴非織造材料的過濾效果影響較大，隨著纖維平均直徑的減小，材料的Gi明顯增大;當(dāng)纖維平均直徑由5 μm減小到2 μm時，Gi的提高比較平緩;由2 μm減小到1 μm時，Gi顯著提高;對粒徑小于1 μm的顆粒粉塵，材料的過濾效率普遍不高，粒徑尺寸越小，過濾效率也越差。

表1 不同纖維直徑的PP非織造材料對粉塵的過濾效果Tab.1 Dust filtration efficiency of PP nonwoven with different fiber diameter

纖維直徑是影響PP熔噴非織造材料過濾效果的重要因素，這是因?yàn)槔w維直徑在一定程度上決定了熔噴非織造材料的孔徑大小、孔徑分布、孔隙率、透氣量和容塵率等［2］。在纖維雜亂排列時，隨著纖維平均直徑的增加，隨機(jī)排列的纖維網(wǎng)相對比較松散，纖維與纖維之間的空隙大大增加，造成對微粒的擴(kuò)散作用和慣性作用的下降，結(jié)果使整個材料的過濾效率降低;隨著纖維平均直徑的減小，纖維的比表面積顯著增加，纖維的毛細(xì)作用和纖維集合體之間形成的微細(xì)孔隙，能有效阻截顆粒粉塵，大大提高過濾效果，特別是纖維越細(xì)，效果越明顯。

當(dāng)然，要生產(chǎn)出較小纖維直徑的熔噴非織造材料，對熔噴生產(chǎn)原料、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)技術(shù)的要求也越高，包括材料的相對分子質(zhì)量及其分布和熔體流動指數(shù)、噴孔直徑、螺桿擠出速度、熱空氣噴射角度等，需要的拉伸高壓熱空氣量也越大。同時在保持產(chǎn)品規(guī)格不變的條件下減小纖維直徑，使過濾材料單位面積內(nèi)的纖維根數(shù)增多，纖維之間的排列更加均勻，孔徑和孔隙率都變小，必然會導(dǎo)致空氣透過阻力的明顯增加，所以只能在阻力允許的情況下減小纖維平均直徑［3］。

2.2 面密度

從表2可知:面密度與PP熔噴非織造材料的過濾效果密切相關(guān)，隨著面密度的增加，Gi隨之提高;當(dāng)面密度較小時，增加面密度，Gi提高較明顯，面密度增加到一定程度時，再繼續(xù)增加，Gi提高趨于平緩。

表2 不同面密度的PP非織造材料對粉塵的過濾效果Tab.2 Dust filtration efficiency of PP nonwoven with different basis weight

非織造材料的過濾作用主要是依靠數(shù)量多而尺寸小的微孔來捕獲顆粒粉塵。面密度的增加使單位面積上聚集的纖維根數(shù)增多，纖維的雜亂鋪疊使得部分孔徑的孔隙進(jìn)一步被堵塞，導(dǎo)致材料的孔隙尺寸和孔隙率減小，同時顆粒粉塵穿透過濾材料的路徑變長且更加彎曲，因而增大了與纖維的接觸面而易于被捕捉，所以材料的過濾效果得以提高。

在生產(chǎn)中，延長纖維的凝聚時間可以增加產(chǎn)品單位面積內(nèi)的纖維根數(shù)，提高產(chǎn)品的定量和厚度，但產(chǎn)品的生產(chǎn)效率降低，生產(chǎn)成本上升，更重要的是會造成材料孔隙尺寸的減小和孔隙率的減少，導(dǎo)致空氣透過的阻力呈幾何倍數(shù)增大。經(jīng)驗(yàn)表明，過濾效果的提高程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如阻力的增大程度，因此要兼顧兩者的平衡，找到一個最佳的材料定量值［4］。

2.3 駐極處理

從表3可知:駐極處理后的PP熔噴非織造材料的過濾效果明顯提高，如駐極處理前i為1.0 μm時，Gi為 95.1%，而駐極處理后的Gi為99.4%;駐極處理后的材料對微細(xì)顆粒粉塵也能達(dá)到很好的過濾效果，如i為0.3 μm 時，Gi從85.6%提高到 96.2%。

表3 駐極處理前后PP非織造材料對粉塵的過濾效果Tab.3 Dust filtration efficiency of PP nonwoven before and after electret treatment

干燥的固體粉塵顆粒在擴(kuò)散時，會與不同材料摩擦或接觸而產(chǎn)生電荷，但通常荷電強(qiáng)度很弱，而且由于各種原因會使其強(qiáng)度逐漸減弱。而經(jīng)駐極處理后的熔噴非織造材料由于能夠長期儲存空間電荷或極化電荷，通過靜電作用可以吸附極化的微細(xì)粉塵顆粒［5］。即使是中性粉塵在靠近纖維時，也會感應(yīng)產(chǎn)生符號相反的鏡像電荷，從而在兩者之間產(chǎn)生吸引力而被材料捕捉，進(jìn)一步提高了過濾效率，因此具有優(yōu)異的除塵殺菌作用，同時還具有良好的穩(wěn)定性，不會因洗滌而使電極化強(qiáng)度衰減，即使經(jīng)過烘燥和熨燙，也不會對其過濾性能造成較大的影響。因此，駐極處理是提高熔噴法非織造材料過濾效率的重要后整理技術(shù)，經(jīng)過駐極整理的熔噴法非織造材料帶有持久的靜電，在普通濾塵機(jī)理的基礎(chǔ)上附加靜電效應(yīng)，可以捕集更多微細(xì)塵埃而空氣透過阻力卻不增大，因此具有過濾效率高、阻力低等優(yōu)點(diǎn)，具有極大的研究和推廣價值。

3 結(jié)論

a.纖維直徑和面密度對PP熔噴非織造材料的Gi有著直接的影響，隨著纖維平均直徑的減小、面密度的增加，材料的Gi明顯提高。

b.纖維直徑和面密度對Gi的影響在一定范圍內(nèi)具有互補(bǔ)性，即增大產(chǎn)品的面密度可以適當(dāng)彌補(bǔ)纖維平均直徑增大造成的過濾效率的降低。

c.纖維直徑的減小和面密度的增加會造成空氣透過阻力的增大，同時會導(dǎo)致生產(chǎn)效率的降低和生產(chǎn)成本的上升。

d.i為0.3 μm，Gi從85.6%提高到96.2%，駐極處理是提高熔噴非織造材料過濾效率最有效的辦法之一。

［1］ 馬建偉，陳韶娟.非織造布技術(shù)概論［M］.2版.北京:中國紡織出版社，2008:117－131.

［2］ 武松梅，袁傳剛.非織造材料孔徑與過濾性能關(guān)系的研究［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2010，28(1):12 －14.

［3］ 金小漢.過濾粉塵用纖維濾料基本特性的試驗(yàn)研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2008(3):21－23.

［4］ 劉燕慧，陳龍敏，陳喆，等.熔噴非織造材料厚度對過濾性能的影響［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2012，30(11):17－20.

［5］ 劉超.駐極處理對熔噴空氣過濾材料過濾性能的影響［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2013，31(5):34－37.