丙綸針刺濾料的PTFE乳液浸漬工藝研究

陳蘭蘭 殷保璞

東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620

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丙綸針刺濾料的PTFE乳液浸漬工藝研究

陳蘭蘭 殷保璞

東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620

丙綸經(jīng)針刺工藝加固，將所得的針刺濾料進(jìn)行聚四氟乙烯(PTFE)乳液浸漬處理，研究乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、浸漬時(shí)間、烘焙溫度和烘焙時(shí)間四項(xiàng)工藝參數(shù)對(duì)濾料過(guò)濾性能的影響。正交試驗(yàn)結(jié)果表明：各參數(shù)對(duì)濾料過(guò)濾性能的影響程度為烘焙時(shí)間>乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>浸漬時(shí)間>烘焙溫度；使針刺濾料過(guò)濾性能提高最大的工藝參數(shù)為乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%、浸漬時(shí)間7 min、烘焙溫度135 ℃、烘焙時(shí)間4 min,所得針刺濾料的過(guò)濾效率提高76%，平均孔徑減小7.866 μm。

丙綸, 針刺濾料, PTFE乳液, 工藝參數(shù), 過(guò)濾性能

近年來(lái)，健康和環(huán)保受到人們的極大關(guān)注，大氣污染的控制標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高。目前，新型濾料研究開發(fā)的重點(diǎn)主要圍繞提高效率、降低阻力、減少能耗和成本等方面[1]。丙綸非織造材料作為重要的空氣過(guò)濾材料，其加工工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)量高、成本低，纖維在濾料中呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，排列雜亂無(wú)序，較傳統(tǒng)的機(jī)織和針織濾料具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。因而，近些年丙綸非織造濾料的市場(chǎng)需求量越來(lái)越大，研究和發(fā)展也極其迅速。但是，單純的聚丙烯針刺濾料存在孔徑大、空隙多、過(guò)濾效率低等不足，有待進(jìn)一步的研究完善。優(yōu)化針刺工藝參數(shù)可在一定程度上提高濾料的過(guò)濾性能，但仍不能滿足對(duì)微小顆粒的除塵要求。針刺濾料經(jīng)過(guò)乳液浸漬處理，使濾料的表面實(shí)現(xiàn)“微孔化”，可進(jìn)一步改善濾料的過(guò)濾性能。但是，乳液浸漬必然也會(huì)影響濾料的其他性能，尤其是過(guò)濾阻力，因此，只有選擇合適的浸漬乳液及工藝參數(shù)才能達(dá)到理想的效果。

周冠辰等[2]對(duì)玄武巖聚苯硫醚纖維復(fù)合濾料進(jìn)行聚四氟乙烯(PTFE)乳液浸漬，過(guò)濾性能有了顯著的提高。PTFE 乳液具有良好的物理和化學(xué)性能，摩擦系數(shù)極小，具有突出的不粘性和絕緣性，熱穩(wěn)定性好，幾乎不與任何化學(xué)試劑反應(yīng)，具有優(yōu)良的耐氣候性[3]。這些性質(zhì)奠定了PTFE在除塵領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位，因此，可以通過(guò)PTFE 乳液浸漬的方法提高濾料的過(guò)濾性能，同時(shí)還可以在一定程度上改善濾料的表面性能及其他物理化學(xué)性能。

本文采用PTFE乳液浸漬的方法處理丙綸針刺濾料，以過(guò)濾效率作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析PTFE乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、浸漬時(shí)間、烘焙溫度、烘焙時(shí)間等因素對(duì)過(guò)濾效率的影響，以選擇最優(yōu)的浸漬工藝參數(shù)，為PTFE乳液浸漬工藝的研究提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 丙綸針刺濾料的制備

材料：丙綸(3.3 dtex，0.9 g/cm3)。

針刺設(shè)備：FZZG-J1600型針刺機(jī)。

工藝流程：纖維抗靜電處理→開松→混合→梳理成網(wǎng)→預(yù)針刺→主針刺。

工藝參數(shù)：針刺密度為1836刺/cm2,針刺深度為8 mm。

1.2 PTFE浸漬試驗(yàn)

材料：PTFE乳液,白色分散液，去離子水。

設(shè)備：JWU-504A型軋車，HH-4 型恒溫水浴鍋，DGG-9093A型恒溫電熱鼓風(fēng)干燥箱。

工藝流程：浸漬(PTFE乳液，浴比1∶30)→軋液(0.3 MPa)→預(yù)烘(20 min, 80 ℃)→烘焙。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)

面密度：參照GB/T 24218.1—2009，采用FA2004型電子天平測(cè)試質(zhì)量，然后計(jì)算面密度。

過(guò)濾效率：參照GB 2626—2006，采用TSI 8130 型自動(dòng)濾料檢測(cè)儀，使用NaCl氣溶膠進(jìn)行測(cè)試，氣流流量為32 L/min。

透氣率：參照GB 5453—1997，采用YG461E型電腦式透氣性測(cè)試儀測(cè)試。

孔徑：參照 ISO 4003—1977，采用Porous Materials 公司的CFP-110-AI型孔徑儀測(cè)試，試樣需用Prowick Surface Fension潤(rùn)濕，氣流作用于試樣上，測(cè)得濕態(tài)曲線，然后吹干試樣，測(cè)得干態(tài)曲線[4]。

表觀形貌：采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察，先對(duì)PTFE乳液浸漬前后的材料進(jìn)行噴金處理，然后觀察濾料的表面形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

由PTFE乳液浸漬丙綸針刺濾料的加工工藝流程可知，乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)A、浸漬時(shí)間B，以及浸漬后濾料的烘焙溫度C和時(shí)間D都會(huì)對(duì)濾料性能產(chǎn)生重要影響，為此，通過(guò)正交試驗(yàn)的方法尋找最佳的工藝參數(shù)。試驗(yàn)因素及水平見表1，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。為了避免由于濾料本身差異而引起的誤差，本試驗(yàn)用浸漬前后濾料過(guò)濾效率變化的百分率作為主要的表征指標(biāo)。

表1 因素及水平

表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

如表2所示，極差越大，說(shuō)明該因素對(duì)過(guò)濾效率的影響越大，因而因素的主次順序?yàn)镈>A>B>C，即烘焙時(shí)間對(duì)濾料過(guò)濾性能產(chǎn)生的影響最大，其次是乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而烘焙溫度在一定范圍內(nèi)對(duì)濾料性能的影響最小。因此，最佳工藝設(shè)計(jì)為A2B3C1D2(方案6)，即乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%、浸漬時(shí)間7 min、烘焙溫度135 ℃、烘焙時(shí)間4 min。

2.2 表觀形貌分析

正交試驗(yàn)結(jié)果顯示，方案6采用的是最佳工藝參數(shù)，圖1為方案6 PTFE乳液浸漬前后的表觀形貌。由圖1(a)可以明顯看出，濾料經(jīng)針刺作用后，纖維之間相互穿插糾纏，纖維之間的空隙比較大。由圖1(b)可見，經(jīng)PTFE乳液浸漬后， PTFE附著在纖維上，填充了部分纖維間的空隙，因而纖維間的空隙率減小，濾料更加密實(shí)，過(guò)濾效率相應(yīng)提高。

圖1 PTFE乳液浸漬前后方案6試樣的SEM照片(×500)

浸漬PTFE乳液后濾料的孔徑會(huì)減小，但是經(jīng)過(guò)不同的工藝參數(shù)加工后，濾料過(guò)濾性能的改善程度不同。文獻(xiàn)顯示，PTFE乳液的分散體系會(huì)隨著溫度的升高發(fā)生變化，當(dāng)溫度升高到一定程度，PTFE乳液膜變得硬脆[5]。圖2為兩個(gè)試樣的SEM照片，其中試樣a的工藝參數(shù)為乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%、浸漬時(shí)間7 min、烘焙溫度135 ℃、烘焙時(shí)間4 min；試樣b的工藝參數(shù)為乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%、浸漬時(shí)間7 min、烘焙溫度155 ℃、烘焙時(shí)間4 min。相比浸漬前的濾料，試樣a和試樣b的過(guò)濾效率分別提高了76%和52%。比較圖2中的4張照片，試樣a[圖2(a)和圖2(b)] 所示PTFE呈塊狀凝結(jié)在纖維表面和纖維之間，因而濾料孔徑減小，過(guò)濾效率高；試樣b[圖2(c) 和圖2(d)]表面未見塊狀PTFE。比較工藝參數(shù)，試樣b乳液浸漬后的烘焙溫度(155 ℃)比較高，因而PTFE分裂細(xì)碎，沒有很好地填補(bǔ)纖維間的空隙，所以過(guò)濾效率沒有試樣a高。

圖2 不同工藝條件下濾料的SEM照片

2.3 透氣性和孔徑分析

透氣性是濾料氣體通過(guò)性能的度量，是衡量濾料過(guò)濾性能的重要指標(biāo)之一[6]。以正交試驗(yàn)中方案6的工藝參數(shù)為依據(jù)，乳液浸漬前后濾料的面密度和透氣性見表3。由表3可知：乳液浸漬后面密度增加，透氣性下降；乳液浸漬前，濾料的平均孔徑為40.448 μm，最大孔徑為72.511 μm； 乳液浸漬后，濾料的平均孔徑為32.582 μm，最大孔徑為59.987 μm。 濾料的平均孔徑減小了7.866 μm，最大孔徑減小了12.524 μm，總體上，PTFE乳液浸漬減小了濾料的孔徑。

表3 浸漬前后濾料的透氣性和孔徑對(duì)比

乳液浸漬前后濾料孔徑分布如圖3所示，由圖可以看出，乳液浸漬后孔徑的分布區(qū)域變窄。浸漬前孔徑為5～70 μm，且比較分散；乳液浸漬后，孔徑為14～58 μm，且多集中在26～40 μm區(qū)域?？讖椒植紖^(qū)域變窄，說(shuō)明濾料更加均勻。從表3中還可以看出，浸漬后最小孔徑略有增加，這是因?yàn)闉V料經(jīng)過(guò)浸漬，尤其是浸壓時(shí)，試樣必須要經(jīng)過(guò)具有一定壓力的壓輥，上下壓輥之間的壓力會(huì)改變?yōu)V料中纖維的結(jié)構(gòu)，同時(shí)烘干使用的是電熱鼓風(fēng)干燥箱，熱風(fēng)穿過(guò)濾料也會(huì)對(duì)孔徑產(chǎn)生一定的影響，所以最小孔徑略有增加。綜合分析，PTFE乳液浸漬縮小了濾料的孔徑分布區(qū)域，減小了濾料的孔徑，改善了濾料的過(guò)濾性能，提高了濾料的過(guò)濾效率。

圖3 乳液浸漬前后濾料的孔徑分布

3 結(jié)語(yǔ)

本文選用PTFE乳液浸漬丙綸針刺濾料，通過(guò)正交試驗(yàn)方法優(yōu)化后整理工藝參數(shù)，對(duì)浸漬前后濾料的過(guò)濾效率、孔徑及透氣性等進(jìn)行測(cè)試和分析，得到以下結(jié)論：

(1) 最佳工藝參數(shù)為乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%、浸漬時(shí)間7 min、烘焙溫度135 ℃、烘焙時(shí)間4 min。影響濾料過(guò)濾性能的因素主次順序：烘焙時(shí)間>乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>浸漬時(shí)間>烘焙溫度。

(2) 丙綸針刺濾料經(jīng)過(guò)PTFE乳液浸漬后，PTFE附著于纖維上，當(dāng)烘焙溫度為135 ℃時(shí)，PTFE呈塊狀；當(dāng)烘焙溫度為155 ℃時(shí)，塊狀PTFE破碎，過(guò)濾效果下降。

(3) PTFE乳液浸漬后，濾料的面密度增加，透氣性下降。

(4) PTFE乳液浸漬改善了濾料孔徑的分布，浸漬后濾料的平均孔徑減小，孔徑分布更加集中，濾料更加均勻，有助于提高濾料的過(guò)濾效率。

[1] 趙永霞. 國(guó)外工業(yè)用非織造過(guò)濾材料的發(fā)展動(dòng)向[J]. 紡織導(dǎo)報(bào), 2010(10): 63-65.

[2] 周冠辰, 韓建, 于斌，等. 玄武巖/聚苯硫醚纖維復(fù)合濾料PTFE乳液浸漬工藝研究[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014，31(2): 122-126.

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[4] 王向欽, 張鵬, 靳向煜. 潤(rùn)濕劑對(duì)泡點(diǎn)法測(cè)定纖維過(guò)濾材料孔徑特征的影響[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2011,29(5): 40-42.

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防治霧霾 人人有責(zé)

綠色生活 人人共享

Study on PTFE emulsion impregnation technology of polypropylene needle-punched nonwoven filter material

Chen Lanlan, Yin Baopu

Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education,Donghua University, Shanghai 201620, China

The polypropylene needle-punched filter material was finished by PTFE emulsion. The effects of four different process parameters, such as emulsion concentration, impregnation time, curing temperature and time, on filtering efficiency of the filter material were studied. The results of orthogonal experiment showed that the effect of the parameters on the performance of the filter materials were as follows in order of importance: curing time, emulsion concentration, impregnation time and curing temperature. The optimum parameters for the improvement of needle-punched filtration performance was that emulsion concentration was 6%, impregnation time was 7 min, curing temperature was 135 ℃, and curing time was 4 min. In this case, the filtration efficiency was improved significantly by 76%, the mean pore diameter was reduced by 7.866 μm.

polypropylene, needle-punched filter material, PTFE emulsion, process parameter, filtration performance

陳蘭蘭，女，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)檫^(guò)濾針刺非織造材料

殷保璞， E-mail: bpyin@dhu.edu.cn

TS174.3

A

1004-7093(2016)04-0041-04