醋酸纖維紡絲原液用機(jī)織過(guò)濾布的設(shè)計(jì)與性能研究*

天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院， 天津 300160

醋酸纖維紡絲原液制備時(shí)會(huì)將二醋酸片溶于丙酮中，再采用干法進(jìn)行紡絲，故醋酸纖維紡絲原液中會(huì)含有少量的丙酮、木漿粕、水、二氧化鈦和礦物油等物質(zhì)[1]。醋酸纖維紡絲原液為典型非牛頓流體，黏度高，其濾餅可壓縮程度高，所含雜質(zhì)細(xì)小且含有高比例的柔性物質(zhì)，故過(guò)濾效果易受過(guò)濾溫度和溶液固含量等因素的影響，屬高難度過(guò)濾物料[2]。同時(shí)，由于在生產(chǎn)過(guò)程中，紡絲原液的純度會(huì)影響纖維的成形及斷頭率，進(jìn)而影響絲束的質(zhì)量[3]，因此具有高效過(guò)濾性能的過(guò)濾布對(duì)醋酸纖維的制備有著至關(guān)重要的作用。非織造布雖然過(guò)濾效率高于機(jī)織布和針織布，但濾渣不易剝離、使用壽命短、易堵塞，適合于小微粒的捕集；針織布尺寸穩(wěn)定性不好，過(guò)濾穩(wěn)定性較差[4-5]；而機(jī)織布強(qiáng)度高、濾渣易剝離、易清灰、處理量大且過(guò)濾穩(wěn)定性高。因此，選擇具有高強(qiáng)度、緊密組織結(jié)構(gòu)及小孔隙等良好過(guò)濾性能的機(jī)織過(guò)濾布，對(duì)醋酸纖維紡絲原液的過(guò)濾尤為重要。

1 醋酸纖維紡絲原液用機(jī)織過(guò)濾布的設(shè)計(jì)

1.1 纖維種類的選擇

由于醋酸纖維紡絲原液的過(guò)濾主要在濕熱環(huán)境下進(jìn)行，雖溫度不高于100 ℃，但過(guò)濾工序會(huì)含有有機(jī)溶劑，如丙酮、乙醇等，故要求過(guò)濾布用纖維耐有機(jī)溶劑和耐濕熱性好，且不易老化。在合成纖維中，錦綸能滿足上述要求，其中錦綸66的熔點(diǎn)又高于錦綸6，強(qiáng)度更高、耐磨性更好，更適合于高密織物的織造，故本文的機(jī)織過(guò)濾布用纖維選擇錦綸66。

1.2 紗線規(guī)格的選擇

基于過(guò)濾的雜質(zhì)大小和處理量，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)絲織造的過(guò)濾布布面光滑，且在濾渣剝離、處理量和堵塞情況方面表現(xiàn)良好，更適合醋酸纖維紡絲原液的過(guò)濾。

通常，纖維層或紗線層的過(guò)濾遵循對(duì)數(shù)穿透定律[6]：

(1)

式中：η——綜合捕集效率；

ε——孔隙率，%；

L——纖維層或紗線層厚度，mm；

D——單根纖維或紗線直徑，mm；

ηε——單根纖維或紗線的捕集效率，%。

從式(1)可以看出，無(wú)論纖維或紗線，直徑越細(xì)則捕集效率越高[7]。但過(guò)濾效率與透氣量、容塵量等參數(shù)又是相互抵觸的，所以設(shè)計(jì)時(shí)不能單純追求過(guò)濾效率，應(yīng)綜合考量，找出最合適的平衡點(diǎn)。

本文綜合纖維種類和規(guī)格兩方面的設(shè)計(jì)因素，再結(jié)合醋酸纖維紡絲原液用機(jī)織過(guò)濾布的使用環(huán)境，以及織造的便捷性，最終選擇浙江嘉華特種尼龍有限公司生產(chǎn)的粗細(xì)和柔軟度適中、強(qiáng)力高且易于加工的7.78 tex(即70 den)/34F的錦綸66全拉伸絲(FDY)，用于制作醋酸纖維紡絲原液用機(jī)織過(guò)濾布。所選錦綸66全拉伸絲(FDY)的纖維彈性模量有兩種，一種纖維彈性模量為2.740 MPa(記為紗線S1)，另一種纖維彈性模量為1.490 MPa(記為紗線S2)。

1.3 紗線的捻度

有捻長(zhǎng)絲紗的縱、橫向都很穩(wěn)定，且加捻作用使纖維的各項(xiàng)不均勻性在整根長(zhǎng)絲中得到改善，絲束集合體較硬挺。此外，捻度的大小對(duì)織物的孔隙有很大的影響。捻度過(guò)低則纖維間孔隙較大，易被堵塞，清洗難度大；捻度越高則纖維間孔隙越小，過(guò)濾精度越高[8]。故紗線的直徑越小、捻度越大，則紡絲原液的透過(guò)率越高，孔隙也不易被堵塞。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外的產(chǎn)品，確定紗線的捻度范圍為500.0～550.0 T/m。

1.4 織造工藝的設(shè)計(jì)

機(jī)織過(guò)濾布常用的組織結(jié)構(gòu)有平紋、斜紋、緞紋等，特殊情況下也會(huì)采用雙層、管狀、緯二重等組織。其中：平紋組織的交織點(diǎn)較多，紗線之間的孔隙相對(duì)穩(wěn)定，織物一般用于澄清過(guò)濾和較細(xì)顆粒的過(guò)濾；斜紋組織的結(jié)構(gòu)較平紋松散，因而在相同緊密度下，透氣率較平紋大，適用于真空過(guò)濾及離心過(guò)濾；緞紋組織經(jīng)緯交織點(diǎn)少、經(jīng)緯紗浮長(zhǎng)較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)較疏松，質(zhì)地柔軟，表面較光滑，對(duì)濾渣的剝離性好，故在干式過(guò)濾中易于清灰。常用的緞紋組織有五枚緞、八枚緞等，其孔隙大且不易被堵塞，但捕集性差。

本文基于醋酸纖維紡絲原液的過(guò)濾為濕式過(guò)濾，顆粒較細(xì)，故采用平紋組織。

此外，醋酸纖維紡絲原液用機(jī)織過(guò)濾布的密度也會(huì)直接影響織物的拉伸、頂破性能，以及織物的孔徑大小等，對(duì)織物的過(guò)濾性能有一定的影響。例如，織物的密度太低，則織物的強(qiáng)力降低，穩(wěn)定性變差，織物便不適合醋酸纖維紡絲原液這種高壓、高黏稠度液體的過(guò)濾。故應(yīng)對(duì)織物的密度嚴(yán)格控制。

本文針對(duì)醋酸纖維紡絲原液中顆粒的大小和液體的黏稠度，并參照國(guó)內(nèi)外類似產(chǎn)品的規(guī)格型號(hào)，設(shè)定機(jī)織過(guò)濾布的經(jīng)紗密度為750.0～800.0 根/(10 cm)。但在該經(jīng)紗密度條件下，經(jīng)緯紗之間會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦阻力和彈性阻力，故需較大的打緯力。此外，打緯力又在很大程度上與織物的緯紗密度相關(guān)，緯紗密度越大，打緯力也越大，且打緯力隨緯紗密度增加而增幅較快。故本文設(shè)定緯紗密度為300.0～350.0 根/(10 cm)，這樣可確保打緯力均勻，避免產(chǎn)生緯向稀密路織疵。

總之，綜合原料選擇和織造工藝兩方面的因素，并結(jié)合醋酸纖維紡絲原液用機(jī)織過(guò)濾布的使用環(huán)境，確定最終設(shè)計(jì)方案：紗線S1和紗線S2，捻度為500.0～550.0 T/m，經(jīng)紗與緯紗密度分別為750.0～800.0和300.0～350.0 根/(10 cm)，平紋。

2 醋酸纖維紡絲原液用機(jī)織過(guò)濾布的制備

為保證經(jīng)紗和緯紗密度的均勻性，本次小樣采用自動(dòng)劍桿小樣機(jī)織造。分別使用紗線S1和紗線S2織造出2塊織物(試樣A和試樣B)，具體工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

由于本文設(shè)計(jì)的機(jī)織過(guò)濾布的經(jīng)紗密度較大，實(shí)際織造過(guò)程中遇到了許多困難，最嚴(yán)重的是經(jīng)紗之間、經(jīng)紗與綜框之間、經(jīng)紗與綜絲之間相互摩擦，造成了經(jīng)紗斷頭和開(kāi)口不清。為應(yīng)對(duì)此現(xiàn)象，使用甲基硅油對(duì)經(jīng)紗進(jìn)行涂抹，以起到潤(rùn)滑作用，減小其摩擦。涂抹甲基硅油后，摩擦問(wèn)題基本得到解決。

3 機(jī)織過(guò)濾布性能測(cè)試與分析

3.1 物理性能

根據(jù)GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》、GB/T 4668—1995《機(jī)織物密度的測(cè)定》、GB/T 4669—2008《紡織品 機(jī)織物 單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積的測(cè)定》及GB/T 14345—2008《化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲捻度試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)織造的試樣的厚度、密度、面密度及紗線捻度進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)式(2)對(duì)試樣的緊度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果歸納于表2。

(2)

式中：EJ、EW——經(jīng)向、緯向的緊度，%；

EZ——織物總緊度，%；

dJ、dW——經(jīng)紗、緯紗的直徑，mm；

PJ、PW——經(jīng)紗、緯紗的密度，根/(10 cm)。

表2 試樣的厚度、密度、面密度、緊度及紗線捻度

由表2可知：

(1) 試樣A的經(jīng)紗與緯紗密度分別在750.0～800.0和300.0～350.0根/(10 cm)，紗線捻度為532.0 T/m，符合設(shè)計(jì)要求。且該織物的厚度為0.16 mm， 織物很薄，可有效增加過(guò)濾時(shí)濾液的通過(guò)量。

(2) 試樣A和試樣B厚度相同，且兩者的密度、面密度、紗線捻度及緊度的差距很小(不超過(guò)5%)，故視2塊試樣的厚度、密度、面密度、紗線捻度及緊度是相同的。

3.2 熱穩(wěn)定性

醋酸纖維紡絲原液經(jīng)過(guò)濾送至紡絲機(jī)紡絲原液總管，此時(shí)紡絲原液溫度在52 ℃左右，然后由計(jì)量泵泵送，經(jīng)燭芯過(guò)濾器后，由紡絲原液預(yù)熱器加熱[9]。紡絲原液預(yù)熱器中預(yù)熱水的溫度在62 ℃左右。加熱后的紡絲原液經(jīng)噴絲帽噴絲成形。噴絲帽處在96 ℃左右的熱空氣環(huán)境中，因此，機(jī)織過(guò)濾布適用的環(huán)境溫度不宜超過(guò)100 ℃。

將織造好的2塊試樣各取5小塊1.00 m×1.00 m規(guī)格的放入烘箱，于100 ℃下烘燥24 h，再經(jīng)調(diào)濕處理后，測(cè)量試樣的尺寸，發(fā)現(xiàn)10塊試樣的尺寸均未改變，這說(shuō)明試樣的熱收縮率都為0，完全符合醋酸纖維紡絲原液過(guò)濾環(huán)境的要求。同時(shí)也證明了當(dāng)其他條件相同時(shí)，纖維彈性模量的大小對(duì)織物的熱穩(wěn)定性沒(méi)有影響。

3.3 拉伸性能

根據(jù)GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》標(biāo)準(zhǔn)，將試樣A和試樣B剪成50.00 mm(經(jīng)向)×250.00 mm(緯向)的測(cè)試樣各5小塊，試驗(yàn)儀器為INSTRON 3369萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。測(cè)試時(shí)，夾頭間距設(shè)為200.00 mm、拉伸速度為100.00 mm/min。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試樣拉伸性能

由表3可知：試樣的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)率都大于緯向，這與它們的經(jīng)密大于緯密有關(guān)；2塊試樣在其他條件相同的情況下，由于纖維彈性模量不同，故導(dǎo)致試樣A經(jīng)緯向的斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)率都高于試樣B。

3.4 頂破性能

根據(jù)GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測(cè)定 鋼球法》標(biāo)準(zhǔn)，采用鋼球法測(cè)試紡織品的頂破強(qiáng)度[10]。試驗(yàn)儀器為SANS微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司)。環(huán)形夾持器的內(nèi)徑為45.00 mm，彈子直徑為25.00 mm，設(shè)定試驗(yàn)機(jī)速度為100.00 mm/min。按測(cè)試要求，將試樣剪成模具要求的尺寸大小，共5塊，測(cè)試結(jié)果取平均值。測(cè)試時(shí)，試樣用環(huán)形固定夾進(jìn)行夾持固定，試樣需平整無(wú)褶皺且無(wú)張力，圓球頂桿垂直頂向試樣直至試樣變形破裂。經(jīng)測(cè)試，試樣A的頂破強(qiáng)力為280.23 N，頂破壓強(qiáng)為3.570 MPa；試樣B的頂破強(qiáng)力為222.43 N，頂破壓強(qiáng)為2.830 MPa。過(guò)濾時(shí)管道內(nèi)的壓強(qiáng)最高為1.600 MPa，說(shuō)明2塊試樣都可以滿足過(guò)濾時(shí)的壓強(qiáng)要求。

3.5 孔徑大小與分布

濾布孔徑大小指的是濾布微孔通道的等效孔徑，在一定程度上反映濾布孔徑分布的均勻性，是濾布的基本指標(biāo)之一。過(guò)濾布的孔隙包括織物紗線間的孔隙和紗線纖維間的縫隙，且一般以織物紗線間的孔隙為主[11]。鼓泡孔徑的大小直接關(guān)系到織物過(guò)濾性的好壞。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)對(duì)過(guò)濾顆粒直徑有一定要求時(shí)，此項(xiàng)指標(biāo)在濾布選擇過(guò)程中就很有參考價(jià)值[12]。

試驗(yàn)儀器為PSM-165濾料孔徑測(cè)定儀，測(cè)試溶液為Topor，橫截面積為0.95 cm2，流速范圍為0.06～70.00 L/min，最大壓強(qiáng)為0.035 MPa，試樣為直徑為4.00 cm的圓。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

(a) 試樣A

(b) 試樣B

由圖1可知：

(1) 試樣A的孔徑大小在4.04～10.02 μm，平均孔徑為8.00 μm，孔徑大小分布均勻且主要集中在7.00～8.00 μm，說(shuō)明該試樣織造時(shí)打緯力均勻，試樣可用于過(guò)濾10.00 μm以上粒徑的顆粒。

(2) 試樣B的孔徑大小在3.31～10.79 μm，平均孔徑為8.00 μm，分布較散，無(wú)規(guī)律。

分析2塊試樣不同的原因在于，紗線S1彈性模量較紗線S2彈性模量小，所以當(dāng)進(jìn)行孔徑測(cè)試時(shí)，在一定壓強(qiáng)條件下，試樣B較試樣A易產(chǎn)生形變使其孔徑相對(duì)較大且分布不均勻，進(jìn)而影響試樣的過(guò)濾性能。

當(dāng)原液粒子粒徑≤10.00 μm時(shí)，紡絲可紡性好，所以試樣A符合過(guò)濾要求。

3.6 過(guò)濾效率、過(guò)濾阻力和容塵量

使用TSI8310型自動(dòng)濾料測(cè)試儀測(cè)試過(guò)濾效率與過(guò)濾阻力。剪取直徑為15.00 cm的圓形試樣，流量為32.00 L/min，NaCl氣溶膠質(zhì)量中值直徑為0.26 μm。測(cè)試使用AFC-313濾料測(cè)試臺(tái)測(cè)試容塵量。試樣直徑為15.00 cm，氣流速度為3.4 m3/h，氣溶膠類型為DEHS，氣溶膠濃度為100 g/m3。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 試樣過(guò)濾性能

由表4可知：

(1) 試樣A的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力高于試樣B，這是由于試樣A的纖維彈性模量比試樣B的要大很多，故在織造及測(cè)試時(shí)試樣B受壓更容易產(chǎn)生形變使孔徑變大、分布不勻，進(jìn)而使織物的過(guò)濾阻力變小，過(guò)濾效率降低。

(2) 容塵量二者都很小且相差不大。這是由于織物緊度大，且紗線線密度小、表面光滑，故2塊試樣的容塵量都較小。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，纖維彈性模量較高的試樣A具有更好的過(guò)濾性能且清灰容易。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)醋酸纖維紡絲原液用過(guò)濾布的使用環(huán)境，確定最終過(guò)濾布的設(shè)計(jì)方案：紗線選用纖維彈性模量為2.740 MPa的7.78 tex/34F的錦綸66全拉伸絲，捻度為500.0～550.0 T/m，經(jīng)紗與緯紗密度分別為750.0～800.0和300.0～350.0根/(10 cm)，平紋。

(2) 當(dāng)纖維的直徑及紗線的線密度、捻度相同，采用的織造工藝參數(shù)相同時(shí)，纖維的彈性模量會(huì)影響織物的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率、孔徑大小與分布、過(guò)濾效率與過(guò)濾阻力。當(dāng)纖維的彈性模量過(guò)小時(shí)，試樣的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率低，在過(guò)濾過(guò)程中受壓會(huì)產(chǎn)生較大形變從而使試樣的孔徑變大且分布不勻，進(jìn)而使試樣過(guò)濾效率降低；但纖維的彈性模量較大時(shí)，試樣的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率高，過(guò)濾阻力也較大。因此，在進(jìn)行過(guò)濾布設(shè)計(jì)時(shí)要選擇合適纖維彈性模量的紗線。

[1] 程三文.濾嘴用醋酸絲束紡絲原液凈化探討[J].人造纖維，2016，46(2)：2-4.

[2] 楊占平，徐坦，曹建華，等.二醋酸纖維素漿液精細(xì)過(guò)濾及高密度生產(chǎn)技術(shù)研究[J].中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2006，12(3)：27-30.

[3] 王瑞.紡織品質(zhì)量控制與檢驗(yàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：23.

[4] 張萍.紡織產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝研究[M].北京：中國(guó)紡織出版社，2013：23.

[5] 康勇，羅茜.液體過(guò)濾與過(guò)濾介質(zhì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：33.

[6] 張萍.機(jī)織過(guò)濾布的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)[J].棉紡織技術(shù)，2005，33(7)：6-9.

[7] 尉霞.產(chǎn)業(yè)用紡織品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)[M].上海：東華大學(xué)出版社，2009：45.

[8] 胡筱敏，羅茜，康勇，等.機(jī)織濾布的堵塞及單絲濾布的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J].過(guò)濾與分離，1999(2)：13-18.

[9] 肖峰，張麗，胡杰，等.紡絲漿液過(guò)濾設(shè)備及其檢測(cè)方法：106245119A[P].2016-12-21.

[10] 全國(guó)文獻(xiàn)工作標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)第七分委員會(huì).紡織品頂破強(qiáng)力的測(cè)定 鋼球法：GB/T 19976—2005[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[11] 張明光，梁紅艷.平紋機(jī)織過(guò)濾布鼓泡孔徑的預(yù)測(cè)研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008，26(2)：37-40.

[12] WANG Q N， KHAN F， WEI L， et al. Filtration properties of carbon woven fabric filters supplied with high voltage for removal of PM1.0particles[J].Separation and Purification Technology，2017，177(4)：40-48.