浸漬法制備活性炭非織造布的工藝研究

彭志鵬 殷保璞

東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620

浸漬法制備活性炭非織造布的工藝研究

彭志鵬 殷保璞

東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620

以滌綸短纖維為原料，制成面密度為85 g/m2的疏松針刺纖網(wǎng)；然后分別采用聚乙烯醇、丙烯酸樹脂和聚醋酸乙烯酯3種黏合劑，并通過浸漬法將活性炭粉末均勻黏附在纖網(wǎng)上，形成3種活性炭非織造布；研究黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、浴比(即活性炭粉末與浸漬液質(zhì)量比)、烘焙溫度對(duì)活性炭非織造布的載炭量和拉伸性能的影響，比較3種活性炭非織造布的載炭量與拉伸性能。結(jié)果表明：浴比對(duì)活性炭非織造布的載炭量的影響程度最大，其次是黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，烘焙溫度則無影響；烘焙溫度對(duì)活性炭非織造布的拉伸性能的影響與所用黏合劑的熱學(xué)性質(zhì)有關(guān)；黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升，3種活性炭非織造布的拉伸強(qiáng)力均提高；以聚醋酸乙烯酯做黏合劑時(shí)，由于它在水中的分散性不佳，造成活性炭非織造布的拉伸強(qiáng)力不高；選用聚乙烯醇做黏合劑時(shí)，由于其成膜性好，使得活性炭非織造布的縱橫向拉伸強(qiáng)力接近。

活性炭非織造布，浸漬法，黏合劑，載炭量，拉伸性能

近年來隨著大氣污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，許多空氣凈化設(shè)備和防護(hù)裝置應(yīng)運(yùn)而生，市場上出現(xiàn)了各種空氣凈化器和防護(hù)口罩，其中活性炭非織造布在氣體過濾方面有著極大的優(yōu)勢和發(fā)展空間[1]?；钚蕴糠强椩觳嫉倪^濾介質(zhì)主要是氣體。通常，活性炭非織造布通過將高分子黏結(jié)材料黏附在非織造布的基體上而制成，可有效吸附各種工業(yè)廢氣，如苯、甲苯、二甲苯、甲醛、氨氣、二氧化硫等。

目前活性炭非織造布的制備方式有很多種，其中浸漬方式的流程短、制作成本低廉，但當(dāng)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)極易堵塞活性炭的微孔，而黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低時(shí)又無法保證較高的載炭量[2]。本文采用優(yōu)化的化學(xué)黏合非織造布生產(chǎn)工藝，通過采用不同的黏合劑和工藝參數(shù)制得3種活性炭非織造布，分析、比較3種活性炭非織造布的載炭量與拉伸性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用的原料見表1。

表1 試驗(yàn)原料

1.2 活性炭非織造布制備

活性炭非織造布制備工藝流程如圖1所示。

圖1 活性炭非織造布制備工藝流程

工藝1：首先，對(duì)滌綸短纖進(jìn)行充分開松、除雜；然后，在BG 218型雙道夫雜亂梳理機(jī)上梳理成網(wǎng)，纖網(wǎng)面密度為85 g/m2；接著，利用WFC 100型針刺機(jī)對(duì)纖網(wǎng)進(jìn)行預(yù)針刺，形成非織造纖網(wǎng)，其具有一定的穩(wěn)定性，同時(shí)具備疏松、多孔性能，利于活性炭粉末進(jìn)入纖網(wǎng)并借助黏合劑黏附于纖維之間。

工藝2：先將稱量好的椰殼活性炭粉末置于蒸餾水中，靜置一段時(shí)間，待水分子完全占據(jù)活性炭粉末的孔隙后，懸浮和漂浮在水面的活性炭粉末細(xì)小顆粒則沉至底部；配制不同濃度、不同種類的黏合劑溶液，并加入少量的十二烷基磺酸鈉作為分散劑(其質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.0%)，然后與浸濕的椰殼活性炭粉末混合，形成浸漬液。

工藝3：將非織造纖網(wǎng)放入裝有浸漬液的水箱中，并將水箱置于超聲波攪拌儀中，待非織造纖網(wǎng)浸濕完全后取出，并用JWU-504A型氣動(dòng)小軋車進(jìn)行脫液處理，隨后放入DGG-9003A型恒溫電熱鼓風(fēng)烘箱中進(jìn)行烘燥，即得活性炭非織造布。

1.3 測試

1.3.1 載炭量

采用FA2004型電子天平測量非織造纖網(wǎng)浸漬前的質(zhì)量及活性炭非織造布烘干后的質(zhì)量，計(jì)算活性炭非織造布的載炭量(W)：

其中：W2為活性炭非織造布上活性炭粉末和黏合劑質(zhì)量與非織造纖網(wǎng)質(zhì)量之比；C為黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；R為浸漬液中活性炭粉末質(zhì)量與黏合劑溶液質(zhì)量之比；W1為烘干后的活性炭非織造布質(zhì)量，g；W0為浸漬前的非織造纖網(wǎng)質(zhì)量，g。

1.3.2 拉伸斷裂強(qiáng)力

測試儀器采用HD026N-300型多功能織物強(qiáng)力儀，測試標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能第1部分?jǐn)嗔褟?qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》[3]，隔距為100 mm，拉伸速率為100 mm/min。

1.3.3 DSC分析

采用DSC 400型差示掃描量熱儀進(jìn)行3種黏合劑的DSC分析。

1.3.4 形貌觀察

采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察活性炭非織造布中纖維與活性炭的表面形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)與載炭量分析

從活性炭非織造布制備工藝流程可知，影響成品載炭量的工藝參數(shù)有3個(gè)：黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)A，浴比B(即活性炭粉末與浸漬液質(zhì)量比)和烘焙溫度C。為尋找最佳的工藝參數(shù)，并確定它們對(duì)活性炭非織造布載炭量的影響程度，設(shè)計(jì)了三因子三水平的正交試驗(yàn)方案(表2)，載炭量極差分析如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)方案

表3 載炭量極差分析表

注：#1、#2、#3分別表示采用聚乙烯醇粉末、水性丙烯酸樹脂乳液和聚醋酸乙烯酯乳液做黏合劑而形成的活性炭非織造布

根據(jù)表2的正交試驗(yàn)方案所獲得的載炭量試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行極差分析，不僅可以判斷各因子對(duì)載炭量的影響程度，還可以確定最優(yōu)的工藝參數(shù)水平組合。由表3可以看出，無論采用哪種黏合劑，對(duì)載炭量影響程度最大的都是浴比，其次是黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，影響程度最小的是烘焙溫度。采用聚乙烯醇做黏合劑，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)載炭量最大；采用水性丙烯酸樹脂乳液或聚醋酸乙烯酯乳液做黏合劑，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)載炭量最大。進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)，對(duì)3種黏合劑而言，黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～2.0%時(shí)載炭量最大，浴比為1.0 ∶1.5時(shí)載炭量最大。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，此時(shí)浸漬液中活性炭粉末含量高，故而能提高活性炭非織造布的載炭量，但同時(shí)也降低了非織造布上活性炭粉末的分布均勻性；采用聚乙烯醇粉末做黏合劑時(shí)，這種情況尤為明顯。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)男┮蜃訉?duì)載炭量有影響、哪些因子無影響，在正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行方差分析(表4)。由表4可知，無論采用何種黏合劑，烘焙溫度對(duì)載炭量都沒有影響；采用聚乙烯醇粉末或聚醋酸乙烯酯乳液做黏合劑，置信度為95%時(shí)3個(gè)因子的水平變化對(duì)載炭量的影響無顯著性差異，置信度為90%時(shí)因子A和因子B的水平變化對(duì)載炭量的影響有顯著性差異。其原因可能是試驗(yàn)中的隨機(jī)誤差大，也可能是因子的水平設(shè)置范圍小，使得隨機(jī)誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度遠(yuǎn)大于因子的水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。

表4 載炭量方差分析表

2.2 拉伸斷裂強(qiáng)力測試

圖2為黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)不同烘焙溫度下3種活性炭非織造布的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力，可以看出，采用水性丙烯酸樹脂乳液或聚醋酸乙烯酯乳液做黏合劑的活性炭非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力隨著烘焙溫度的提高沒有明顯變化；采用聚乙烯醇粉末做黏合劑的活性炭非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力在烘焙溫度為90、120 ℃時(shí)明顯下降，小于烘焙溫度為60 ℃時(shí)的拉伸斷裂強(qiáng)力。

從3種黏合劑的DSC曲線(圖3)可以看出，在60～90、90～120 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，只有聚乙烯醇粉末的DSC曲線在60～90 ℃出現(xiàn)吸熱峰。聚乙烯醇的玻璃轉(zhuǎn)化溫度為75～85 ℃，當(dāng)烘焙溫度為90、120 ℃時(shí)，聚乙烯醇的分子鏈段松弛，進(jìn)入玻璃轉(zhuǎn)化區(qū)。由此可以推測烘焙溫度大于黏合劑的玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，會(huì)對(duì)活性炭非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力產(chǎn)生不良影響。相關(guān)資料表明[4]，產(chǎn)品的斷裂強(qiáng)度隨著所用黏合劑的玻璃轉(zhuǎn)化溫度的提高而提高，當(dāng)烘焙溫度大于黏合劑的玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，水分蒸發(fā)速度快且更易透過聚乙烯醇膜，造成膜的致密性下降[5]，膜的抗張強(qiáng)度也下降，活性炭非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力隨之下降。

圖2 不同烘焙溫度下3種活性炭非織造布的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力

圖3 3種黏合劑的DSC曲線

圖4為烘焙溫度120 ℃時(shí)不同黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下3種活性炭非織造布的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力，可以看出，隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升，#2和#3的拉伸斷裂強(qiáng)力呈上升趨勢，而#1是先上升后下降，說明黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，活性炭非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力并不一定越高。

圖4 不同黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下3種活性炭非織造布的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力

在同等條件下，#3的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力均低于#1和#2。乳液狀的聚醋酸乙烯酯在水中的分布均勻程度遠(yuǎn)不如水溶性聚乙烯醇和水性丙烯酸樹脂，因此其在纖網(wǎng)上的分布均勻性降低，導(dǎo)致以其做黏合劑的活性炭非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力下降。

表5給出了3種活性炭非織造布的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力比，可以看出，#1的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力比基本上都小于#2和#3，僅在烘焙溫度60 ℃、黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%時(shí)略大于#3。這可能是因?yàn)槿軇┱舭l(fā)時(shí)溶質(zhì)(即聚乙烯醇)極易成膜，膜附著在非織造纖網(wǎng)縱橫向的多根纖維上(圖5)，降低了活性炭非織造布縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力比。

表5 3種活性炭非織造布的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力比

圖5 聚乙烯醇膜黏附于非織造纖網(wǎng)的電鏡照片

3 結(jié)論

本文分別采用聚乙烯醇、丙烯酸樹脂和聚醋酸乙烯酯做黏合劑，制備了3種活性炭非織造布，研究了3個(gè)因子(即黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、浴比和烘焙溫度)對(duì)活性炭非織造布的載炭量的影響程度，分析、比較了3種活性炭非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力與黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)及烘焙溫度的關(guān)系，得出：

(1) 無論選用哪種黏合劑，3個(gè)因子對(duì)活性炭非織造布的載炭量的影響程度由大到小依次為浴比、黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、烘焙溫度；正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果表明烘焙溫度對(duì)活性炭非織造布的載炭量的影響不顯著，同時(shí)也說明正交試驗(yàn)中各因子的水平設(shè)置范圍較小或隨機(jī)誤差較大。

(2) 烘焙溫度對(duì)活性炭非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力的影響與采用的黏合劑的熱學(xué)性能有關(guān)，當(dāng)烘焙溫度高于所采用的黏合劑的玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，黏合劑成膜的抗張強(qiáng)度會(huì)下降，因而使得活性炭非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力下降。

(3) 烘焙溫度一定時(shí)，活性炭非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升而提高；相比于其他兩種活性炭非織造布，采用聚醋酸乙烯酯做黏合劑的活性炭非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力最低，這是因?yàn)槿橐籂畹木鄞姿嵋蚁ピ谒械姆稚⑿圆患选?/p>

(4) 采用聚乙烯醇做黏合劑的活性炭非織造布的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力比較接近。因?yàn)榫垡蚁┐紭O易成膜，膜附著在非織造纖網(wǎng)縱橫向的多根纖維上，提高了活性炭非織造布的穩(wěn)定性，降低了其縱橫向的拉伸斷裂強(qiáng)力差異。

[1] 孫康, 蔣劍春. 國內(nèi)外活性炭的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢. 林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè), 2009, 29(6): 98-104.

[2] 歐陽曙光, 劉鳳, 許杰. 基于焦化除塵灰和無紡布的活性炭布制備研究. 廣州化工, 2012, 40(6): 50-52.

[3] 劉明, 鄭宇英, 王穎, 等. 紡織品織物拉伸性能第1部分?jǐn)嗔褟?qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法): GB/T 3923.1—2013[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2014.

[4] 陳明情, 劉亞. 泡沫浸漬法非織造布性能研究[J]. 非織造布, 2009,17(1): 19-21.

[5] 陳志周, 王建清. 聚乙烯醇成膜性及影響因素研究[J]. 包裝工程, 2009, 30(1): 4-7.

Process study on the production of activated carbon nonwovens through the dipping method

PengZhipeng，YinBaopu

College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China

A loose needle web with an areal density of 85 g/m2was made of polyester staple fibers. Then, adopting polyvinyl alcohol, acrylic resin and polyvinyl acetate as an adhesive respectively,the activated carbon powder was made to adhere to the needle wed through the dipping method to produce 3 kinds of activated carbon nonwovens. The influence of the mass fraction of adhesive, the bath ratio (i.e, the mass ratio of activated carbon powders to dipping liquid) and the baking temperature on the amount of carbon load and the tensile properties of the activated carbon nonwovens were studied as well as the amount of carbon load and the tensile property of the 3 kinds of activated carbon nonwovens were compared. The results showed that the bath ratio had the greatest impact on the amount of carbon loaded on the activated carbon nonwovens, and the second was the mass fraction of adhesive, while the baking temperature seemed to have no influence. The effect of the baking temperature on the tensile strength of the activated carbon nonwovens depended on the thermal property of the adhesive used. The tensile strength of 3 kinds of activated carbon nonwovens improved with the increasing of the mass fracrion of adhesive. When polyvinyl acetate was choosed as the adhesive, duing to its poor dispersibility in water, the tensile strength of the activated carbon nonwoven was the lowest. When polyvinyl alcohol was used as the adhesive, because of its good film formation, the tensile strength of the activated carbon nonwoven in vertical was close to that in horizontal.

activated carbon nonwoven, dipping method, adhesive, amount of carbon load, tensile property

2016-08-02

彭志鵬，男，1991年生，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榉强椩觳伎諝鈨艋?/p>

殷保璞，E-mail:bpyin@dhu.edu.cn

TS174.6

A

1004-7093(2017)02-0011-05