滌綸復合針刺氈工藝及性能研究*

南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通226019

滌綸復合針刺氈工藝及性能研究*

張旭李素英常敬穎朱夢玲謝檸蔚

南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通226019

以0．90、2．20、2．78 dtex的滌綸為原料，以過濾氈結(jié)構(gòu)、纖維配比、針刺密度為因素，設計正交試驗方案。采用梳理成網(wǎng)、針刺加固工藝制備滌綸復合針刺氈，研究各因素對滌綸復合針刺氈的影響。結(jié)果表明：當針刺密度為900刺/cm2時，[15%(質(zhì)量分數(shù))0．90 dtex 滌綸+35%(質(zhì)量分數(shù))2．20 dtex滌綸]/50%(質(zhì)量分數(shù))2．78 dtex滌綸的復合針刺氈的力學性能最好；當針刺密度為700刺/cm2時，[35%(質(zhì)量分數(shù))0．90 dtex滌綸+15%(質(zhì)量分數(shù))2．20 dtex滌綸]/50%(質(zhì)量分數(shù))2．78 dtex滌綸的復合針刺氈的透氣性最好；所有試樣對PM2．5的過濾效率均達到100%。

滌綸復合針刺氈， 過濾氈結(jié)構(gòu)， 纖維配比， 針刺密度， PM2．5

工業(yè)的迅猛發(fā)展及人類的活動導致工業(yè)、生活、交通和建筑等各類排放源排放了大量的煙塵和粉塵，大氣中顆粒物急劇增加，環(huán)境日趨惡劣，這嚴重影響了人類的身體健康[1-2]。因此，人們越來越關注可以安全防護粉塵顆粒的材料，并加大了對此類材料的開發(fā)和應用。過濾是指分離、捕集分散于氣體或液體中顆粒狀物質(zhì)的一個過程。除塵凈化技術的發(fā)展、水平的提高及其應用范圍的擴展，使人們對除塵用紡織品在數(shù)量、品種和質(zhì)量上都有了更高的要求[3]。因此，研制與開發(fā)過濾除塵用防護紡織材料越來越重要。

目前，我國過濾與分離用紡織品的應用領域十分廣泛，且受國家環(huán)保政策的影響，過濾與分離紡織品行業(yè)近年繼續(xù)保持快速增長，其中高溫過濾紡織品增速明顯。非織造布加工方法多樣，且可按照過濾材料的密度梯度需要設計最佳的纖維曲徑系統(tǒng)，生產(chǎn)更為合理、經(jīng)濟[4]。非織造布的過濾效率與其結(jié)構(gòu)[5]密切相關。有研究[6]表明，非織造布孔隙率越小，則纖維填充率越大，對粒子的干涉作用越強，捕集效率越高，過濾效率越好。

針剌氈作為新興的非織造過濾材料，其以獨特的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、均勻的孔隙分布、合理的纖維曲經(jīng)系統(tǒng)及良好的過濾性能，加上高產(chǎn)量、低成本等特點，逐步取代了傳統(tǒng)的機織和針織過濾材料，成為袋式除塵器濾料的主流。當介質(zhì)流經(jīng)針刺氈時，濾材的網(wǎng)狀孔隙增強了分散效果，提高了過濾效率[7]。針刺氈既能抑制粉塵粒子向深層滲透，延長使用壽命，又能迅速形成塵餅，增強過濾作用。

本文以0．90、2．20、2．78 dtex線密度的滌綸短纖為原料，以過濾氈結(jié)構(gòu)、纖維配比、針刺密度為因素，設計正交試驗方案，采用梳理成網(wǎng)、針刺加固非織造工藝制備滌綸復合針刺氈。研究工藝參數(shù)對滌綸復合針刺氈的過濾相關性能的影響，測試分析各試樣的面密度、厚度、透氣性、斷裂強力、過濾效率，研究不同復合結(jié)構(gòu)對滌綸復合針刺氈性能的影響，以為生產(chǎn)實踐提供理論指導。

1 試樣制備

1．1試驗原料與制備器材

1．1．1 試驗原料

0．90、2．20、2．78 dtex的滌綸短纖，寧波大發(fā)化纖有限公司。

1．1．2 制備器材

FZSC1050梳理機，常熟偉成非織造設備廠； YBG343-110針刺機，海潤紡織機器廠； BSA2245-CW電子分析天平，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司。

1．2試驗方案及試樣制備

針刺氈上層選擇2種線密度的滌綸短纖按比例稱重混合，經(jīng)梳理機鋪網(wǎng)后，在針刺深度為9 mm的預針刺機上預刺，再在針刺深度為7 mm的主針刺機上進行主刺；下層使用余下線密度的滌綸短纖梳理成網(wǎng)、針刺加固。將制備好2塊的針刺非織造材料通過針刺深度為7 mm的主針刺機針刺在一起，制成滌綸復合針刺氈試樣。設計的3因素3水平的正交試驗如表1和表2所示。

表1 試驗因素設計表

注： A1表示滌綸復合針刺氈的上層由0．90 dtex和2．20 dtex的滌綸短纖混合針刺制成，滌綸針刺過濾氈的下層由2．78 dtex的滌綸短纖針刺制成；B1表示制成的滌綸復合針刺氈中，0．90 dtex滌綸短纖的質(zhì)量分數(shù)為15%，2．20 dtex滌綸短纖的質(zhì)量分數(shù)為35%，2．78 dtex滌綸短纖的質(zhì)量分數(shù)為50%；其他以此類推

表2 L9(33)正交試驗方案

2 性能測試與數(shù)據(jù)分析

2．1主要測試儀器

測試使用的主要儀器歸納于表3。

表3 性能測試所用主要儀器

續(xù)表

2．2測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2．2．1 厚度和面密度

9塊滌綸復合針刺氈的厚度及面密度測試結(jié)果見圖1和圖2，并就各因素對厚度及面密度的影響進行了極差分析(表4)。

圖1 試樣厚度變化趨勢

圖2 試樣面密度變化趨勢

項目因素A因素B因素C厚度1.20.70.5面密度65.353.335.6

由表4可得出因素(過濾氈結(jié)構(gòu)、纖維配比、針刺密度)對優(yōu)化指標(厚度、面密度)影響的主次順序為過濾氈結(jié)構(gòu)>纖維配比>針刺密度。針刺非織造材料的厚度和面密度越大，則單位面積內(nèi)纖維的根數(shù)增多，纖維之間的糾纏抱合增強，纖維間的孔隙減少，針刺非織造材料的緊密度提高，所以透氣性降低?；诖?，滌綸復合針刺氈面密度與厚度越小越好，所以從厚度角度考慮，最優(yōu)方案為A1B3C3；從面密度角度考慮，最優(yōu)方案為A1B3C3。

非織造材料的厚度一般與面密度成正比。面密度越小，產(chǎn)品越薄，反之則反之。試驗分析發(fā)現(xiàn)，影響滌綸復合針刺氈的厚度和面密度的主要因素是所用滌綸短纖的線密度結(jié)構(gòu)，即過濾氈結(jié)構(gòu)。圖2可以看出，試樣1～試樣3的面密度較小，原因在于它們的過濾氈結(jié)構(gòu)中線密度較小的滌綸短纖占整體的質(zhì)量分數(shù)較大。當線密度越小的滌綸短纖在非織造材料中所占的質(zhì)量分數(shù)越大時，非織造材料的面密度越小，厚度也越小。

2．2．2 斷裂強力

斷裂強力是評定非織造材料內(nèi)在質(zhì)量的重要指標之一，常用于評定非織造材料經(jīng)日曬、洗滌、磨損及各種整理后內(nèi)在質(zhì)量的變化。9塊試樣縱橫向的斷裂強力見圖3，相關極差分析見表5和表6。

圖3 試樣縱橫向斷裂強力

極差因素A因素B因素Ck12043.02076.71824.3k22004.01927.02120.7k32028.02061.32130.0R 39.0 149.7 305.7

表6 縱向斷裂強力極差分析

由圖3可以看出，試樣的橫向斷裂強力始終大于縱向。由表5、表6的極差分析都可得出對優(yōu)化指標(斷裂強力)影響的主次順序為針刺密度>纖維配比>過濾氈結(jié)構(gòu)。影響斷裂強力的主要因素是針刺密度，隨著針刺密度的增加，針刺作用對纖網(wǎng)的作用增強，更多的滌綸短纖進入纖網(wǎng)內(nèi)部，纖維間孔隙減小、結(jié)合力增加，纖網(wǎng)緊密度增加、斷裂強力增加。但針刺密度過大，則針刺會對纖網(wǎng)造成破壞，斷裂纖維數(shù)增多，緊密度不再增加，斷裂強力有所下降。

故基于滌綸復合針刺氈縱橫向斷裂強力越大越好的原則，確定A1B1C3為最優(yōu)方案。

2．2．3 透氣率

透氣性反映的是非織造材料允許空氣從其微孔或間隙中擴散出去的特性。9塊試樣的透氣率見圖4，其中試樣7～試樣9的透氣率相對較高。相關極差分析見表7，可得出對優(yōu)化指標(透氣率)影響的主次順序為過濾氈結(jié)構(gòu)>針刺密度>纖維配比。滌綸短纖的線密度結(jié)構(gòu)即過濾氈結(jié)構(gòu)是影響透氣性的主要因素。過濾氈中線密度較大的滌綸短纖占整體的質(zhì)量分數(shù)越大，則纖維間的孔隙較大，過濾氈的透氣率較好。故基于滌綸復合針刺氈透氣率越大越好的原則，確定A1B3C2為最優(yōu)方案。

圖4 試樣透氣率

極差因素A因素B因素Ck11817.22070.82085.2k22093.52048.82175.2k32330.62121.81980.9R 513.4 72.9 194.4

2．2．4 過濾效率

過濾效率采用AFC-131型過濾測試儀進行，被測塵源采用DEHS氣溶膠，管道風量采用風速儀計量，過濾材料流量采用管道壓力控制并由計數(shù)器上的控制板面顯示流量。試驗采用粒子粒徑為0．20～15．00 μm、分12個區(qū)間等級的DEHS氣溶膠，設定氣溶膠濃度為5 mg/m3，流速為10 m3/h。測試結(jié)果見圖5，表8以粒子粒徑1．00～1．50 μm的過濾效率為代表進行極差分析。

表8 過濾效率極差分析

從圖5可以看出，隨著粒子粒徑的增加，所有試樣的過濾效率有所提高，其中當粒子粒徑為2．00～3．00 μm時，試樣的過濾效率均達到100%，即所有試樣對PM2．5的過濾效率均達到100%。試樣3在過濾小粒徑方面的效率明顯高于其他試樣，而試樣4的過濾效率最低。試樣3和試樣4在過濾氈結(jié)構(gòu)、纖維配比及針刺密度等方面都不相同，其中試樣3的針刺密度高于試樣4，故纖維間的糾纏增加、抱合加強，纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)緊密，過濾效率較高。

由表8可得出對優(yōu)化指標(過濾效率)影響的主次順序為纖維配比>針刺密度>過濾氈結(jié)構(gòu)。其中，纖維配比是影響過濾效率的主要因素。故基于滌綸復合針刺氈過濾效率越高其過濾性能越好的原則，確定A3B3C3為最優(yōu)方案。此外，纖維的線密度與針刺氈的過濾效率也有很大關系。當針刺氈中的纖維較細時，過濾效率越大。隨著纖維直徑的增大，纖網(wǎng)相對較蓬松，纖維間孔隙增加，過濾效率下降。

圖5 試樣過濾效率

3 結(jié)論

(1) 影響滌綸復合針刺氈厚度、面密度的主次順序為過濾氈結(jié)構(gòu)>纖維配比>針刺密度。過濾氈結(jié)構(gòu)中，線密度較小的滌綸短纖占整體的質(zhì)量分數(shù)越大，滌綸復合針刺氈的面密度越小，厚度也越小。

(2) 影響滌綸復合針刺氈力學性能的主次順序為針刺密度>纖維配比>過濾氈結(jié)構(gòu)。當針刺密度為900刺/cm2時，[15%(質(zhì)量分數(shù))0．90 dtex滌綸+35%(質(zhì)量分數(shù))2．20 dtex滌綸]/50%(質(zhì)量分數(shù))2．78 dtex滌綸的復合針刺過濾氈的力學性能最好。

(3) 影響滌綸復合針刺氈透氣性的主次順序為過濾氈結(jié)構(gòu)>針刺密度>纖維配比。當針刺密度為700刺/cm2時，[35%(質(zhì)量分數(shù))0．90 dtex滌綸+15%(質(zhì)量分數(shù))2．20 dtex滌綸]/50%(質(zhì)量分數(shù))2．78 dtex 滌綸的復合針刺氈的透氣性最好。

(4) 所有試樣對PM2．5的過濾效率均達到100%。當滌綸復合針刺氈中纖維線密度越小時，過濾效率越大；隨著纖維線密度的增大，纖維網(wǎng)相對較蓬松，纖維間的孔隙增加，微粒的擴散作用和慣性作用下降，過濾效率下降。

[1] 朱銳鈿，張鵬，趙耀明．國內(nèi)耐高溫濾材用合成纖維的應用研究進展[J]．合成纖維工業(yè)．2011，34(5)：52-54．

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[3] 陳隆樞．工業(yè)防塵技術新發(fā)展對袋式除塵配套濾料的要求[C]//高新技術在產(chǎn)業(yè)用紡織品領域推廣應用研討會暨科技成果信息發(fā)布洽談會報告文集，2002．

[4] 劉呈坤，馬建偉．非織造布過濾材料的性能測試及產(chǎn)品應用[J]．非織造布，2005，13(1)：30-34．

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[6]馬馳，吳玥，俞建勇．PBS靜電紡非織造布結(jié)構(gòu)與過濾性能的關系分析[J]．產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008，26(5)：13-15．

[7] 李瑞欣，彭景洋，劉亞，等．非織造布在過濾中的應用[J]．非織造布，2011，19(6)：63-66．

Study on technology and properties of the PET compound needle felt

ZhangXu，LiSuying，ChangJingying，ZhuMengling，XieNingwei

School of Textile and Clothing， Nantong University， Nantong 226019， China

The orthogonal experiments were designed by taking 0．90， 2．20 and 2．78 dtex PET as raw materials and the filter felt’s structure， fiber ratio and needle density as factors． Then the PET compound needle felts were prepared by carding netting and acupuncture reinforcing technology， and the influences of various factors on the PET compound needle felts were studied． The results showed that， when the needle density was at 900 punctures/cm2， the compound needle felt with [15%(wt．) 0．90 dtex PET fibers + 35%(wt．) 2．20 dtex PET fibers]/50%(wt．) 2．78 dtex PET fibers showed the best mechanical property； when the needle density was at 700 punctures/cm2， the compound needle felt with [35%(wt．) 0．90 dtex PET fibers + 15%(wt．) 2．20 dtex PET fibers]/50%(wt．) 2．78 dtex PET fibers showed the best air permeability； all samples showed 100% in the filtration efficiency of PM2．5．

PET compound needle felt， filter felt’s structure， fiber ratio， needle density， PM2．5

*國家自然科學基金(2016YFB0303100)

2017-01-16

張旭，男，1991年生，在讀碩士研究生，主要研究方向為非織造材料的研究與開發(fā)

李素英，E-mail：lisy@ntu．edu．cn

TS174．6， TS176+．3

： A

1004-7093(2017)07-0021-05