腈綸預氧化絲/芳綸針刺濾材的性能

于 賓， 趙曉明， 漆東岳

(1. 天津工業(yè)大學 紡織學院， 天津 300387； 2. 廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院， 廣東 廣州 511447)

霧霾是指由于空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等大量細微懸浮顆粒的存在，使空氣渾濁并導致水平能見度小于10 km的天氣現(xiàn)象[1]。隨著生產(chǎn)制造業(yè)和城市化的發(fā)展，汽車尾氣和工業(yè)廢氣的排放以及沙塵暴、建筑揚塵等增多，霧霾成為我國面臨的重要環(huán)境問題[2]，其中，煤燃燒以及垃圾焚燒等產(chǎn)生的懸浮顆粒物是造成空氣污染、霧霾形成的主要原因，粒徑小于2.5 μm的懸浮顆粒物(PM2.5)可通過呼吸道進入人體且不易被清除，增加心血管和呼吸道發(fā)病概率，對人體健康造成嚴重危害[3]。使用纖維濾材對空氣進行過濾，是去除懸浮顆粒物、凈化空氣最為直接有效的手段之一。

由于具有低成本、高效率、低能耗、結構簡單、易清灰的性能，非織造纖維過濾材料廣泛應用于各種空氣過濾領域[4]。由隨機雜亂分布的纖維構成的非織造過濾材料具有優(yōu)良的透氣性、多孔性和較高的過濾效率，其中針刺法是目前常用的纖維過濾材料加工方式[5]。目前，常見的高溫濾材用纖維主要有聚四氟乙烯纖維、聚苯硫醚纖維、芳綸、芳砜綸、聚酰亞胺纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維等[6-7]，其中：玻璃纖維和玄武巖纖維剛性大，易斷裂，短纖維梳理性能差，不利于針刺等加工方式的進行；而其他纖維存在國內制備技術不成熟或價格偏高等問題。

聚丙烯腈(PAN)預氧化絲是由PAN原絲在空氣氛圍中經(jīng)180～300 ℃穩(wěn)定化處理后制得。在制備過程中，PAN原絲經(jīng)氧化、脫氫及分子間環(huán)化等使原始的雜亂螺旋狀大分子結構轉化為平面狀梯形穩(wěn)定結構，具有不熔、不軟化和耐高溫等優(yōu)點，其極限氧指數(shù)大于40%[8-9]。在高性能碳纖維的制備過程中有部分預氧化絲被廢棄，由于其強力低和纖維纏結性能差等問題，主要被用作各種填充保溫材料[10]。

本文以PAN預氧化絲為主體材料，混入一定質量分數(shù)的芳綸制備復合濾材，采用霍夫變換的圖像分析法檢測纖維直線段長度，評估纖維纏結程度，以此為基礎分析芳綸纖維質量分數(shù)對復合濾材性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要材料與設備

材料：PAN預氧化絲(1.67 dtex，51 mm)，唯多維科技(天津)有限公司；間位芳綸(1.67 dtex，51 mm)，泰和新材料股份有限公司。

設備：TM-1000型掃描電子顯微鏡(SEM),日本日立有限公司；YG461H型全自動透氣量儀，寧波紡織儀器有限公司；YG028型萬能材料試驗機，溫州方圓儀器有限公司；TOPAS PSM-165型孔徑測定儀，德國Bruker公司;LZC-K1型濾料綜合性能測試平臺，蘇州華達實驗儀器有限公司；預氧化絲針刺非織造材料生產(chǎn)線，唯多維科技(天津)有限公司。

1.2 濾材制備

在PAN預氧化絲中混入不同質量分數(shù)的芳綸，經(jīng)針刺工藝制備復合濾材?；烊敕季]質量分數(shù)分別為0、10%、20%、30%和40%，所制備的相應復合濾材分別記為PA-0、PA-10、PA-20、PA-30和PA- 40。

1.3 性能測試與表征

1.3.1形貌觀察

樣品經(jīng)干燥和噴金處理后，使用掃描電子顯微鏡對PAN預氧化絲復合濾材的形貌進行觀察。對獲得的SEM圖像進行基于霍夫變換的圖像分析法處理，以獲取纖維直線段長度指數(shù)，來表征纖維纏結程度。

1.3.2透氣性測試

根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，使用全自動透氣量儀對濾材透氣性進行測試。壓差為200 Pa，每個樣品測試5個試樣，結果取平均值。

1.3.3拉伸性能測試

根據(jù)GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定》，使用萬能材料試驗機對試樣進行拉伸性能測試。試樣尺寸為200 mm×50 mm，夾持距為100 mm，拉伸速度為100 mm/min，每個樣品測試5個試樣，結果取平均值。

1.3.4孔徑測試

采用孔徑測定儀測試復合濾材的孔徑，測試面積為0.95 cm2。

1.3.5過濾性能測試

用濾料綜合性能測試臺對復合濾材過濾性能進行測試。測試面積為100 cm2，流量為32 L/min，主要考察了對粒徑≥0.3 μm、≥0.5 μm、≥1.0 μm和≥2.5 μm微粒的過濾效率。過濾效率用上下游粒子數(shù)量差值與上游粒子數(shù)量的百分比表示。

2 結果與討論

2.1 纖維纏結性能

圖1示出PA-0、PA-20和PA-40復合濾材掃描電子顯微鏡圖片。可知，復合濾材由雜亂排列相互交錯的纖維組成，纖維間相互糾纏使濾材加固，同時形成的微孔結構有利于氣流通過和攔截粉塵微粒。針刺非織造材料加固過程中，纖維隨刺針由纖維網(wǎng)的上部向下遷移，刺針返回后，部分纖維段留在了厚度方向形成纖維束，纖維發(fā)生纏結，同時發(fā)生彎轉、扭曲，致使纖維在纖維網(wǎng)平面上直線段長度減小，較小的纖維直線段長度意味著較高的纖維纏結程度[11-12]。本文通過基于霍夫變換(Hough transform)的圖像分析法檢測圖像中的纖維直線段，利用Norm函數(shù)計算出由直線段兩端點坐標構成向量的范數(shù)作為所檢測到的纖維直線段長度指數(shù)，以此表征纖維纏結程度來分析芳綸含量對濾材性能的影響。圖像分析具體過程如文獻[13]所述。

圖1 芳綸質量分數(shù)不同時復合濾材SEM照片(×100)Fig.1 SEM pictures of composite filter materials with different aramid fiber weight percentages(×100)

圖2示出PA-0、PA-20和PA-40復合濾材纖維直線段長度分布圖?？煽闯觯琍A-0、PA-20和PA-40復合濾材纖維在纖維直線段長度指數(shù)大于300的比例分別為33.96%、18.52%和7.87%。纖維直線段長度指數(shù)隨著芳綸質量分數(shù)的增大而減小，即纖維纏結程度提高。這是因為PAN預氧化絲卷曲性能較差，纖維斷裂強力低致使纖維纏結性能差，而芳綸強力相對較高且纖維纏結性能優(yōu)良，隨著芳綸質量分數(shù)增大，總體纖維間的摩擦力、抱合力提高，纖維間纏結程度提高，纖維網(wǎng)更加致密。

圖2 芳綸質量分數(shù)不同時濾材纖維直線段長度指數(shù)分布Fig.2 Fiber straight segment length index distributions of composite filter with different aramid fiber weight percentages

目前文獻中較常用的非織造材料纖維纏結程度表征方法是纏結系數(shù)法。纏結系數(shù)等于非織造材料縱向斷裂強力和橫向強力之和與其面密度的比值[14]。不同芳綸質量分數(shù)復合濾材纖維纏結系數(shù)如圖3所示?？芍?，隨著芳綸質量分數(shù)的增大，復合濾材纖維纏結系數(shù)明顯提高，相對于PA-0，PA-40纏結系數(shù)由0.82(N·m2)/g提高到2.77(N·m2)/g。對比2種纖維纏結程度評價方法發(fā)現(xiàn)，其所獲得結果具有很好的吻合性。

圖3 芳綸質量分數(shù)不同時濾材纖維纏結系數(shù)Fig.3 Fiber entanglement factors of composite filter materials with different aramid fiber weight percentages

2.2 復合濾材透氣性

透氣性是影響纖維濾材過濾阻力性能的一個重要因素，由纖維濾材的緊密度和厚度等因素決定。表1示出不同芳綸質量分數(shù)復合濾材基本性能?？芍苽錇V材試樣的厚度無明顯差別，從而厚度對試樣透氣性的影響可忽略。相較于PA-0，PA-40的透氣性下降40.37%，透氣性變化較明顯。相較于PAN預氧化絲，芳綸力學性能和卷曲性能優(yōu)良，隨著芳綸質量分數(shù)增加，復合濾材中纖維纏結程度提高，濾材更加致密而孔隙率減小，透氣性降低。此外，相較于芳綸質量分數(shù)小于20%的樣品，芳綸質量分數(shù)大于20%時所對應復合濾材的透氣性隨著芳綸纖維質量分數(shù)增加而下降的趨勢更加明顯，相較于PA-0，PA-20和PA-40的透氣性分別下降了14.04%和27.21%，原因是芳綸含量較少時，纖維纏結性能提高有限。

表1 芳綸質量分數(shù)不同時復合濾材基本性能Tab.1 Basic properties of composite filter materials with different aramid fiber weight percentages

2.3 復合濾材拉伸性能

圖4示出不同芳綸纖維質量分數(shù)復合濾材拉伸斷裂強度和斷裂伸長率?？芍?，復合濾材橫向(CD)斷裂強度大于其相應縱向(MD)斷裂強度。而橫向斷裂伸長率卻小于其相應縱向伸長率，造成這個現(xiàn)象的原因是復合濾材制備過程中采用交叉鋪網(wǎng)的方式，結合梳理機梳理作用，纖維主體上沿橫向分布，濾材受到外力作用時，載荷主要分布在纖維軸向上，橫向纖維在較小變形下就能承受載荷且載荷較大，而縱向纖維在承受載荷前發(fā)生再取向，變形較大，承受載荷較小[15]。由圖4(a)可知，復合濾材橫向和縱向斷裂強度隨著芳綸質量分數(shù)的增大均有明顯提高，相較于PA-0，PA-40的橫向和縱向斷裂強度分別提高了3.08倍和1.97倍。這是因為芳綸質量分數(shù)增加，不僅纖維纏結程度有所提高，而且高強力纖維比例增大，濾材強度提高。由圖4(b)可知，復合濾材的橫向和縱向斷裂伸長率隨著芳綸質量分數(shù)的增大都有所增加，相較于PA-0，PA-20的橫向和縱向斷裂伸長率分別提高了8.93%和8.69%。芳綸質量分數(shù)大于30%后，復合濾材橫向和縱向斷裂伸長率提高不再明顯，與PA-20相比，PA-40的橫向和縱向斷裂伸長率僅分別增加了1.83%和2.83%。這是因為隨著芳綸質量分數(shù)增大，纖維纏結性能提升，濾材的斷裂伸長率提高，然而到一定程度后，該影響力減弱，斷裂伸長率趨于穩(wěn)定。

圖4 芳綸質量分數(shù)不同時復合濾材斷裂強度和斷裂伸長率Fig.4 Breaking strength (a) and breaking elongation (b)of composite filter materials with different aramid fiber weight percentages

2.4 復合濾材孔徑

較小的孔徑尺寸有利于對微粒的攔截，提高濾材的過濾效率。芳綸質量分數(shù)不同時復合濾材孔徑尺寸如表2所示?？芍瑥秃蠟V材最小孔徑、最大孔徑和平均孔徑隨著芳綸質量分數(shù)增大而減小。芳綸質量分數(shù)小于20%時，復合濾材平均孔徑隨著芳綸質量分數(shù)的增大明顯減小，相較于PA-0，PA-20的平均孔徑減小了28.37%，而芳綸質量分數(shù)大于20%后，復合濾材平均孔徑減小不再明顯，相較于PA-20，PA-40的平均孔徑僅僅減小了6.04%?；烊敕季]有利于提高纖維纏結程度，增強復合濾材致密性，使孔徑減??；然而，復合濾材致密性隨纖維纏結程度提高而達到一定程度后，受纖維直徑等因素的影響，其對孔徑的影響減小，孔徑變化不再明顯。

表2 芳綸含量不同時復合濾材孔徑Tab.2 Pore size of composite filter materials with different aramid fiber weight percentages μm

2.5 復合濾材過濾性能

圖5示出復合濾材的過濾效率和阻力隨芳綸質量分數(shù)增加的變化趨勢。由圖5(a)可知：對于同種粒徑微粒，復合濾材過濾效率隨著芳綸質量分數(shù)增大而提高；然而，芳綸質量分數(shù)低于10%時，過濾效率提高不明顯，對于粒徑≥1.0 μm的微粒，PA-10的過濾效率較PA-0提高了4.90%，而PA-30的過濾效率較PA-20提高了14.51%。這是因為隨著芳綸質量分數(shù)增大，復合濾材纖維纏結程度增加，纖維網(wǎng)更加致密，孔徑減小，有利于提高微粒被纖維捕獲的概率，過濾效率提高；而芳綸含量較少時，復合濾材致密性因纖維纏結程度提高有限，過濾效率提高也有限；此外，復合濾材對不同粒徑微粒過濾效率不同，對于粒徑≥0.3 μm和≥0.5 μm的微粒過濾效率相對較低，對于粒徑≥1.0 μm和≥2.5 μm的微粒過濾效率相對較高。濾材致密的結構和較小的孔徑有助于提高纖維對微粒的攔截作用，尤其是對較大粒徑微粒的攔截，從而對大粒徑微粒的過濾效率較高。4類粒徑過濾效率由一次試驗獲得，僅對應一個過濾阻力值，如圖5(b)所示。可知，隨著芳綸質量分數(shù)的增大，復合濾材過濾阻力逐漸增大，這是因為混入芳綸有利于纖維纏結，濾材致密，透氣性降低。但總體來說復合濾材過濾阻力小于40 Pa，為后續(xù)復合濾材涂層整理獲得低阻高效濾材奠定了基礎。

圖5 復合濾材不同粒徑微粒過濾效率及過濾阻力Fig.5 Filter efficiency (a) and filter resistance (b) for different particle sizes of composite filter materials with different aramid fiber weight percentages

3 結 論

以碳纖維制備過程中廢棄的中間產(chǎn)物腈綸預氧化絲為主要原料，通過混入不同質量分數(shù)的芳綸制備復合濾材。使用基于霍夫變換的圖像分析法獲取纖維直線段長度指數(shù)，以此表征纖維纏結程度，且所獲得的結果與文獻報道的纏結系數(shù)表征法具有很好的吻合性。以纖維纏結程度為出發(fā)點，結合相關測試分析了芳綸質量分數(shù)對復合濾材拉伸性能、透氣性、孔徑尺寸和過濾性能的影響，得出以下結論。

1)添加芳綸后，復合濾材纖維間纏結程度增加，斷裂強力和斷裂伸長率隨著芳綸質量分數(shù)增大而提高，芳綸質量分數(shù)大于20%時，其斷裂伸長率趨于穩(wěn)定。

2)隨著芳綸質量分數(shù)增大，復合濾材透氣性和平均孔徑減小，尤其是芳綸纖維分數(shù)大于20%時，透氣性減小趨勢比較明顯，而平均孔徑減小趨勢減弱，趨于穩(wěn)定。

3)復合濾材不同粒徑微粒過濾效率不同。對于粒徑≥1.0 μm和≥2.5 μm的微粒，芳綸質量分數(shù)小于10%時，濾材過濾效率變化不明顯，隨后其過濾效率隨著芳質量分數(shù)增大顯著提高。

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