工藝參數(shù)對(duì)針刺過(guò)濾氈孔徑及透氣的影響

賴 艷，張得昆

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著世界工業(yè)水平的發(fā)展,環(huán)境中的空氣品質(zhì)不斷下降.為了提高空氣質(zhì)量,國(guó)家與地方政府頒布實(shí)施了一系列嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī),使空氣過(guò)濾成為世界過(guò)濾市場(chǎng)中增長(zhǎng)最快的部分[1-2].空氣過(guò)濾材料在大氣環(huán)境治理中的應(yīng)用前景將更加廣闊[3].非織造過(guò)濾材料呈三維結(jié)構(gòu),纖維在其中隨機(jī)排列,使得非織造布材料具有很高的過(guò)濾效率.此外,纖維的隨機(jī)排列還提高了載體相的流動(dòng)速度,加快了過(guò)濾速度[4-5].非織造濾材因其在過(guò)濾效率、容塵能力等方面的突出優(yōu)勢(shì),已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)紡織濾材并占據(jù)纖維類過(guò)濾介質(zhì)領(lǐng)域的主導(dǎo)地位[6].文獻(xiàn)[7-8]研究了非織造布的孔徑分布及過(guò)濾效率,得出非織造布比機(jī)織布和針織布的過(guò)濾性能更加優(yōu)良；孔徑大小及分布對(duì)非織造過(guò)濾材料的過(guò)濾性能有著重要的影響,孔徑越大,孔徑大小分布分散程度越大,過(guò)濾效率越低.文獻(xiàn)[9-10]研究孔徑的大小及其分布會(huì)影響非織造布的透氣率,從而影響過(guò)濾效率.文獻(xiàn)[11]研究了芳綸纖維的物理性能與過(guò)濾性能,得出其透氣率更大,孔徑分布范圍更廣,動(dòng)態(tài)濾塵性能好.而在不同針刺密度及熱軋?zhí)幚砗髮?duì)針刺過(guò)濾氈孔徑的影響研究卻少之甚少.因此,本文采用滌綸、ES纖維為原料,通過(guò)梳理針刺工藝制備針刺過(guò)濾氈,探究不同工藝參數(shù)對(duì)針刺過(guò)濾氈孔徑及透氣性能的影響.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料

滌綸纖維(8 dtex×64 mm,南通羅萊化纖有限責(zé)任公司),ES纖維(4 dtex×54 mm,熔點(diǎn)110 ℃,廣州藝愛(ài)絲纖維有限公司).

1.2 儀器

WL型小型針刺生產(chǎn)線(太倉(cāng)市雙鳳非織造布設(shè)備有限公司),YD141D型織物厚度儀(溫州大榮紡織儀器公司),FA100A型電子天平(上海皓莊儀器公司),YG461L型數(shù)字織物透氣量?jī)x(萊州市電子儀器分公司),PSM-165孔徑測(cè)定儀(德國(guó)Topas公司).

1.3 樣品的制備

以滌綸纖維、ES纖維為原料,混合比例分別為30∶70,50∶50,70∶30,通過(guò)開(kāi)松、混合、梳理、鋪網(wǎng)和針刺加固工藝,生產(chǎn)出針刺密度為100 刺/cm2,150 刺/cm2,200 刺/cm2,250 刺/cm2,300 刺/cm2的針刺過(guò)濾氈樣品,面密度設(shè)定為200 g/m2.纖維混合比為30∶70的樣品,分別編號(hào)為A1～A5;纖維混合比為50∶50的樣品,分別編號(hào)為B1～B5;纖維混合比為70∶30的樣品,分別編號(hào)為C1～C5.然后選擇滌綸與ES纖維配比為50∶50的樣品進(jìn)行熱軋?zhí)幚?熱軋溫度為170 ℃,壓輥間隙為0.60 mm),樣品分別編號(hào)為D1～D5,選擇10種樣品進(jìn)行測(cè)試分析.探究不同針刺密度和不同纖維混合比對(duì)孔徑及透氣性能的影響及熱軋后孔徑和透氣變化情況及規(guī)律.

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 定量 取300 mm×300 mm的試樣10塊,根據(jù)GB/T 24218.1—2009《紡織品非織造布實(shí)驗(yàn)方法第一部分:單位面積質(zhì)量的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試.

1.4.2 厚度 取300 mm×300 mm的試樣10塊,根據(jù)GB/T 24218—2009《紡織品非織造布測(cè)試方法 第二部分:厚度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試.

1.4.3 透氣性 取300 mm×300 mm的試樣10塊,實(shí)驗(yàn)圓臺(tái)20 cm2,測(cè)量壓力為200 Pa.根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)試》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試.

1.4.4 孔徑大小及其分布 選用直徑為6 mm的綠色樣品夾具,測(cè)試液體為純凈水,樣品裁成直徑為30～40 mm的圓形,取樣時(shí)盡量選擇厚度和面密度相近的試樣.其測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM F316-03(2011)《通過(guò)起泡點(diǎn)和平均流動(dòng)孔徑試驗(yàn)描述膜過(guò)濾器的孔大小特征的試驗(yàn)方法》.

2 結(jié)果與分析

2.1 面密度和厚度

樣品在不同工藝參數(shù)下的定量、厚度的測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表 1 不同針刺密度下針刺氈的面密度和厚度

從表1可以看出,加工的針刺過(guò)濾氈樣品的面密度有一定的波動(dòng),在相同混合比例下,隨著針刺密度的增加,面密度略有降低的趨勢(shì),這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi),針刺密度增加,纖網(wǎng)前進(jìn)時(shí)受到托網(wǎng)板與刺針的阻力以及輸入與輸出的速比而造成牽伸,使得面密度略有降低趨勢(shì),但總體上,實(shí)際面密度與設(shè)計(jì)值偏差不大,符合進(jìn)一步測(cè)試分析要求.

同時(shí)，還可以看出,在相同纖維混合比下,樣品厚度隨著針刺密度增加略有降低的趨勢(shì),這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)隨著針刺密度的增加,非織造布內(nèi)部纖維相互纏結(jié)越來(lái)越多,結(jié)構(gòu)排列得更加緊密;在相同針刺密度下,隨著ES纖維比例的提高樣品厚度有降低的趨勢(shì),這是因?yàn)闃悠分蠩S纖維細(xì)度較細(xì),卷曲較少,隨著ES纖維比例的增加,纖維間的孔隙較小,樣品的蓬松度降低,造成了厚度有降低;對(duì)比熱軋前后的樣品,可以看出熱軋后的厚度明顯降低,這是由于熱軋后樣品的厚度主要取決于壓輥間隙和壓輥溫度,壓輥間隙越小,溫度越高,厚度越低.

2.2 針刺密度對(duì)孔徑的影響

孔徑及分布反映了過(guò)濾材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu),表示材料具有不同形狀大小的孔隙通道.是評(píng)價(jià)材料過(guò)濾性能的一項(xiàng)重要指標(biāo).平均孔徑反映材料整體過(guò)濾能力,最大孔徑值則反映濾材缺陷,孔徑分布反映各種尺寸孔徑的百分比,都可以用來(lái)評(píng)價(jià)材料阻止粉塵顆粒通過(guò)的能力[12-13].

實(shí)驗(yàn)采用間接法中的泡點(diǎn)法測(cè)試孔徑,而泡點(diǎn)法與壓汞法相比,可以減小結(jié)構(gòu)壓縮對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響,更適用于纖維過(guò)濾材料孔徑特征的測(cè)定[14-15].其原理是在壓力作用下使氣體通過(guò)干、濕(被已知表面張力的液體飽和潤(rùn)濕)試樣毛細(xì)孔,從氣體流量的變化來(lái)分析和計(jì)算孔徑分布和孔徑大小[16].通過(guò)對(duì)比分析不同工藝參數(shù)下的濾材試樣的孔徑,可以了解這些工藝對(duì)濾材的過(guò)濾性能的影響.

2.2.1 針刺后過(guò)濾氈的孔徑 為了分析不同針刺密度對(duì)孔徑的影響,選取滌綸纖維和ES纖維混合比為50∶50,針刺密度為100 刺/cm2,150 刺/cm2,200 刺/cm2,250 刺/cm2,300 刺/cm2的樣品進(jìn)行測(cè)試分析,其測(cè)試結(jié)果如圖1所示.

從圖1中可以看出,在一定范圍內(nèi)平均孔徑隨著針刺密度增加呈多項(xiàng)式關(guān)系下降,而最大孔徑值隨著針刺密度增加呈指數(shù)關(guān)系下降.其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.92和0.888 7,表明孔徑與針刺密度相關(guān)性較高,總體上講孔徑隨著針刺密度變化幅度比較明顯.這是因?yàn)獒槾堂芏仍谔囟ǚ秶鷥?nèi),隨著針刺密度的增加纖維之間的纏結(jié)會(huì)顯著增加,纖維間間隙會(huì)降低,使得孔徑有比較明顯的減小.

2.2.2 熱軋后針刺過(guò)濾氈的孔徑 選取滌綸纖維和ES纖維混合比為50∶50的針刺氈,經(jīng)過(guò)熱軋?zhí)幚?熱軋溫度為170 ℃,壓輥間隙為0.60 mm),測(cè)試其不同針刺密度下的孔徑變化情況,其結(jié)果如圖2所示.

圖 1 不同針刺密度針刺過(guò)濾氈的平均孔徑和最大孔徑 圖 2 熱軋后不同針刺密度針刺過(guò)濾氈的平均孔徑和最大孔徑 Fig.1 Average pore diameter and maximum pore Fig.2 Average pore diameter and maximum pore diameter of needle filtrated felt with different diameter of needle filtrated felt with different needling density needling density after hot rolling

從圖2可以看出,熱軋后樣品的平均孔徑隨著針刺密度增加呈多項(xiàng)式關(guān)系下降,而最大孔徑值隨著針刺密度增加有呈指數(shù)關(guān)系下降的趨勢(shì).其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.889 3和0.889 8,表明孔徑與針刺密度相關(guān)性較高,但與熱軋前相比,隨針刺密度的增加平均孔徑和最大孔徑的降低幅度都不大,這是因?yàn)樵谔囟ǖ臒彳堓仠囟群蛪毫ψ饔孟?熱軋后樣品中ES纖維融化,使得樣品內(nèi)部纖維之間更緊密地黏合在一起,纖維間的緊密程度和孔隙大小主要取決于熱軋溫度和壓力,針刺密度對(duì)樣品中纖維間的孔隙大小和黏合程度的影響已經(jīng)降為不顯著的因素.

表 2 不同纖維混合比下的孔徑

2.3 纖維混合比對(duì)孔徑的影響

為了分析纖維比例對(duì)孔徑的影響,選取針刺密度為200 刺/cm2,滌綸和ES纖維配比分別為30∶70,50∶50,70∶30的樣品進(jìn)行測(cè)試,其結(jié)果如表2所示.

從表2可以看出,隨著滌綸纖維比例的減小,其最大孔徑和平均孔徑也隨之減小.原因可能是在本樣品中滌綸纖維細(xì)度較大,卷曲較多,因此滌綸比例越大,樣品越蓬松,纖維間隙也越大,孔徑就越大;反之,樣品中ES纖維的細(xì)度較細(xì),卷曲少,隨著ES纖維比例的提高,樣品的蓬松降低,纖維之間孔隙變小,孔徑有所減小.因此,可以看出在樣品中隨著較細(xì)纖維含量的增加，樣品的平均孔徑和最大孔徑都會(huì)降低.

2.4 熱軋前后對(duì)透氣性能的影響

為了分析熱軋前后對(duì)針刺氈透氣性能的影響,選取滌綸纖維和ES纖維混合比為50∶50的樣品進(jìn)行針刺加固和熱軋?zhí)幚?分別測(cè)試其透氣率,測(cè)試結(jié)果如圖3,4所示.

圖 3 熱軋前針刺過(guò)濾氈的透氣性能 圖 4 熱軋后針刺過(guò)濾氈的透氣性能 Fig.3 Permeability of needled filtrated felt before Fig.4 Permeability of needled filtrated felt hot rolling after hot rolling

從圖3,4可以看出，熱軋前后的透氣率與針刺密度都呈多項(xiàng)式下降關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2都在0.95以上,表明其相關(guān)性很高.從圖3中可以看出,熱軋前樣品的透氣率隨著針刺密度增加而下降,且下降幅度比較大,這是因?yàn)獒槾堂芏仍谝欢ǚ秶鷥?nèi),隨著針刺密度的增加,樣品的纏結(jié)變得更為緊密,纖維間的空隙會(huì)顯著降低,樣品的孔徑也會(huì)明顯減小,因此隨著針刺密度的增加,透氣性會(huì)有明顯的減小.從圖4中可知,熱軋后樣品的透氣率也隨著針刺密度增加有下降的趨勢(shì),但與熱軋前相比減小幅度不大,這是因?yàn)闊彳埡髽悠分欣w維之間的緊密程度和黏合程度不僅取決于針刺密度,更取決于熱軋輥的溫度和壓力,在一定的熱軋溫度和熱軋壓力下,針刺密度對(duì)樣品中纖維間的孔隙大小和黏合程度的影響降成不顯著的影響因素．

對(duì)比圖3,4可以看出,熱軋后的透氣率明顯降低.其原因是在特定的熱軋溫度和壓力下,熱軋溫度和壓力變成了影響樣品內(nèi)部纖維黏合和孔隙大小的決定性因素,經(jīng)過(guò)熱軋后ES纖維融化并與滌綸纖維更緊密地黏合在一起,使非織造布纖維間更加緊密,因此熱軋后的樣品中纖維間間隙會(huì)顯著降低,透氣率也會(huì)明顯下降．

3 結(jié) 論

(1) 熱軋前后樣品的平均孔徑都隨著針刺密度增加呈多項(xiàng)式關(guān)系下降.最大孔徑都隨著針刺密度增加,呈指數(shù)關(guān)系下降,但在熱軋前隨著針刺密度的增加孔徑降低的幅度較大,而熱軋后隨著針刺密度的增加孔徑降低的幅度較小.

(2) 熱軋前后樣品的透氣性隨著針刺密度的增加都呈現(xiàn)多項(xiàng)式下降關(guān)系;但在熱軋前隨著針刺密度的增加透氣性能降低的幅度較大,而熱軋后隨著針刺密度的增加透氣性降低的幅度較小.

(3) 在相同針刺密度下,樣品的平均孔徑和最大孔徑都隨著較細(xì)纖維比例的增加而減小.

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 簡(jiǎn)小平.非織造布空氣過(guò)濾材料過(guò)濾性能的研究[D].上海:東華大學(xué),2013:1-3.

JIAN X P.A study on filtration performance of nonwoven air filtering material[D].Shanghai:Donghua University,2013:1-3.

[2] 陳喆.空氣過(guò)濾材料及其技術(shù)進(jìn)展[J].紡織導(dǎo)報(bào),2011(7):86-88.

CHEN Z.Development of air-filter media and its materials[J].China Textile Leader,2011(7): 86-88.

[3] 姜坪,劉梅紅.空氣過(guò)濾材料的發(fā)展與應(yīng)用[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2002,10(4):52-54.

JIANG P,LIU M H.Development and applications of air-filtering materials[J].Advanced Textile Technology,2002,10(4):52-54.

[4] SAMBAER W,ZATLOUKAL M,KIMMER D.3D modeling of filtration process via polyurethane nanofiber based nonwoven filters prepared by electrospinning process[J].Chemical Engineering Science,2011,66(4):613-623.

[5] 朱亮.玄武巖/玻璃纖維耐高溫針刺過(guò)濾材料的制備工藝及性能研究[D].武漢: 武漢紡織大學(xué),2015:1-8.

ZHU L.Study on the preparation and properties of basalt/glass fiber high-temperature resistance needled filter material[D].Wuhan: Wuhan Textile University,2015:1-8.

[6] 劉曼,李恒同,文婭,等.PET/PP針刺非織造濾材制作工藝對(duì)其性能的影響分析[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào),2015,26(6):33-36.

LIU M,LI H T,WEN Y,et al.The effect of process parameters to the performance of PET/PP needle nonwoven filter materials[J].Journal of Zhongyuan University of Technology,2015,26(6):33-36.

[7] 倪冰選,張鵬.非織造布孔徑分布及過(guò)濾效率研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2012,30(3):26-27.

NI B X,ZHANG P.Study on pore size distribution and filtration efficiency of nonwovens[J].Technical Textiles,2012,30(3):26-27.

[8] 武松梅,袁長(zhǎng)剛.非織造材料孔徑與過(guò)濾性能關(guān)系的研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2010,28(1):13-14.

WU S M,YUAN C G.Study on relation between pore size of nonwovens and filtration characteristic[J].Technical Textiles,2010,28(1):13-14.

[9] 殷保璞,吳海波,靳向煜,等.非織造過(guò)濾材料的孔隙結(jié)構(gòu)與透氣性能研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2007,25(5):20-21.

YIN B P,WU H B,JIN X Y,et al.Research on pore structure and permeability of nonwoven filtration materials[J].Technical Textiles,2007,25(5):20-21.

[10] 劉造芳,張得昆,張星.芳綸針刺氈在高溫下的孔徑分布變化[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào),2017,31(3):315-321.

LIU Z F,ZHANG D K,ZHANG X.Pore size distribution changes of aramid needle-punch felt in hight temperature[J].Journal of Xi′an Polytechnical University,2017,31(3):315-321.

[11] 張文惠.芳綸纖維及其針刺非織造材料的理化性能測(cè)試與評(píng)價(jià)[D].上海:東華大學(xué),2016:48-49.

ZHANG W H.Test and evaluation on physical and chemical properties of aramid fibers and its needle-punched nonwoven materials[D].Shanghai:Donghua University,2016:48-49.

[12] 楊旭紅.非織造材料基本結(jié)構(gòu)特征的表達(dá)[J].紡織導(dǎo)報(bào),2004(4):16-19.

YANG X H.The characterization of basic structural features of nonwoven materials[J].China Textile Leader,2004(4): 16-19.

[13] 陳燕.汽車空調(diào)用熱軋空氣過(guò)濾非織造材料硬挺整理工藝及性能研究[D].上海:東華大學(xué),2013:11-13.

CHEN Y.Research on stiffness finishing on thermal bonded nonwovens for cabin air filter[D].Shanghai:Donghua University,2013:11-13.

[14] 梁云,胡健,周雪松,等.纖維過(guò)濾材料孔徑及孔徑分布測(cè)試方法的研究[J].紡織科學(xué)研究,2004,15(4):23-26.

LIANG Y,HU J,ZHOU X S,et al.Study on measurement method of pore size and pore size distribution of fiber filter materials[J].Textile Science Research,2004,15(4):23-26.

[15] 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):40-43.

WANG X Q,ZHANG P,JIN X Y.Effect of wetting liquid on the testing of pore size characteristics of fiber filter materials by bubble point method[J].Technical Textiles,2011,29(5):40-43.

[16] 張文惠,徐廣標(biāo).芳綸與PTFE基布針刺非織造布結(jié)構(gòu)與透氣性能的測(cè)試評(píng)價(jià)[J].成都紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2015,32(4):72-74.

ZHANG W H,XU G B.Structure and permeability test evaluation on acupuncture aramid nonwovens with PTFE base fabric[J].Journal of Chengdu Textile College,2015,32(4):72-74.