芳綸水刺濾料的制備及性能研究*

1.南京際華三五二一特種裝備有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京際華三五二一環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 南京 211161

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染越來越嚴(yán)重。尤其是工業(yè)生產(chǎn)排放的可入肺顆粒物PM2.5，由于其粒徑小、運(yùn)動(dòng)性強(qiáng)且攜帶重金屬等有害物質(zhì)，會(huì)嚴(yán)重危害人體的健康，現(xiàn)已引起社會(huì)的密切關(guān)注。因此，如何更有效地治理大氣污染、減少顆粒物PM2.5的排放，對保護(hù)環(huán)境、保障人們的身體健康，具有重要的意義[1-2]。當(dāng)前，國際公認(rèn)的、高效的除塵和控制粉塵排放的技術(shù)主要是袋式除塵技術(shù)，而濾料則是這一技術(shù)的關(guān)鍵和核心，濾料性能的優(yōu)劣決定了袋式除塵器的使用效果。

目前，在袋式除塵領(lǐng)域，國內(nèi)外普遍采用的是針刺耐高溫濾料。但近年來隨著環(huán)保要求的逐漸提高，針刺濾料由于纖網(wǎng)加固以刺針工藝為主，刺針本身的直徑及其加工原理會(huì)導(dǎo)致濾料產(chǎn)品存在孔徑較大、過濾精度偏低等缺點(diǎn)，不能滿足現(xiàn)今的排放標(biāo)準(zhǔn)[3-5]。而水刺加工技術(shù)則是利用高壓水射流對纖網(wǎng)進(jìn)行加固的，其可避免針刺加工中帶鉤的刺針對基布及纖維造成損傷等問題，所得水刺產(chǎn)品強(qiáng)力更高、孔徑更小、過濾效率更佳，且阻力低，除塵設(shè)備運(yùn)行能耗低，節(jié)能減排效果顯著，故可以更好地滿足粉塵的超凈排放要求。因此，隨著對濾料性能要求的不斷提高，水刺工藝必將在工業(yè)除塵濾料行業(yè)得到更加廣泛的應(yīng)用[6-7]。

本文以間位芳綸(以下簡稱“芳綸”)為原料，通過先預(yù)針刺再水刺的加固工藝，制備了一種高強(qiáng)度、低損傷、高過濾精度的芳綸水刺濾料，考察預(yù)針刺工藝、水刺工藝對芳綸水刺濾料性能的影響，以期為今后的研究提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)[8]。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)材料

芳綸基布：纖維線密度為2 dtex、長度為51 mm，基布面密度為130 g/m2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

WM2+2型雙梳雙鋪生產(chǎn)線(包括梳理機(jī)、鋪網(wǎng)機(jī)、牽伸機(jī)和預(yù)針刺機(jī)，歐瑞康集團(tuán))，AquaJet水刺生產(chǎn)線(特呂茨勒紡織機(jī)械公司)，布魯克納熱定型設(shè)備(布魯克納紡織機(jī)械技術(shù)有限公司)；AFC-131型濾料測試臺(tái)(Topas公司)，YG026H型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州際高檢測儀器有限公司)，YG(B)461E型全自動(dòng)織物透氣性能測試儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)。

1.3 試驗(yàn)方法

參照GB/T 3923.1—2003《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》標(biāo)準(zhǔn)測定濾料的斷裂強(qiáng)力；參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》標(biāo)準(zhǔn)測定濾料的透氣量；參照GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)測試濾料的過濾效率。

2 預(yù)針刺深度對芳綸水刺濾料性能的影響

通常，預(yù)針刺機(jī)的植針密度在3 000～5 000枚/m。預(yù)針刺密度偏小則預(yù)針刺氈過于蓬松，牽伸過程中會(huì)因強(qiáng)力不足而導(dǎo)致意外伸長，影響后道水刺工藝。因此，本文基于多次的試驗(yàn)結(jié)果，確定選擇最佳的預(yù)針刺密度為80～100 刺/cm2，這樣一道預(yù)針刺工藝就能滿足水刺前預(yù)針刺氈強(qiáng)力的指標(biāo)要求。由于預(yù)針刺密度變化范圍較小，因此，本節(jié)將不做過多的研究，主要探討預(yù)針刺深度對芳綸水刺濾料性能的影響。

表1反映了不同的預(yù)針刺深度對最終芳綸水刺濾料性能的影響，其中預(yù)針刺后的水刺工藝參數(shù)：5個(gè)水刺頭的壓力分別為30、38、26、38、26 MPa，水刺速度為6 m/min。

表1 預(yù)針刺深度對芳綸水刺濾料性能的影響

表1中，在相同面密度的情況下：當(dāng)預(yù)針刺深度從4 mm增加到8 mm時(shí)，芳綸水刺濾料的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力從983 N增加到1 338 N、緯向斷裂強(qiáng)力從1 506 N增加到1 670 N；當(dāng)預(yù)針刺深度從8 mm增加到12 mm時(shí)，芳綸水刺濾料的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力從1 338 N降低到970 N、緯向斷裂強(qiáng)力從1 670 N降低到1 612 N。可見：隨著預(yù)針刺深度的增加，芳綸水刺濾料的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力呈現(xiàn)先增后降的趨勢。這主要是由于預(yù)針刺深度的增加使得芳綸纖維之間的抱合增強(qiáng)，芳綸水刺濾料的緊密度提高，因此經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力增大，但是，預(yù)針刺深度過大時(shí)，部分移動(dòng)困難的芳綸會(huì)在鉤刺的作用下發(fā)生斷裂，導(dǎo)致芳綸水刺濾料的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力下降[9-11]。

此外，從表1中還可以看出，預(yù)針刺深度對芳綸水刺濾料的透氣量、過濾效率的影響較小，這主要與水刺工藝對芳綸水刺濾料的影響遠(yuǎn)超過預(yù)針刺工藝對芳綸水刺濾料的影響有關(guān)。

3 水刺工藝對芳綸水刺濾料性能的影響

為研究水刺工藝對芳綸水刺濾料性能的影響，下文選擇對經(jīng)過預(yù)針刺處理(預(yù)針刺深度為8 mm，預(yù)針刺密度為80 刺/cm2)的材料進(jìn)行水刺加工。

3.1 水刺壓力

圖1為水刺機(jī)的工作原理示意。整個(gè)水刺機(jī)生產(chǎn)線上分布了①～⑤共5個(gè)水刺頭。其中，水刺頭②和④，③和⑤分別互為聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。水刺速度為6 m/min，并確定水刺頭①的壓力可選28和30 MPa，水刺頭

②和④的壓力可選30、34、38 MPa，水刺頭③和⑤的壓力可選24和26 MPa，具體配置見表2，所得10塊芳綸水刺濾料的性能見表3。

圖1 水刺機(jī)工作原理示意

芳綸水刺濾料編號(hào)水刺頭壓力/MPa①②③④⑤1#28302430242#28342434243#28302630264#28342634265#28382638266#30302430247#30342434248#30302630269#303426342610#3038263826

表3 10塊芳綸水刺濾料的性能

表3中，在經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力方面：

(1) 觀察2#和7#芳綸水刺濾料的水刺工藝配置發(fā)現(xiàn)，水刺頭②、③、④、⑤的壓力配置相同，水刺頭①壓力有變化。所得2#芳綸水刺濾料的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力為1 100 N、緯向斷裂強(qiáng)力為1 502 N，7#芳綸水刺濾料的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力為1 150 N、緯向斷裂強(qiáng)力為1 519 N，可見水刺頭①壓力越大，則所得芳綸水刺濾料的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力越大。1#和6#，3#和8#，4#和9#，5#和10#芳綸水刺濾料也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。

(2) 觀察3#、4#和5#芳綸水刺濾料的水刺工藝配置發(fā)現(xiàn)，水刺頭①、③、⑤的壓力配置相同，水刺頭②、④的壓力有變化。所得3#芳綸水刺濾料的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力為972 N、緯向斷裂強(qiáng)力為1 460 N，4#芳綸水刺濾料的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力為1 150 N、緯向斷裂強(qiáng)力為1 527 N，5#芳綸水刺濾料的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力為1 212 N、緯向斷裂強(qiáng)力為1 639 N，可見水刺頭②、④的壓力越大，所得芳綸水刺濾料的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力越大。8#、9#、10#芳綸水刺濾料也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。

(3) 觀察1#和3#芳綸水刺濾料的水刺工藝配置發(fā)現(xiàn)，水刺頭①、②、④的壓力配置相同，水刺頭③、⑤的壓力有變化。所得1#芳綸水刺濾料的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力為950 N、緯向斷裂強(qiáng)力為1 400 N，3#芳綸水刺濾料的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力為972 N、緯向斷裂強(qiáng)力為1 460 N，可見水刺頭③、⑤壓力越大，則所得芳綸水刺濾料的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力越大。2#和4#，6#和8#，7#和9#芳綸水刺濾料也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。

此外，在透氣量及過濾效率方面，增加水針壓力，則水刺能量提高，芳綸纖維之間的纏結(jié)度增強(qiáng)，芳綸水刺濾料的透氣量降低、過濾效率提高[12]。且壓力最高的水針對芳綸水刺濾料斷裂強(qiáng)力的影響最大，因?yàn)樵诟邏阂褜⒎季]水刺濾料加固緊密后，較低壓力的水針在穿透材料后剩余能量不足，無法形成纏結(jié)效果，但卻可以很好地將芳綸水刺濾料表面修復(fù)平整[13-15]。

因此，最佳水刺壓力組合產(chǎn)品為10#芳綸水刺濾料，即水刺頭①、②、③、④、⑤的壓力分別為30、38、26、38、26 MPa。

3.2 水刺速度

為研究不同水刺速度對芳綸水刺濾料性能的影響，各水刺頭壓力配置同3#芳綸水刺濾料，所得各項(xiàng)性能見表4。

表4 水刺速度對濾料性能的影響

從表4可以看出：采用3 m/min的水刺速度，芳綸水刺濾料的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力為1 243 N、緯向斷裂強(qiáng)力為1 734 N；當(dāng)水刺速度提高到9 m/min時(shí)，芳綸水刺濾料經(jīng)向斷裂強(qiáng)力下降為1 123 N、緯向斷裂強(qiáng)力下降為1 568 N。這表明降低水刺速度可提高芳綸水刺濾料的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力。這是由于水刺速度較低時(shí)，纖網(wǎng)受到的水針總噴射能量增加，芳綸纖維之間纏結(jié)更緊密，從而使得芳綸水刺濾料的斷裂強(qiáng)力上升。同時(shí)，降低水刺速度，芳綸纖維之間的纏結(jié)度增強(qiáng)，芳綸水刺濾料的透氣量降低、過濾效率提高。

但考慮到實(shí)際生產(chǎn)的綜合成本，生產(chǎn)效率的降低會(huì)導(dǎo)致能耗增加，生產(chǎn)成本增加，產(chǎn)量減少[16]。因此，確定選取最佳水刺速度為5 m/min，這既能滿足芳綸水刺濾料產(chǎn)品的性能要求，又不會(huì)影響生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

(1) 隨著預(yù)針刺深度的增加，芳綸水刺濾料的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力均呈現(xiàn)先增后降的趨勢，但透氣量及過濾效率的變化較小。

(2) 水刺壓力越高，芳綸水刺濾料的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力和過濾效率越高，但透氣量有所降低。

(3) 降低水刺速度可以增加芳綸水刺濾料的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力，但考慮到實(shí)際生產(chǎn)的綜合成本，確定選取最佳水刺速度為5 m/min，這既能滿足芳綸水刺濾料產(chǎn)品的性能要求，又不會(huì)影響生產(chǎn)效率。