纖維混合比對(duì)針刺濾材孔徑及透氣性的影響

賴艷 張得昆

摘 要：為了研究纖維混合比對(duì)針刺過濾材料孔徑、孔徑分布和透氣性的影響規(guī)律，以2.22 dtex和6.67 dtex兩種細(xì)度的聚酯纖維為原料，分別以其0∶100、20∶80、40∶60、60∶40、80∶20、100∶0的比例混合，采用干法針刺非織造技術(shù)制備了過濾材料，并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試分析。結(jié)果表明：細(xì)纖維占的比例越多，過濾材料的孔徑分布越集中，其模態(tài)孔徑、最大孔徑、中值孔徑及平均流孔徑等都顯著降低;隨著細(xì)纖維比例的增加，模態(tài)孔徑呈多項(xiàng)式關(guān)系下降，其相關(guān)系數(shù)R2為0.943 7;而平均流孔徑隨著細(xì)纖維比例的增加呈線性關(guān)系下降，其相關(guān)系數(shù)R2為0.924 8;隨著細(xì)度較小的聚酯纖維比例增加，過濾材料透氣率呈指數(shù)關(guān)系下降，其相關(guān)系數(shù)R2為0.949 5。

關(guān)鍵詞：針刺過濾材料;聚酯纖維;透氣性;孔徑;孔徑分布

Abstract：To study the influence of fiber mixing ratio on the pore size， pore size distribution and air permeability of needled filter material，two kinds of polyester fibers with 2.22 dtex and 6.67 dtex fineness were used as raw materials and mixed at a ratio of 0∶100， 20∶80， 40∶60， 60∶40， 80∶20 and 100∶0， respectively to prepare the filter material by dry needling technology，and its performance was tested and analyzed. The results show that the more the proportion of fine fibers， the more concentrated the pore size distribution of the filter material.The modal pore size， the maximum pore size， the median pore size and the mean flow pore size are significantly reduced. With the increase of the proportion of fine fibers， the modal pore size decreases in a polynomial relationship， and the correlation coefficient R2 is 0.943 7， while the mean flow pore size decreases linearly with the increase of the proportion of fine fibers， and the correlation coefficient R2 is 0.924 8. With the increase of the proportion of polyester fiber with smaller fineness， the air permeability of the filter material decreases exponentially， and the correlation coefficient R2 is 0.949 5.

Key words：needled filter material; polyester fiber; air permeability; pore size; pore size distribution

非織造過濾材料具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且纖維在其中隨機(jī)排列，使得非織造材料具有高空隙率，可以容納更多的灰塵顆粒，提高過濾效率，并且進(jìn)一步提高流動(dòng)速度[1-3]。由于其在過濾效率和容塵量等方面的突出優(yōu)勢(shì)，非織造濾材逐漸取代傳統(tǒng)紡織濾材并在纖維類過濾介質(zhì)領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位[3-4]。20世紀(jì)50年代，非織造行業(yè)開始在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，這使空氣過濾材料的發(fā)展成為新的一頁(yè)，尤其是化纖業(yè)的迅速發(fā)展為空氣過濾材料提供了豐富可供選擇的纖維原料[5-6]?，F(xiàn)如今環(huán)境質(zhì)量在不斷的下降，空氣質(zhì)量的改善迫在眉睫。目前，解決空氣質(zhì)量問題最有效的方式便是空氣過濾[7]。

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，空氣質(zhì)量問題的改善成為現(xiàn)如今的熱點(diǎn)，而空氣濾材在大氣污染的治理中有著重要作用，透氣性、孔徑和孔徑分布對(duì)過濾材料的性能具有重要影響。因此，研究過濾材料的孔徑、孔徑分布及其透氣性能對(duì)更好地開發(fā)過濾材料具有重要意義。倪冰選等[8]研究了水刺非織造布孔徑分布及過濾效率，得出非織造布具有三維網(wǎng)絡(luò)微孔結(jié)構(gòu)，與過濾效率有關(guān)，其可過濾粒徑較小的顆粒，過濾性能優(yōu)良。鮑穩(wěn)等[9]研究了PPS紡粘非織造布的過濾性能，得出孔徑呈正態(tài)分布，對(duì)10 μm以上顆粒具有高達(dá)98.1%的過濾效率。殷保璞等[10]、劉造芳等[11]研究了非織造過濾材料孔隙結(jié)構(gòu)與透氣性之間關(guān)系，得出非織造布透氣性是平均孔徑和孔隙率共同影響的結(jié)果。張恒等[12]研究了超細(xì)纖維非織造材料孔徑的可預(yù)測(cè)性，得出孔徑預(yù)測(cè)模型可以用來預(yù)測(cè)超細(xì)纖維非織造材料的孔徑分布。劉青等[13]制備了黏膠非織造過濾布，得出其對(duì)金屬離子和染料，都有較好的過濾性能。王艷麗等[14]制備了芳綸1314/PANOFF復(fù)合針刺濾料，得出添加PAN預(yù)氧化纖維，減小了濾料的孔徑尺寸，降低透氣量。而不同纖維混合比對(duì)針刺過濾材料孔徑及透氣性能影響的研究卻寥寥無(wú)幾。因此，本文主要利用不同細(xì)度聚酯纖維通過非織造干法成網(wǎng)、針刺加固的方法，制備不同混合比的過濾材料，通過對(duì)樣品的性能測(cè)試，研究不同混合比對(duì)孔徑、孔徑分布及透氣性的影響規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

聚酯纖維1（2.22 dtex×51 mm，江蘇三房巷集團(tuán)有限公司），聚酯纖維2（6.67 dtex×64 mm，南通羅萊化纖有限責(zé)任公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

WL型的針刺生產(chǎn)線（太倉(cāng)市雙鳳非織造布設(shè)備有限公司）;YD141D型數(shù)字式織物厚度儀（溫州方圓儀器有限公司）;BG200A型電子天平（上海乾峰電子儀器有限公司），PSM-165型孔徑測(cè)定儀（德國(guó)Topas公司）;YG461L型全自動(dòng)透氣性能測(cè)試儀（萊州市電子儀器有限公司）。

1.3 針刺過濾材料的制備

以細(xì)度為2.22 dtex和6.67 dtex兩種聚酯纖維為原料，通過開松、混合、梳理、鋪網(wǎng)和針刺加固工藝，得到6種不同混合比（2.22 dtex∶6.67 dtex的混合比例分別為0∶100、20∶80、40∶60、60∶40、80∶20、100∶0）的聚酯針刺過濾材料樣品，分別編號(hào)為1～6。設(shè)計(jì)針刺過濾材料的針刺密度為300刺/cm2，定量為255 g/m2。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 定 量

取300 mm×300 mm的試樣，定量按照GB/T 24218.1-2009《紡織品非織造布實(shí)驗(yàn)方法第一部分：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。每組取10塊樣品測(cè)試，求出10塊樣品的平均值和CV值。

1.4.2 厚 度

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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。按照標(biāo)準(zhǔn)每組取10塊試樣，試樣面積為300 mm×300 mm。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)先判斷非織造布的類型，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)和時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，并求出每組試驗(yàn)的平均值和CV值。

1.4.3 透氣性

采用的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》。每組試驗(yàn)取10塊試樣測(cè)試，試樣面積為300 mm×300 mm，測(cè)量壓差為200 Pa。并求出10塊試樣的平均值。

1.4.4 孔徑大小及其分布

選用直徑為6 mm的試樣夾具，測(cè)試液體為純凈水，試樣剪成半徑為15～20 mm的圓形。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)采用ASTM F316-03（2011）《用冒泡點(diǎn)和平均流量法測(cè)定膜過濾材料孔徑特性的試驗(yàn)方法》。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同混合比聚酯針刺過濾材料的定量和厚度

不同混合比下聚酯針刺過濾材料的定量、厚度測(cè)試結(jié)果見表1。

從表1可知，在工藝參數(shù)等相同的條件下，不同細(xì)度的纖維配比的不同，定量略有不同，6組樣品的實(shí)際定量與設(shè)計(jì)定量偏差較小，平均值為258.60 g/m2，CV值為1.27%。從表1還可知，在工藝參數(shù)等相同的條件下，不同細(xì)度纖維的混合比對(duì)厚度有輕微的影響，但相差不大，其平均值為2.80 mm，CV值為6.79%;隨著細(xì)度為2.22 dtex聚酯纖維比例增多，厚度在一定范圍內(nèi)有減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)橐话闱闆r下，細(xì)度大的聚酯纖維回彈性更好一些，其產(chǎn)品比較蓬松，使得產(chǎn)品厚度有所增加。而6組樣品的定量和厚度差別很小，CV值不大，可以進(jìn)行后續(xù)測(cè)試對(duì)比分析。

2.2 不同混合比對(duì)聚酯針刺過濾材料的孔徑大小及分布的影響

孔徑及分布反映了過濾材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是過濾材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)，表示材料具有不同形狀大小的孔隙，可反映其過濾性能。平均孔徑反映材料整體過濾能力，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，它們都可用來評(píng)價(jià)材料阻止粉塵顆粒通過的能力[3，15-16]。

試驗(yàn)用泡點(diǎn)法測(cè)試孔徑，而其與壓汞法相比，能夠減小結(jié)構(gòu)壓縮對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，更適用于纖維過濾材料孔徑特征的測(cè)定[3，17-18]。通過分析對(duì)比不同細(xì)度纖維的不同混合比對(duì)孔徑及孔徑分布的影響，可以分析其對(duì)過濾材料過濾性能的影響。樣品1～6的孔徑測(cè)試結(jié)果如表2所示，孔徑分布如圖1所示。

從表2可知，由細(xì)度較大的纖維與細(xì)度較小的纖維分別制成的過濾材料，孔徑差別明顯，細(xì)度較大的纖維制成的產(chǎn)品，孔徑更大。如100% 6.67 dtex聚酯纖維制成的針刺氈模態(tài)孔徑為102.78 μm，而100% 2.22 dtex聚酯纖維制成的針刺氈模態(tài)孔徑為12.46 μm，這兩者差異非常顯著，模態(tài)孔徑為孔徑分布中占最大比例所對(duì)應(yīng)的孔徑，模態(tài)孔徑所占的比例越高，表明孔徑分布越集中、均勻;由表2還可知，模態(tài)孔徑、最大孔徑、中值孔徑、平均流孔徑等的大小與纖維混合比都有著顯著關(guān)系，隨著細(xì)度為2.22 dtex聚酯纖維比例的增加，其孔徑大小都明顯地降低。

由圖1可看出，6組樣品的模態(tài)孔徑所占的比例差異不大，其所占比例大都在60%左右，表明模態(tài)孔徑分布比較集中一致，模態(tài)孔徑所占的比例與纖維的混合比關(guān)系不大。

從圖1還可知，孔徑分布范圍與纖維粗細(xì)及比例有關(guān)，粗纖維制成的過濾材料孔徑分布范圍大，細(xì)纖維制成的過濾材料孔徑分布范圍小，粗纖維中加入一定量的細(xì)纖維可以降低孔徑分布范圍。100% 6.67 dtex聚酯纖維制成的過濾材料，孔徑分布最大，其孔徑分布為55～139 μm，100% 2.22 dtex聚酯纖維制成的樣品，孔徑分布最小，其孔徑分布為12～23 μm。而樣品2～5，隨著細(xì)纖維的比例增加，樣品的孔徑分布范圍減小，分別為74～151、14～112、14～60、40～93 μm。

2.3 不同混合比對(duì)針刺過濾材料模態(tài)孔徑的影響

模態(tài)孔徑為孔徑分布中占最大比例所對(duì)應(yīng)的孔徑，模態(tài)孔徑所占比例越高，表明孔徑分布越集中、均勻。模態(tài)孔徑與纖維混合比關(guān)系如圖2所示。

由圖2可看出，模態(tài)孔徑與纖維混合比呈多項(xiàng)式關(guān)系，隨著細(xì)度為2.22 dtex的聚酯纖維比例增加，模態(tài)孔徑呈下降趨勢(shì)，其多項(xiàng)式關(guān)系為y=-0.632 7x2-11.497x+110.57，相關(guān)系數(shù)R2為0.943 7，表明模態(tài)孔徑與纖維混合比關(guān)系的相關(guān)性很高。

2.4 不同混合比對(duì)針刺過濾材料平均流孔徑的影響

平均流孔徑為濕流量壓力值是干流量壓力值一半時(shí)對(duì)應(yīng)的孔徑值。由圖3可以看出，隨著細(xì)度為2.22 dtex的聚酯纖維比例增加，平均流孔徑呈線性關(guān)系下降，其線性關(guān)系為y=-16.405x+119.18，相關(guān)系數(shù)R2為0.924 8，表明平均流孔徑與纖維混合比關(guān)系的相關(guān)性很高。

2.5 不同混合比對(duì)針刺過濾材料透氣性能的影響

透氣性作為過濾性能的指標(biāo)之一，直接影響著過濾材料的流量阻力，是過濾效果的重要指標(biāo)之一[5，11]。平均透氣率與纖維混合比關(guān)系如圖4所示。

由圖4可看出，隨著細(xì)度為2.22 dtex的聚酯纖維比例增加，透氣率呈指數(shù)關(guān)系下降，其指數(shù)關(guān)系為y=3 170.9e-0.193x，相關(guān)系數(shù)R2為0.949 5，表明透氣性與纖維混合比關(guān)系的相關(guān)性很高。這是因?yàn)樵谂c其他參數(shù)相同的條件下，纖維越細(xì)，產(chǎn)品單位體積內(nèi)的纖維根數(shù)就越多，纖維網(wǎng)中纖維之間的接觸點(diǎn)也就越多，抱合力就會(huì)增強(qiáng)，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，使得透氣量降低。同時(shí)透氣量的大小取決于非織造布空隙的大小和多少，根據(jù)前面的測(cè)試和分析可知纖維細(xì)度越細(xì)，過濾材料中孔徑越小，孔徑分布也越集中，因此空氣透過纖網(wǎng)的阻力變大，使得透氣量減小。

3 結(jié) 論

以2.22 dtex和6.67 dtex兩種細(xì)度的聚酯纖維為原料，采用非織造技術(shù)制備了過濾材料，研究不同混合比對(duì)孔徑、孔徑分布及透氣性的影響規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試分析得到以下結(jié)論：

a）過濾材料中不同細(xì)度纖維的比例對(duì)其孔徑大小及孔徑分布影響很大。細(xì)纖維占的比例越多，過濾材料的孔徑越小，孔徑分布越集中;隨著細(xì)度為2.22 dtex聚酯纖維比例增加，模態(tài)孔徑、最大孔徑、中值孔徑及平均流孔徑等都顯著降低。

b）隨著細(xì)纖維比例的增加，模態(tài)孔徑與纖維混合比呈多項(xiàng)式的關(guān)系下降，其相關(guān)系數(shù)R2為0.943 7;而過濾材料的平均流孔徑隨細(xì)纖維比例的增加呈線性關(guān)系下降，其相關(guān)系數(shù)R2為0.924 8。

c）不同細(xì)度的纖維比例對(duì)透氣性能的影響也很大。隨著細(xì)纖維比例的增加，過濾材料的透氣率顯著下降，透氣率與纖維混合比呈指數(shù)下降關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)R2為0.949 5。

d）其研究的規(guī)律對(duì)針刺過濾材料的生產(chǎn)實(shí)踐具有很好實(shí)際意義。

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