PTFE發(fā)泡涂層整理對芳綸針刺氈濾料性能的影響

何建良 朱海霖 劉國金 林曦 馬海兵

摘?要：為獲得性能優(yōu)良的工業(yè)過濾材料，將聚四氟乙烯（PTFE）乳液發(fā)泡后對芳綸針刺氈進(jìn)行涂層整理。詳細(xì)探究發(fā)泡涂層前后，芳綸針刺氈面密度、厚度、透氣性、力學(xué)性能、耐磨性、表面形貌、孔徑及過濾性能的變化情況。結(jié)果表明：經(jīng)PTFE發(fā)泡涂層整理后，芳綸針刺氈的面密度和厚度均稍有增加，透氣性和縱橫向斷裂強(qiáng)力無明顯下降，耐磨性顯著提升，纖維表面附著有PTFE膜狀物，孔徑也明顯減小;在保證過濾阻力基本不變的情況下，復(fù)合針刺氈對0.3 μm的聚苯乙烯顆粒的過濾效率可從41.03%顯著提升至63.24%。

關(guān)鍵詞：芳綸;針刺氈;聚四氟乙烯;發(fā)泡涂層;性能

中圖分類號(hào)：TS102.528;TB34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2021）02-0081-04

Abstract：In order to obtain an industrial filter material with excellent performance， aramid needle felt was finished with a foam coating of polytetrafluoroethylene （PTFE） emulsion. The changes of surface density， thickness， gas permeability， mechanical properties， wear resistance， surface morphology， pore size and filtering performance of aramid needle felt before and after foaming coating were investigated in detail. The results show that after foam coating finishing， the surface density and thickness of aramid needle felt are slightly increased， gas permeability and longitudinal and transverse fracture strength dont decrease significantly， wear resistance significantly improves， PTFE membrane attachments are detected on fiber surface， and pore size is significantly reduced. With the filtration resistance remaining substantially unchanged， the filtration efficiency of composite needle felt for 0.3 μm polystyrene particles could be significantly increased from 41.03% to 63.24%.

Key words：aramid; needle felt; polytetrafluoroethylene; foam coating; property

作者簡介：何建良（1978-），男，重慶人，博士研究生，主要從事有機(jī)復(fù)合材料制備及表征方面的研究。

芳綸纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、絕緣、抗老化等優(yōu)良性能，在航天、軍事、建筑、交通和過濾等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力[1-3]。目前，由芳綸纖維制成的芳綸針刺氈因其低廉的價(jià)格和優(yōu)良的性能而被廣泛應(yīng)用于高溫?zé)煔膺^濾領(lǐng)域[4-6]。然而，單純的芳綸針刺氈因孔徑較大，在實(shí)際應(yīng)用中的過濾精度往往不足，如何提升高溫除塵用芳綸針刺氈的過濾性能是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究課題。

通過后整理，如浸漬、浸軋、覆膜和涂層等方式對芳綸針刺氈進(jìn)行加工處理來過濾性能的途徑備受研究者青睞[7-9]。其中，涂層整理的方式便捷、可控，在紡織品加工領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。發(fā)泡涂層[10-12]是一種常見的涂層方式，是指在整理工作液中加入發(fā)泡劑形成一定質(zhì)量的泡沫，然后將泡沫均勻施加到基材表面的一種加工工藝，具有成本低、涂布均勻、涂布量易于控制及對基材透氣性影響小等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，低阻高效是芳綸針刺氈研究的重要方向，若能通過發(fā)泡涂層整理，獲得低阻高效的芳綸針刺氈濾料，將對芳綸針刺氈在高溫?zé)煔膺^濾領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。近年來，以具有耐高溫、耐腐蝕、高潤滑、無毒害的聚四氟乙烯（PTFE）為涂層整理劑主要成分，對濾料進(jìn)行發(fā)泡涂層后整理處理以提升濾料性能的研究備受研究者青睞[13-16]。

本研究以聚四氟乙烯（PTFE）乳液配成發(fā)泡涂層整理液，然后將其用于整理芳綸針刺氈，以獲得性能優(yōu)良的復(fù)合針刺氈濾料。探究了發(fā)泡涂層前后，芳綸針刺氈面密度、厚度、透氣性、力學(xué)性能、耐磨性、表面形貌、孔徑及過濾性能的變化情況。本研究將為低阻高效芳綸針刺氈濾料的制備提供理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1?實(shí)?驗(yàn)

1.1?實(shí)驗(yàn)主要材料與儀器

主要材料：間位芳綸針刺氈（煙臺(tái)泰和新材集團(tuán)有限公司）;TE3893型聚四氟乙烯乳液（PTFE，固含量54%，日本大金）;NC1500型聚全氟乙丙烯（F46，日本大金）;去離子水（電阻率18 MΩ·cm，實(shí)驗(yàn)室自制）;十二烷基硫酸鈉（SDS，分析純，杭州高晶精細(xì)化工有限公司）;HD-1019型純丙乳液（固含量40%，上海訓(xùn)達(dá)新材料科技有限公司）;HD-91型聚丙烯酸酯黏合劑（固含量40%，上海訓(xùn)達(dá)新材料科技有限公司）;硝酸（分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司）。

主要儀器：BL-520型電子天平（常州市天之平儀器設(shè)備有限公司）;YG141D型數(shù)字式織物厚度儀（溫州方圓儀器有限公司）;YG026D型電子強(qiáng)力機(jī)（溫州方圓儀器有限公司）;CFP-1500AE型孔徑分析儀（美國PMI公司）;YG461E型透氣性測試儀（溫州方圓儀器有限公司）;SX-L1050型濾料試驗(yàn)臺(tái)（蘇州市蘇信凈化設(shè)備廠）;DHG-9070A型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科技有限公司）;Ultra55掃描電子顯微鏡（SEM，德國蔡司公司）。

1.2?實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1?芳綸針刺氈的預(yù)處理

在進(jìn)行發(fā)泡涂層之前，先對純芳綸針刺氈進(jìn)行清洗，以去除表面上的灰塵等雜質(zhì)。將針刺氈先置于去離子水中浸泡30 min，取出再用去離子水沖洗2～3次，然后放置在70 ℃的鼓風(fēng)烘箱中，烘干后取出待用。

1.2.2?發(fā)泡涂層整理液的制備

在60.0 g去離子水中加入20.0 g的PTFE乳液，然后向其中加入2.0 g增強(qiáng)劑F46乳液，接著再依次加入2.0 g發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉（SDS）、1.0 g穩(wěn)泡劑純丙乳液和15.0 g黏合劑聚丙烯酸酯，開啟機(jī)械攪拌器充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠹吹玫桨l(fā)泡涂層整理液。

1.2.3?PTFE/芳綸復(fù)合針刺氈濾料的制備

將制備所得發(fā)泡涂層整理液施加到自制的由電磁式空氣壓縮機(jī)、抽濾瓶和收料燒杯組成的發(fā)泡裝置中，開啟壓縮機(jī)，利用收料燒杯接收泡沫，然后將所集泡沫通過刮刀涂刮至純芳綸針刺氈表面，經(jīng)140 ℃鼓風(fēng)烘箱干燥后，即可得到PTFE/芳綸復(fù)合針刺氈濾料。

1.3?測試與表征

1.3.1?面密度及厚度測試

面密度是指單位面積的質(zhì)量。按照FZ/T 60003—1991《非織造布單位面積質(zhì)量的測定》標(biāo)準(zhǔn)，裁剪10塊尺寸大小相同的針刺氈試樣，利用電子天平進(jìn)行稱重，然后分別計(jì)算各自的面密度，最后取10塊試樣面密度的平均值。

采用織物厚度儀，按照FZ/T 60004—1991《非織造布厚度的測定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行厚度測試。測試時(shí)選擇壓腳面積為（2 000±20） mm2，加壓壓力為0.5±0.01 kPa，加壓時(shí)間為（10±5） s。測試結(jié)果取10塊試樣測定值的平均值。

1.3.2?表面形貌測試

先將樣品進(jìn)行鍍金處理，然后利用導(dǎo)電膠將其貼置于試樣臺(tái)上，通過掃描電子顯微鏡觀察試樣的表面形貌，測試的工作電壓為3 kV。

1.3.3?孔徑測試

利用孔徑分析儀，采用泡點(diǎn)法進(jìn)行濾料孔徑測試。將針刺氈濾料放入測試儀樣品臺(tái)上，滴加表面張力為20.1 mN/m的silkwick試劑將試樣潤濕，然后通過測試軟件測試針刺氈的孔徑及分布，其中設(shè)定測試類型為Wet Up/Dry Up。

1.3.4?透氣性測試

按照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》標(biāo)準(zhǔn)，采用透氣性測試儀對針刺氈樣品進(jìn)行測試，以透氣率作為測試指標(biāo)，測試面積為20 cm2，試樣壓差為200 Pa，每種試樣在不同位置測試10次，求平均值。

1.3.5?拉伸性能測試

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》進(jìn)行測試。裁剪6塊大小為50 mm×250 mm的試樣，以條樣法為測試方法，以斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率為測試指標(biāo)，設(shè)置儀器兩夾鉗之間的距離為200 mm，拉伸速度為100 mm/min，上升速度為200 mm/min，測定針刺氈的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取3次平均值。

1.3.6?耐磨性能測試

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21196.2—2007《紡織品馬丁代爾法織物耐磨性的測定 第2部分：試樣破損的測定》、GB/T 21196.3—2007《紡織品馬丁代爾法織物耐磨性的測定 第3部分：質(zhì)量損失的測定》和GB/T 21196.4—2007《紡織品馬丁代爾法織物耐磨性的測定 第4部分：外觀變化的評定》進(jìn)行測試。濾料的使用壽命很大程度上取決于濾料的耐磨性能。實(shí)驗(yàn)過程中，每磨一定的次數(shù)記錄當(dāng)時(shí)的濾料質(zhì)量。試樣面積50 mm×250 mm，磨料為砂紙，砂紙面積50 mm×250 mm，負(fù)荷6 kg。根據(jù)每一個(gè)濾料在磨損前后的質(zhì)量差異，計(jì)算出相同摩擦次數(shù)下每個(gè)濾樣的質(zhì)量損失平均值，按式（1）計(jì)算耐磨指數(shù)Ai。

式中：Ai為耐磨指數(shù)，次/mg;n為總摩擦次數(shù)，次;Δm為濾料摩擦前后的質(zhì)量損失，mg。

1.3.7?過濾性能表征

過濾效率與過濾阻力是表征過濾性能的重要指標(biāo)。按照GB/T 14295—2008《空氣過濾器》標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定濾料實(shí)驗(yàn)面積為100 cm2，控制濾速為32 L/min，選用的過濾顆粒為0.3 μm的聚苯乙烯粒子，通過式（2）計(jì)算針刺氈的過濾效率。

過濾效率/%=上游粒子數(shù)-下游粒子數(shù)上游粒子數(shù)×100（2）

2?結(jié)果與討論

2.1?整理前后針刺氈的基本物理性能對比

芳綸針刺氈經(jīng)PTFE乳液發(fā)泡涂層前后的面密度、厚度、透氣率和拉伸性能等性能如表1。從表1中發(fā)現(xiàn)，涂層整理后PTFE/芳綸復(fù)合針刺氈的面密度和厚度均高于純芳綸針刺氈，這主要?dú)w因于整理后的針刺氈表面附著了PTFE涂層劑，直接導(dǎo)致面密度和厚度增加。涂層前后針刺氈的透氣率基本不變，這說明發(fā)泡涂層對針刺氈的透氣性能影響不大，顯現(xiàn)了發(fā)泡涂層的優(yōu)勢。與原芳綸針刺氈相比，涂層后PTFE/芳綸復(fù)合針刺氈的橫縱向斷裂強(qiáng)力和相應(yīng)的斷裂伸長率均基本維持不變，這是因?yàn)獒槾虤值膹?qiáng)力主要由基布決定，而PTFE乳液發(fā)泡涂層后形成的涂層膜僅貼附于濾料表面，對基布內(nèi)纖維的影響較小。

圖1給出了PTFE發(fā)泡涂層整理前后針刺氈的耐磨性能。從圖1中可以看出，經(jīng)PTFE發(fā)泡涂層整理過的針刺氈濾料，在磨損相同次數(shù)下，耐磨指數(shù)約為未處理濾料的兩倍，這說明PTFE發(fā)泡涂層可以改善濾料的耐磨性能。由于發(fā)泡涂層所得PTFE薄膜自身比較光滑，潤滑性能良好，其較好的減輕了摩擦過程中的損失，從而提高了芳綸針刺氈的耐磨性。

2.2?整理前后針刺氈的表面形貌和孔徑分析

圖2是PTFE發(fā)泡涂層前后芳綸針刺氈的SEM圖像。從圖2中發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)涂層整理的芳綸針刺氈中，纖維粗細(xì)均勻，表面光滑，相鄰纖維間存在明顯的空隙，而涂層整理后的針刺氈中，纖維表面變得粗糙，明顯附著有一層膜狀物，且相鄰纖維發(fā)生粘連，相互間的空隙變少。

表2為PTFE發(fā)泡涂層整理前后針刺氈的孔徑變化情況。從表2中發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)涂層整理的芳綸針刺氈試樣，最小孔徑為28.12 μm，最大孔徑為156.41 μm，平均孔徑為90.89 μm;而經(jīng)PTFE發(fā)泡涂層整理后，最小孔徑縮減為20.87 μm，最大孔徑減至127.62 μm，平均孔徑則變?yōu)?8.64 μm;這證明發(fā)泡涂層后形成的PTFE膜狀物，在一定程度上填充了纖維間原有的空隙，起到了縮減針刺氈孔徑的作用。結(jié)合前文所述，經(jīng)發(fā)泡涂層整理后，針刺氈的透氣性卻并未明顯下降，這主要是因?yàn)樵诎l(fā)泡涂層過程中，形成的氣泡內(nèi)氣體因體積膨脹會(huì)發(fā)生破裂，繼而在針刺氈表面形成了“微孔化”的薄膜，這一層薄膜只是改變了針刺氈的表面性質(zhì)，內(nèi)部還保持著良好的通透性。

2.3?整理前后針刺氈的過濾性能分析

選用尺寸為0.3 μm的聚苯乙烯顆粒，以過濾效率和過濾阻力來評價(jià)針刺氈濾料的過濾性能，結(jié)果如表3所示。從表3中發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)發(fā)泡涂層整理的針刺氈試樣過濾效率為41.03%，過濾阻力為43.33 Pa，經(jīng)發(fā)泡涂層后，PTFE/芳綸復(fù)合針刺氈過濾效率明顯提升至63.24%，且過濾阻力并未明顯下降，基本和原針刺氈過濾阻力相近。過濾效率提升，這是由于PTFE發(fā)泡處理使得濾料表面形成一層致密的膜，一定程度上縮小了濾料的孔徑。綜合來看，經(jīng)PTFE乳液發(fā)泡涂層后，實(shí)現(xiàn)了芳綸針刺氈濾料高濾低阻的要求。

3?結(jié)?論

利用發(fā)泡后的聚四氟乙烯乳液對芳綸針刺氈進(jìn)行涂層整理，詳細(xì)探究發(fā)泡涂層整理前后芳綸針刺氈面密度、厚度、透氣性、力學(xué)性能和耐磨性等基本物理性能，表面形貌和孔徑及過濾性能的變化情況。與原芳綸針刺氈相比，發(fā)泡涂層整理后的PTFE/芳綸復(fù)合針刺氈的面密度和厚度均稍有增加，透氣性和縱橫向斷裂強(qiáng)力無明顯下降，耐磨性顯著提升，纖維表面附著有PTFE膜狀物，孔徑也明顯減小;在保證過濾阻力基本不變的情況下，PTFE/芳綸復(fù)合針刺氈對0.3 μm聚苯乙烯顆粒的過濾效率可從41.03%顯著提升至63.24%，實(shí)現(xiàn)了芳綸針刺氈濾料高濾低阻的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王釗磊，李昱芃，祝巍，等.論芳綸纖維研究進(jìn)展及制定其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的重要性[J].中國質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)報(bào)，2019，255（1）：67-70.

[2] KATO T， MAGARIO A. The wear of aramid fiber reinforced brake pads： the role of aramid fibers[J]. A S L E Transactions， 2008，37（3）：559-565.

[3] 張蓓.我國芳綸纖維的發(fā)展概況[J].精細(xì)與專用化學(xué)品，2010，18（10）：6-9.

[4] 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.

[5] 胡玉鋒.如何科學(xué)地選擇袋式除塵濾料[J].非織造布，2005，13（2）：15-16.

[6] 蔣吉眾，張如全，張愛軍.高溫過濾材料的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].輕工科技，2014（8）：37-38.

[7] 上海博格工業(yè)用布有限公司，江蘇氟美斯環(huán)保節(jié)能新材料有限公司，撫順博格環(huán)?？萍加邢薰?，等.芳綸纖維涂層針刺氈：中國，202410383U[P].2012-09-05.

[8] 張?jiān)?，張?zhí)铮鹾?過濾材料的撒粉涂層處理[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2018，36（8）：31-36.

[9] 赫偉東，郭穎赫，柳靜獻(xiàn).電氣石顆粒/聚苯硫醚針刺氈復(fù)合過濾材料的過濾性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2018，35（7）：140-145.

[10] 張淼，劉虹兵，董振江，等.一步法雙面異色多功能發(fā)泡涂層及性能[J].印染助劑，2016（6）：32-36.

[11] 李永光，劉穎.發(fā)泡涂層針刺氈的過濾性能研究[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2016（1）：84-85.

[12] 婁路陽，王洪.PTFE/玻纖多泡孔涂層高溫復(fù)合濾材的制備[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018（3）：372-378.

[13] 李素勤，鄧炳耀，劉慶生，等.發(fā)泡涂層對PPS濾料表面性能的影響[J].化工新型材料，2016（5）：255-257.

[14] PARK B H， LEE M H， KIM S B， et al. Preparation and characterization of porous composite filter medium by polytetrafluoroethylene foam coating[J]. Journal of the Air & Waste Management Association，2010，60（2）：137-141.

[15] 蔡偉龍，鄭玉嬰，肖向榮.聚酰亞胺/聚四氟乙烯復(fù)合濾料的發(fā)泡涂層性能[J].紡織學(xué)報(bào)，2011，32（4）：29-32.

[16] 婁路陽.玻纖基布表面氟樹脂處理技術(shù)研究[D].上海：東華大學(xué)，2018.