打折加工對熔噴/紡黏復(fù)合濾材性能的影響

韓晏霜 吳海波 洪賢良 黃俊杰

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海201620；2. 浙江金海環(huán)境技術(shù)股份有限公司，浙江 諸暨311817

近年來，嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題嚴(yán)重威脅著人類的健康，PM2.5是引起空氣污染的主要細(xì)微顆粒物。PM2.5的粒徑較小，比表面積較大，易吸附空氣中的有害重金屬和有機(jī)物，比PM10毒性要高[1]。國內(nèi)外大量流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，空氣中顆粒物濃度的上升與疾病的發(fā)病率和死亡率密切相關(guān)，PM2.5的濃度每增加10 μg/m3，呼吸系統(tǒng)疾病患者的死亡率就將提高0.5%[2]。因此，空氣質(zhì)量成為人們的關(guān)注對象。目前主要采用過濾法去除空氣中的細(xì)微顆粒物，提升空氣的潔凈度和質(zhì)量。

隨著過濾業(yè)的發(fā)展，單一過濾材料(濾材)已無法滿足高效過濾的需求。液體或氣體的過濾都傾向于使用多功能復(fù)合濾材。熔噴非織造布因具有纖維直徑小、比表面積大、纖網(wǎng)孔隙率高及良好的深層過濾效能等特點(diǎn)而被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的濾材之一。

在過濾器的生產(chǎn)加工方面，國內(nèi)主流空氣過濾器中濾芯的結(jié)構(gòu)以V形褶為主，V形褶濾芯不僅可以增大過濾器的過濾面積，還能降低過濾速度和過濾阻力。V形褶濾芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括折間和折高(圖1)。

圖1 V形褶濾芯

按照生產(chǎn)所需，可利用打折機(jī)制作折高不同的V形褶濾材，再經(jīng)熱定型處理即成為過濾器的濾芯。

本文對不同過濾等級的復(fù)合濾材進(jìn)行打折加工和熱處理，研究打折加工工藝對復(fù)合濾材相關(guān)性能的影響，以期為過濾器濾芯的選材和加工提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料和設(shè)備

試驗(yàn)所用5種不同過濾等級的熔噴/紡黏復(fù)合濾材由浙江金海環(huán)境技術(shù)股份有限公司提供，其型號和基本性能如表1所示。其中，試樣A、B、C為亞高效復(fù)合濾材，試樣D、E為高中效復(fù)合濾材。紡黏/熔噴60/30A表示在該熔噴/紡黏復(fù)合濾材試樣中，紡黏非織造布的面密度為60 g/m2，熔噴非織造布(熔噴面)的面密度為30 g/ m2，其過濾等級為A級， 其他依此類推。

表1 復(fù)合濾材試樣的型號和基本性能

所用試驗(yàn)設(shè)備包括：TSI8130型自動濾料測試儀(美國TSI公司)，YG461G型全自動透氣量儀(溫州際高檢測儀器有限公司)，往復(fù)式打折機(jī)(杭州菲特設(shè)備制造有限公司)，HD-TSC型熱刺激電流測試儀(杭州電子科技大學(xué)研制)，數(shù)字式織物厚度儀(溫州際高檢測儀器有限公司)，高低溫恒溫恒濕試驗(yàn)箱(上海蘇盈試驗(yàn)設(shè)備有限公司)，LEO153DVP型 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國卡爾蔡司公司產(chǎn)品)。

1.2 試樣制備

對熔噴/紡黏復(fù)合濾材試樣A～E進(jìn)行打折加工處理(圖2)。具體工藝包括：首先利用打折機(jī)的上下兩片折刀對進(jìn)入的復(fù)合濾材進(jìn)行交替式扇形折疊，形成折高為47.50 mm的V形褶；然后將V形褶復(fù)合濾材移入打折機(jī)的上下加熱板中進(jìn)行熱定型處理，加熱板的溫度設(shè)為85 ℃，定型時間為7 min，復(fù)合濾材折痕處的纖維大分子鏈在這一溫度條件下發(fā)生運(yùn)動并重排，冷卻后制成V形褶濾芯。

圖2 打折加工示意

為探究打折機(jī)的加熱板溫度對復(fù)合濾材過濾性能的影響，本試驗(yàn)對未經(jīng)打折加工的熔噴/紡黏復(fù)合濾材試樣A～E(即原樣)分別進(jìn)行5 min和10 min的熱處理作為對照，熱處理的溫度與打折加工熱定型的溫度相同，均為85 ℃。

熔噴/紡黏復(fù)合濾材打折加工過程中需注意：1)確保進(jìn)入的復(fù)合濾材與折刀相垂直，保持折刀表面清潔，避免打折加工后的復(fù)合濾材出現(xiàn)傾斜和起毛的現(xiàn)象；2)加熱板溫度需適中，溫度過高易引起復(fù)合濾材發(fā)生熔融和黏連，溫度過低則無法定型，進(jìn)而影響復(fù)合濾材的過濾性能。

1.3 性能測試

1)表面形態(tài)：使用LEO153DVP型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察各熔噴/紡黏復(fù)合濾材中熔噴面的纖維形貌；

2)厚度：依據(jù)GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分: 厚度的測定》[3]，采用數(shù)字式織物厚度儀測量各熔噴/紡黏復(fù)合濾材的厚度，壓腳面積為20 cm2，砝碼質(zhì)量為102 g；

3)透氣性能：依據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性測試》[4]，采用YG461G全自動透氣量儀對各熔噴/紡黏復(fù)合濾材的透氣性進(jìn)行測試，測試面積為20 cm2，壓降為200 Pa；

4)靜電性能：采用熱刺激放電儀對各熔噴/紡黏復(fù)合濾材及其打折加工后的折痕部位進(jìn)行測試，放電儀的起始溫度為30 ℃，終止溫度為150 ℃，升溫速率為3 ℃/min，試驗(yàn)時間為40 min；

5)過濾性能：按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，采用TSI8130型自動濾料檢測儀測試各熔噴/紡黏復(fù)合濾材的過濾性能。測試載體為鹽型氣溶膠NaCl顆粒，其質(zhì)量中值直徑為0.260 μm，數(shù)量中值直徑為0.075 μm，流量(面速率)為32 L/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維表面形態(tài)

打折加工后熔噴/紡黏復(fù)合濾材熔噴面及其折痕處的表面形貌如圖3所示?？梢钥闯?，打折加工過程中，折刀的摩擦作用使熔噴非織造布與紡黏非織造布發(fā)生了一定的分離，熔噴面折痕處出現(xiàn)布面浮起的現(xiàn)象[圖3 b)]。對比打折加工前、后熔噴/紡黏復(fù)合濾材的熔噴面纖維表面形態(tài)(圖4)發(fā)現(xiàn)：打折加工前，熔噴非織造布中的纖維呈雜亂的三維排列，纖維間相互纏結(jié)，纖網(wǎng)孔隙較多，這也是熔噴非織造布可作為主流過濾材料的原因之一；打折加工后，熔噴非織造布中折痕處的纖維分界明顯，且折痕處的纖維受熱定型和擠壓作用而產(chǎn)生黏連，纖維排列更為緊密，而折痕周邊的纖網(wǎng)變蓬松，內(nèi)部的纖維在折刀的摩擦及剪切應(yīng)力作用下發(fā)生一定彎曲，這是打折加工后各過濾材料透氣性提高，過濾阻力降低的一個因素。

2.2 厚度

5種熔噴/紡黏復(fù)合過濾材料試樣經(jīng)85 ℃熱處理后的厚度均有所增加(表2)，說明該復(fù)合濾材在一定溫度下可產(chǎn)生回彈而變蓬松。各試樣的厚度隨熱處理時間的不同而變化。加熱5 min時，各試樣的厚度較原樣有較大增幅；加熱10 min時，只有試樣A 的厚度變化較大，表明熱處理時間對不同型號的復(fù)合濾材的厚度影響不同；隨著熱處理時間的增加，部分復(fù)合濾材中的纖維受熱變硬而不再膨脹，其厚度趨于穩(wěn)定，如試樣E。

表2 熱處理前后各復(fù)合濾材試樣的厚度 (mm)

2.3 透氣性能

打折加工處理(熱處理時間為7 min)及熱處理前、后5種熔噴/紡黏復(fù)合過濾材料試樣的透氣率測試結(jié)果對比如圖5所示。

圖5 打折加工處理及熱處理前、后各試樣的透氣率測試結(jié)果對比

可以看出，從試樣A～E，5種復(fù)合濾材試樣的透氣率依次增加。對于厚度相同的試樣C和試樣D而言，因試樣D熔噴非織造布中纖維的平均直徑及纖網(wǎng)孔徑大于試樣C而具有比試樣C更好的透氣率，過濾阻力也越小。對比熱處理5 min和10 min的試樣發(fā)現(xiàn)，與未經(jīng)熱處理的原樣相比，試樣A、B、C的纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)變蓬松，其透氣率都有所增加，但熱處理10 min時，試樣D和E的透氣率卻小幅下降，究其原因是隨著熱處理時間的增加，試樣D和E中的部分纖維小分子發(fā)生熔融，原纖收縮，纖網(wǎng)孔徑變小，透氣率減小。針對打折加工處理的試樣(熱處理時間為7 min)，試樣受溫度和折刀擠壓的共同作用而產(chǎn)生一定的變形，導(dǎo)致各試樣折痕處的透氣率較熱處理5 min時的試樣略有下降。復(fù)合濾材的透氣性與材料的厚度及纖維集合體的線密度密切相關(guān)。一般認(rèn)為，纖維的平均直徑越大，濾材結(jié)構(gòu)越蓬松，濾材的孔徑越大，空氣穿透濾材時所受阻力越小，透氣性越好。

2.4 靜電性能

熱刺激放電技術(shù)(TSD)是研究電介質(zhì)材料體內(nèi)電荷儲存性能和穩(wěn)定性的基本方法。本文應(yīng)用該方法對各復(fù)合濾材試樣進(jìn)行勻速升溫，使試樣結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同陷阱能級內(nèi)的空間電荷或取向偶極分子發(fā)生松弛，并在外電路下形成電流，最終獲得電流溫度譜。通過對電流溫度譜的計(jì)算分析，獲得試樣體內(nèi)空間電荷和取向偶極分子的束縛能級、活化能分布和儲存的電荷密度等參數(shù)[7]。本文以試樣D為代表分析打折加工前、后該復(fù)合濾材的靜電性能(圖6)。

圖6 打折加工前、后試樣D的熱刺激放電圖譜

由圖6試樣D的熱刺激放電圖譜可知，打折加工前試樣D的兩個峰溫分別為137 ℃和145 ℃，說明試樣內(nèi)部存在兩個不同的陷阱能級內(nèi)的空間電荷；打折加工處理后，這兩個峰溫分別下降到103 ℃和111 ℃。根據(jù)熱刺激放電理論，對于熱刺激放電譜來說，熱刺激放電峰峰溫越高，則材料的電荷穩(wěn)定性越好[8]。但打折加工后，熱定型的溫度使得本來位于深阱的電子在吸收足夠能量后躍遷并被淺阱捕獲，增加了淺阱電荷的比例，最終導(dǎo)致復(fù)合濾材試樣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電荷穩(wěn)定性的下降。

2.5 過濾性能

各熔噴/紡黏復(fù)合濾材試樣在卷包中、自然狀態(tài)下平鋪靜置24 h、85 ℃熱定型不同時間及打折加工后的過濾效率和過濾阻力測試結(jié)果分別列于表3和表4中，打折加工和熱處理前后各試樣的過濾性能變化如圖7所示。

表3 不同狀態(tài)和處理后各試樣的過濾效率測試結(jié)果 (%)

表4 不同狀態(tài)和處理后各試樣的過濾阻力測試結(jié)果 (Pa)

圖7 打折加工和熱處理前后試樣的過濾性能變化

2.5.1 過濾效率

對比5種紡黏/熔噴復(fù)合濾材試樣的過濾效率[圖7a)]可知，熱處理及打折加工對亞高效復(fù)合濾材試樣A、B、C的過濾效率影響不大，這是因?yàn)閬喐咝?fù)合濾材采用的熔噴非織造布中的纖維平均直徑較小，纖網(wǎng)厚度較大，雜亂排列的纖維一方面可增大氣溶膠NaCl顆粒與纖維的碰撞幾率，增強(qiáng)試樣對顆粒物的攔截效應(yīng)，另一方面纖維平均直徑越小，纖網(wǎng)的孔徑也越小，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的駐極性能和電荷的穩(wěn)定性越好。因此，復(fù)合濾材試樣A、B、C的過濾效率較為穩(wěn)定。與自然靜置24 h的試樣相比，高中效復(fù)合濾材試樣D、E在熱處理和打折加工后的過濾效率都有所降低，其中，加熱時間為10 min時，試樣E的過濾效率下降了1.407%，打折加工后的過濾效率下降了3.413%。這是由于高中效復(fù)合濾材試樣D、E中的熔噴非織造布較薄，主要依靠靜電吸附對氣溶膠NaCl顆粒進(jìn)行過濾，而在打折加工過程中，受溫度的影響，試樣中的靜電荷因不穩(wěn)定而發(fā)生部分逸散，導(dǎo)致這兩種試樣過濾效率的下降。此外，經(jīng)打折加工的試樣D、E的過濾效率略高于熱處理5 min 和10 min的試驗(yàn)對照樣，這與試樣的受熱面積有關(guān)。熱處理過程中，復(fù)合濾材試樣整體受熱，內(nèi)部靜電荷受溫度影響發(fā)生逸散較多，而打折加工的熱定型中，上下加熱板只對復(fù)合濾材試樣的折痕部位進(jìn)行加熱，靜電荷的逸散主要集中在折痕及與折刀摩擦的擠壓處，逸散的靜電荷較少，因此，打折加工復(fù)合濾材試樣的過濾效率較高。

2.5.2 過濾阻力

由圖7 b)可知，熱處理和打折加工后的各復(fù)合濾材試樣的過濾阻力與自然靜置24 h的試樣相比均有所降低，其中，亞高效復(fù)合濾材試樣A、B、C的過濾阻力受熱處理影響較大，在熱處理時間為10 min 時，試樣A的過濾阻力下降了4.71 Pa。打折加工后各復(fù)合濾材試樣的過濾阻力介于自然靜置24 h和85 ℃熱處理5 min后的復(fù)合濾材之間。這與熱處理后復(fù)合濾材變蓬松，內(nèi)部纖維的孔隙變大有關(guān)。打折加工后的復(fù)合濾材試樣在受熱變形過程中，折痕部分的纖維受擠壓而緊密排列，所以其過濾阻力較熱處理的復(fù)合濾材試樣大。

本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)自然靜置24 h后，各復(fù)合濾材試樣的過濾阻力較卷包試樣小，這與復(fù)合濾材收卷時所受張力有關(guān)。一般認(rèn)為，收卷張力越大，收卷越緊，靠近卷心部位的濾材所受到的擠壓越大，濾材纖維間更密實(shí)；取卷后將濾材放置一段時間后，纖維產(chǎn)生回彈，纖維內(nèi)部孔隙率增大，復(fù)合濾材的透氣性變好，過濾阻力下降。

3 結(jié)論

本文對不同過濾等級的熔噴/紡黏復(fù)合過濾材料試樣分別進(jìn)行了熱處理和打折加工處理，并進(jìn)行了相關(guān)性能的測試和對比，得如下結(jié)論。

(1)打折加工過程中，折刀的摩擦作用使熔噴非織造布與紡黏非織造布有所分離；打折加工后熔噴面折痕處出現(xiàn)布面浮起現(xiàn)象，折痕處的纖維受熱處理溫度和擠壓作用而產(chǎn)生黏連，纖維間的排列更為緊密。

(2)與未經(jīng)任何處理的原樣相比，經(jīng)85 ℃溫度處理和的打折加工的復(fù)合濾材試樣的厚度、透氣率略有增加，過濾阻力有所下降。其中，亞高效復(fù)合濾材的過濾阻力受熱處理影響較大。與自然靜置24 h的試樣相比，熱處理10 min時，試樣A的過濾阻力下降了4.71 Pa。

(3)熱處理對高中效復(fù)合濾材試樣的過濾效率影響較大，加熱時間為10 min時，試樣E的過濾效率較自然靜置24 h的試樣下降了1.407%。打折加工對亞高效濾材的過濾效率影響不大。其中，打折加工后試樣E的過濾效率下降了3.413%；打折加工后各復(fù)合濾材試樣的相關(guān)性能介于原材料與熱處理試樣之間，說明打折加工過程中，熱定型時間對復(fù)合濾材的綜合性能影響較大，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同復(fù)合濾材的結(jié)構(gòu)特性，選擇合適的打折加工熱定型溫度和時間。