三聚氰胺熔噴/芳砜綸耐高溫復(fù)合濾料的復(fù)合工藝及性能研究*

劉嘉煒 張譯丹 賈新葉 黃 晨 陳晟暉 張光旭

1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；3.上海特安綸纖維有限公司，上海 201103

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，伴隨而來(lái)的環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重。有研究[1-3]表明，空氣中顆粒物對(duì)人體的危害極大。世界衛(wèi)生組織(WHO)認(rèn)為，PM2.5安全值應(yīng)小于10，而中國(guó)僅珠江三角洲地區(qū)9個(gè)城市的PM2.5數(shù)值就已達(dá)到了50～80。可想而知，整個(gè)中國(guó)的空氣質(zhì)量面臨著不容忽視的挑戰(zhàn)。因此，有效解決我國(guó)空氣污染問(wèn)題已成為當(dāng)前刻不容緩的時(shí)代使命和責(zé)任[4]。

我國(guó)近幾年已逐漸加大對(duì)空氣污染治理的力度，如2014年7月起，工業(yè)企業(yè)實(shí)施新的粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)[5-7]。這些新標(biāo)準(zhǔn)要求粉塵排放濃度小于30.00 mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)要求小于20.00 mg/m3甚至更低[8]。在如此高的粉塵排放濃度標(biāo)準(zhǔn)要求下，對(duì)高效空氣過(guò)濾用材料的需求越來(lái)越高?，F(xiàn)有的高效過(guò)濾材料基本以覆膜濾料為主，而覆膜濾料的膜易破損，且膜一旦破損，破洞會(huì)很快擴(kuò)大，過(guò)濾效率進(jìn)一步降低。

通常，濾料用超細(xì)纖維如紡黏超細(xì)纖維[9]、熔噴超細(xì)纖維等，比表面積較大，纖維集合體的孔隙率較高，可以有效過(guò)濾 PM2.5，但不耐高溫，故無(wú)法用于高溫粉塵的過(guò)濾[10]。三聚氰胺性質(zhì)穩(wěn)定，其在345 ℃以上分解，加之其纖維直徑小、比表面積大，故三聚氰胺熔噴非織造材料適用于高濾效空氣過(guò)濾領(lǐng)域；芳砜綸具有突出的阻燃性和優(yōu)良的抗氧化性，同時(shí)具有良好的抗酸性能，其常作為耐高溫過(guò)濾材料的基材用于過(guò)濾領(lǐng)域[11]。

20世紀(jì)80年代初，隨著非織造技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)成功研制出合成纖維針刺氈。之后，芳砜綸等纖維研制成功，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的耐高溫針刺濾料產(chǎn)品[12]。水刺工藝的優(yōu)點(diǎn)源于其使用的極細(xì)的高壓水針，其直徑比針刺工藝所用的金屬刺針要小很多，因此由水刺工藝制造的非織造材料表面比針刺氈更加光潔平整，并避免了針刺孔出現(xiàn)漏灰等現(xiàn)象[13]。水刺濾料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以達(dá)到很好的過(guò)濾性能，且可以節(jié)省10%～15%的纖維原料，在PM2.5和PM10過(guò)濾領(lǐng)域有較大的發(fā)展?jié)摿14]。

本文旨在對(duì)三聚氰胺熔噴材料與芳綸/芳砜綸混合針刺布進(jìn)行復(fù)合，通過(guò)試驗(yàn)比對(duì)針刺和預(yù)針刺+水刺兩種加固工藝制得的三聚氰胺熔噴/芳砜綸耐高溫復(fù)合濾料(簡(jiǎn)稱“復(fù)合濾料”)的性能，以期研發(fā)出新型耐高溫過(guò)濾材料，使過(guò)濾材料具有小孔徑、高濾效等特性。

1 復(fù)合濾料的制備與性能測(cè)試

1.1 試驗(yàn)原料

三聚氰胺熔噴材料：纖維平均直徑為2 μm，面密度為100.0 g/m2。芳綸和芳砜綸：規(guī)格都為1.67 dtex×51.0 mm，制備的芳綸/芳砜綸混合針刺布的面密度為210.0 g/m2。基布：聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene，PTFE)扁纖維機(jī)織布，面密度為130.0 g/m2。

復(fù)合濾料總面密度設(shè)計(jì)為650.0 g/m2。

1.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)使用儀器歸納于表1。

表1 試驗(yàn)用儀器

1.3 復(fù)合濾料的制備工藝流程

本文共設(shè)計(jì)了兩種工藝制備復(fù)合濾料：一種為針刺工藝，另一種為預(yù)針刺+水刺工藝。

1.3.1 針刺工藝

采用三角截面(或其他截面)且棱邊帶倒鉤的刺針對(duì)纖網(wǎng)進(jìn)行反復(fù)穿刺。倒鉤穿過(guò)纖網(wǎng)時(shí)，纖網(wǎng)表面和局部里層的纖維束被刺入纖網(wǎng)內(nèi)部，纖維在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中互相纏結(jié)，且纖維網(wǎng)受到壓縮。刺針退出纖網(wǎng)時(shí)，刺入的纖維束脫離倒鉤并留在纖網(wǎng)中，纖網(wǎng)不再恢復(fù)至原來(lái)的蓬松狀態(tài)。本文將采用三角截面刺針，經(jīng)8道針刺后，將相當(dāng)多的纖維束刺入纖網(wǎng)中，使纖維互相纏結(jié)，從而形成具有一定強(qiáng)力和厚度的復(fù)合濾料。本試驗(yàn)欲探究采用三聚氰胺熔噴材料能否達(dá)到較高的過(guò)濾效率，起初計(jì)劃將三聚氰胺熔噴材料放在表層，以達(dá)到類似表面過(guò)濾的效果，但考慮到針刺工藝對(duì)三聚氰胺熔噴材料破壞太過(guò)劇烈，故本工藝鋪疊時(shí)未將三聚氰胺熔噴材料放在表層。

本工藝采用兩步法制作復(fù)合濾料：先將芳綸、芳砜綸按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)各50%的比例混合制備纖維層并進(jìn)行預(yù)針刺，得到面密度為210.0 g/m2的芳綸/芳砜綸混合針刺布；然后按照第一層迎風(fēng)層為芳綸/芳砜綸混合針刺布、第二層為三聚氰胺熔噴材料、第三層為PTFE扁纖維機(jī)織布、第四層與第一層完全相同的方式鋪疊，再經(jīng)過(guò)8道正反針刺后，制成復(fù)合濾料。制備復(fù)合濾料的針刺工藝路線如圖1所示，具體加工工藝參數(shù)如表2所示。

1、4——芳綸/芳砜綸混合針刺布；2——三聚氰胺熔噴材料；3——PTFE扁纖維機(jī)織布圖1 針刺工藝路線

表2 針刺加工工藝參數(shù)

1.3.2 預(yù)針刺+水刺工藝

該工藝采用1道預(yù)針刺+5道水刺的方式制作復(fù)合濾料。其中，芳綸/芳砜綸混合針刺布的制備同1.3.1節(jié)，后續(xù)工藝路線及鋪疊方式如圖2所示，三聚氰胺熔噴材料放在表層。預(yù)針刺加工工藝參數(shù)同表2中的“針刺1”，水刺加工工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 水刺加工工藝參數(shù)

1——三聚氰胺熔噴材料;2、4——芳綸/芳砜綸混合針刺布;3——PTFE扁纖維機(jī)織布圖2 預(yù)針刺+水刺工藝路線

水刺過(guò)程中，第1道為預(yù)濕預(yù)水刺，其使得三聚氰胺熔噴材料與芳綸/芳砜綸混合針刺布纏結(jié)，以利于后面主水刺水針能量的吸收。由于三聚氰胺熔噴材料僅放置于表層，且熔噴纖維細(xì)度小，自身黏合強(qiáng)度不高，考慮到反刺有可能將強(qiáng)力不高的熔噴纖維帶出纖維網(wǎng)，故本工藝只對(duì)材料正面進(jìn)行水刺。

1.4 性能測(cè)試

采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)對(duì)制得的兩種復(fù)合濾料進(jìn)行形貌表征，觀察纖維形態(tài)，掃描前對(duì)試樣進(jìn)行噴金處理。

對(duì)復(fù)合濾料進(jìn)行基本物理及力學(xué)性能(包括面密度、厚度及斷裂強(qiáng)力等)測(cè)試，測(cè)試方法參照GB/T 24218.1—2009、GB/T 24218.2—2009及GB/T 24218.3—2010標(biāo)準(zhǔn)；透氣性能(透氣度)用于表征空氣透過(guò)樣品的能力，測(cè)試方法依據(jù)GB/T 5453—1997標(biāo)準(zhǔn)；孔徑測(cè)試采用泡點(diǎn)法，通過(guò)計(jì)算氣體通過(guò)試樣時(shí)壓力和氣流的變化，分析和計(jì)算試樣的孔徑及其分布；動(dòng)態(tài)過(guò)濾性能參照標(biāo)準(zhǔn)VDI 3926-1∶2004進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 形貌表征

2.1.1 三聚氰胺熔噴材料表面電鏡照片

三聚氰胺熔噴材料的表面電鏡照片如圖3所示。從圖3可以看出，三聚氰胺熔噴材料中纖維呈隨機(jī)排列，纖維直徑離散性較大，材料具有孔隙率大、比表面積大等特性，適合用做空氣過(guò)濾材料。本文為定量表征纖維的細(xì)度，利用Image J軟件從圖3中隨機(jī)選取了100根纖維進(jìn)行直徑測(cè)量，計(jì)算和統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示三聚氰胺熔噴材料中纖維的平均直徑在2 μm左右 。

圖3 三聚氰胺熔噴材料表面電鏡照片

2.1.2 針刺工藝所得復(fù)合濾料截面電鏡照片

圖4所示為針刺工藝所得復(fù)合濾料的截面電鏡照片,其中：a為三聚氰胺熔噴材料層；b為針刺工藝形成的纖維束“釘銷”式結(jié)構(gòu)，其如一個(gè)個(gè)釘子般扎在復(fù)合濾料中，確保了復(fù)合濾料的強(qiáng)力與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。針刺后，纖維互相穿插并抱合緊密，各層之間纏結(jié)有效。

a——三聚氰胺熔噴材料；b——針刺痕跡圖4 針刺工藝所得復(fù)合濾料的截面電鏡照片

2.1.3 預(yù)針刺+水刺工藝所得復(fù)合濾料截面電鏡照片

圖5所示為預(yù)針刺+水刺工藝所得復(fù)合濾料截面電鏡照片，可以看出：經(jīng)過(guò)預(yù)針刺+水刺工藝加工以后，材料截面有輕微針刺痕跡，上層纖維并未與下層纖維形成牢固纏結(jié)，各纖維網(wǎng)層之間未形成明顯的纖維束“釘銷”式結(jié)構(gòu)，纖維損傷較少。

a——三聚氰胺熔噴材料；b——針刺痕跡圖5 預(yù)針刺+水刺工藝所得復(fù)合濾料的截面電鏡照片

2.1.4 針刺工藝掉落物分析

針刺過(guò)程中，材料表面會(huì)有白色粉末狀物體掉落，尤其是在針刺頻率較大的主針刺機(jī)附近。對(duì)針刺工藝掉落物分別進(jìn)行50倍和500倍的電鏡掃描，結(jié)果如圖6所示。

圖6 針刺工藝掉落物電鏡照片

從圖6可以看出，纖維呈斷裂形態(tài)，其中紅色線圈標(biāo)示的是典型的刺針刺鉤作用導(dǎo)致的彎勾狀纖維。當(dāng)三明治結(jié)構(gòu)的纖維網(wǎng)進(jìn)入針刺機(jī)后，其中的熔噴纖維因單纖強(qiáng)力較低，在刺針的高頻率穿刺作用下很多熔噴纖維被刺斷并被帶出，從而出現(xiàn)了上述的掉落情況，只有少數(shù)刺斷的纖維被刺針帶入下層，與其他纖維形成纏結(jié)和抱合。

在整個(gè)復(fù)合濾料中，三聚氰胺熔噴材料是實(shí)現(xiàn)高效過(guò)濾的關(guān)鍵，因此，探索加固工藝對(duì)三聚氰胺熔噴材料形貌和三維結(jié)構(gòu)的影響非常有必要。從上述兩種工藝得到的復(fù)合濾料的電鏡照片得出，與預(yù)針刺+水刺工藝相比，針刺工藝更易于在纖維網(wǎng)層之間形成牢固的交叉和纏結(jié)，但會(huì)致使三聚氰胺熔噴纖維被刺斷和帶出，出現(xiàn)掉落的情況，影響復(fù)合濾料的使用效果。

2.2 基本物理及力學(xué)性能

對(duì)兩種工藝制備的復(fù)合濾料樣品分別進(jìn)行基本物理及力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表4所示。

表4 兩種工藝制備的復(fù)合濾料的基本物理及力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

從表4可以看出：

(1)針刺工藝制備的復(fù)合濾料的面密度、厚度比預(yù)針刺+水刺工藝制備的復(fù)合濾料低，原因是針刺工藝與預(yù)針刺+水刺工藝相比，前者對(duì)纖維損傷更大，針刺過(guò)程中部分芳砜綸與三聚氰胺熔噴纖維被刺斷，并被刺針從纖維網(wǎng)中帶出，從而導(dǎo)致纖維網(wǎng)面密度顯著降低，厚度也相應(yīng)降低。

(2)從馬丁戴爾法測(cè)得的質(zhì)量損失率來(lái)看，針刺工藝的質(zhì)量損失率為0.13%，即每平方米質(zhì)量減少了約0.69 g(即面密度×質(zhì)量損失率)，預(yù)針刺+水刺工藝的質(zhì)量損失率為2.28%，即每平方米質(zhì)量減少了約15.26 g，可見(jiàn)針刺工藝制備的復(fù)合濾料的耐磨性更好。這主要?dú)w因于在預(yù)針刺+水刺工藝制備的復(fù)合濾料中，一方面三聚氰胺熔噴材料為表層，其纖維細(xì)度小，材料柔軟，摩擦過(guò)程中材料與磨料接觸得更多，加之強(qiáng)力低，故自身耐磨性較差；另一方面，水刺對(duì)三聚氰胺熔噴材料層與芳綸/芳砜綸混合針刺布層的復(fù)合作用不大，層間纖維沒(méi)有形成有效纏結(jié)，摩擦測(cè)試時(shí)三聚氰胺熔噴材料容易被剝離，故質(zhì)量損失較多。

(3)預(yù)針刺+水刺工藝制備的復(fù)合濾料的透氣率遠(yuǎn)小于針刺工藝制備的復(fù)合濾料，這與預(yù)針刺+水刺工藝對(duì)復(fù)合濾料幾乎沒(méi)有破壞，而針刺工藝對(duì)復(fù)合濾料破壞較大有關(guān)。

(4)縱向斷裂強(qiáng)力方面，針刺工藝制備的復(fù)合濾料比預(yù)針刺+水刺工藝制備的復(fù)合濾料低，這與針刺工藝對(duì)纖維的損傷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)針刺+水刺工藝，同時(shí)刺針對(duì)PTFE扁纖維機(jī)織布有損傷有關(guān)。

2.3 過(guò)濾材料孔徑及其分布

泡點(diǎn)法測(cè)試?yán)w維過(guò)濾材料孔徑特征的原理：試樣經(jīng)已知表面張力的潤(rùn)濕劑充分浸潤(rùn)后放入試樣室，氣體在壓力作用下分別通過(guò)干態(tài)試樣和濕態(tài)試樣的毛細(xì)孔，計(jì)算氣體通過(guò)試樣時(shí)壓力和流量的變化，可得到試樣的孔徑及其分布。三聚氰胺熔噴材料及兩種工藝制備的復(fù)合濾料的孔徑測(cè)試結(jié)果如圖7和表5所示。

圖7 孔徑分布

表5 三聚氰胺熔噴材料及兩種工藝制備的復(fù)合濾料的孔徑狀況 (μm)

從圖7和表5可以看出：三聚氰胺熔噴材料孔徑分布不均勻，大部分孔徑在9.0～32.0 μm，這與其纖維直徑離散性較大有關(guān)；針刺工藝制備的復(fù)合濾料因刺針的反復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致大量三聚氰胺熔噴纖維斷裂，形成“釘銷”式結(jié)構(gòu)，故濾料孔徑較大，且分布均勻；水刺對(duì)纖維損傷小，且水刺能將部分三聚氰胺熔噴纖維帶入芳綸/芳砜綸混合針刺布的孔隙里，故孔徑較小，且分布較均勻?？讖綘顩r的不同也是針刺工藝制備的復(fù)合濾料透氣性優(yōu)于預(yù)針刺+水刺工藝制備的復(fù)合濾料的原因所在。

2.4 過(guò)濾性能

材料的動(dòng)態(tài)過(guò)濾性能委托廣州纖維產(chǎn)品檢測(cè)研究院采用標(biāo)準(zhǔn)VDI 3926-1∶2004進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件如表6所示。對(duì)復(fù)合濾料進(jìn)行吹灰和反沖洗，以模擬整個(gè)清灰過(guò)程，1次吹灰和1次反沖洗即為1次循環(huán)。先對(duì)復(fù)合濾料測(cè)試樣進(jìn)行30次循環(huán)，測(cè)試過(guò)濾性能；然后對(duì)濾料進(jìn)行人工老化(被測(cè)濾料脈沖清灰10 000次,每次間隔5 s)，再進(jìn)行過(guò)濾性能測(cè)試。所得濾料的動(dòng)態(tài)過(guò)濾性能測(cè)試結(jié)果如表7所示。

表6 動(dòng)態(tài)過(guò)濾性能測(cè)試條件

過(guò)濾初期，過(guò)濾材料的過(guò)濾阻力較小。隨著使用時(shí)間的增加，細(xì)微顆粒物進(jìn)入并停留在過(guò)濾材料內(nèi)部形成粉塵層，對(duì)含塵空氣形成深層過(guò)濾，同時(shí)過(guò)濾阻力增大[15]。從表7可以看出：預(yù)針刺+水刺工藝制備的復(fù)合濾料比針刺工藝制備的復(fù)合濾料的過(guò)濾效率更高，粉塵排放濃度更小，這與前者孔徑更小、過(guò)濾性能更好有關(guān)，但相應(yīng)的壓差更大。人工老化前，復(fù)合濾料的粉塵排放濃度均小于0.10 mg/m3。人工老化后，復(fù)合濾料質(zhì)量有些許增加，這是灰塵殘留在復(fù)合濾料中導(dǎo)致的；壓差變大，粉塵排放濃度較人工老化前增加，過(guò)濾效率都降低到99.997 0%及以下，這是由于復(fù)合濾料經(jīng)過(guò)反復(fù)使用后，灰塵在復(fù)合濾料表面形成濾餅，還有部分粉塵堵住了部分孔隙，影響了濾料原來(lái)的結(jié)構(gòu)。但最終兩種工藝制得的復(fù)合濾料的粉塵排放濃度均小于0.20 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)表明，將三聚氰胺熔噴材料與芳綸/芳砜綸混合針刺布復(fù)合所制得的復(fù)合濾料，都可作為新型濾料用于實(shí)際生產(chǎn)中，且都具有很好的過(guò)濾效率。

表7 過(guò)濾性能測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論與展望

預(yù)針刺+水刺工藝作用力較柔和，對(duì)三聚氰胺熔噴材料損傷?。会槾坦に嚫子谠诶w維網(wǎng)層之間形成牢固的交叉和纏結(jié)，但對(duì)三聚氰胺熔噴材料破壞較大，刺針會(huì)將熔噴纖維刺出纖維網(wǎng)，質(zhì)量損失較大。兩種工藝制得的復(fù)合濾料的粉塵排放濃度均小于0.20 mg/m3，遠(yuǎn)小于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，過(guò)濾效率均達(dá)到99.998 0%以上,人工老化后的過(guò)濾效率仍可達(dá)99.996 0%以上，因此兩種工藝制備的復(fù)合濾料都可用于工業(yè)化生產(chǎn)，只是今后還需對(duì)綜合能耗等問(wèn)題加以完善。