梯度結構耐高溫纖維過濾材料的結構與性能

張 恒， 甄 琪， 王俊南， 錢曉明， 劉永勝

(1. 浙江金三發非織造布有限公司， 浙江 湖州 313100； 2. 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387；3. 江蘇藍天環保集團有限公司， 江蘇 鹽城 224400)

梯度結構耐高溫纖維過濾材料的結構與性能

張 恒1， 甄 琪1， 王俊南1， 錢曉明2， 劉永勝3

(1. 浙江金三發非織造布有限公司， 浙江 湖州 313100； 2. 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387；3. 江蘇藍天環保集團有限公司， 江蘇 鹽城 224400)

為探究梯度結構纖維過濾材料的制備工藝對過濾材料結構、性能的影響，制備了聚苯硫醚纖維-聚四氟乙烯超細纖維(PPS-PTFE)濾料，并分析了制備工藝(超細纖維層面密度和水針能量)對結構和過濾性能的影響，建立了對應的二次方模型。結果表明：超細纖維層的面密度對孔徑大小和過濾效率均有顯著的影響，隨著超細纖維層面密度從(49±3.8)g/m2增大到(181±12.5)g/m2，試樣的模態孔徑從20.22 μm降低到12.52 μm，而對2.05 μm顆粒物的過濾效率從63.41%提高到91.87%；水針能量在3 738～8 755 J/g范圍內，過濾效率和過濾阻力均隨著水針能量的增大而增大；建立的二次方模型的置信度高，表明模型適用于梯度結構的耐高溫纖維過濾材料的工藝設計。

非織造過濾材料； 耐高溫纖維； 梯度結構； 工藝設計； 二次方模型

耐高溫纖維過濾材料是利用耐高溫的特種纖維(聚苯硫醚(PPS)纖維、聚四氟乙烯(PTFE)纖維、芳綸、芳砜綸纖維和玻璃纖維等)通過摩擦、抱合等方式組合而成的纖維集合體，如：芳砜綸針刺氈[1]和PPS水刺氈[2]等，其作為目前重要的工業用耐高溫除塵材料，在鋼鐵、水泥、燃煤發電行業的高溫尾氣處理領域有大量的應用[3-4]。水刺加固技術作為常用的非織造成型加工技術之一，由于其獨特的柔性固網特點，被大量地用于制備耐高溫纖維過濾材料。

現有研究表明，水刺工藝所制備的濾料具有更優的過濾性能，如Patanaik等[5]制備了多種類型的水刺過濾氈，并分析了水刺過濾氈的過濾效率、過濾阻力和容塵量與濾料孔徑的關系，其研究結果表明水刺過濾氈作為一種高效低阻的過濾材料，可以很好地應用于各類工業領域。此后學者們為了獲得長效低阻的耐高溫過濾材料提出了“梯度結構”的設計理念，即：依據纖維的特性和加工方式的不同將過濾材料制備成由多個結構和孔徑不同的纖維層組成的多層纖維氈[6]。但是，現有研究著重于梯度濾料制備技術的探究，而對其制備工藝與產品結構和過濾性能的關系研究較少，因此，本文探究了基于梯度結構的耐高溫纖維過濾材料的水刺工藝(水針能量和超細纖維層厚度)對材料的結構特征和過濾性能(過濾阻力和過濾效率)的影響，并通過響應面分析方法獲得工藝與過濾性能的二次元模型。

1 實驗部分

1.1 材料的制備

圖1為梯度結構的過濾材料示意圖。梯度結構使得濾料的孔隙沿著厚度方向呈前窄后寬的彎曲喇叭狀，離迎塵面越遠，孔徑越大，過濾材料的孔隙不易被細小顆粒物堵塞，進而延長濾料的使用壽命[7-8]。

耐高溫纖維過濾材料的制備工藝如圖2所示，PPS纖維和PTFE超細纖維分別經開松、混后并梳理成纖網，PPS纖維網經交叉鋪網后與玻璃纖維基布一并針刺成型；此后PTFE超細纖維網疊放到PPS纖維氈上層并進行水刺復合加固成具有梯度結構的耐高溫纖維過濾材料。PPS纖維、PTFE超細纖維特性見表1。

表1 PPS纖維和PTFE纖維特征參數Tab.1 Parameters for PPS fibers and PTFE fibers

本文制備的PPS纖維氈面密度為(498±12.2)g/m2，針刺深度為6 mm，預針刺密度為175刺/cm2。為了探究非織造耐高溫過濾材料的工藝(超細纖維層厚度和水針能量)對材料結構和性能的影響，本文設計了不同面密度(49～181 g/m2)的PTFE超細纖維層和不同水刺壓力(4～27 MPa)的工藝配置。其水針能量計算公式[9]為

式中：Es為水針能量，J/kg；Cv為流速系數，0.98；Cq為流量系數，0.98；ρ為水的密度，998 kg/m3；W為纖網面密度，998 g/m2；S為纖網前進速度，m/s；di為第i個水刺頭的水針孔徑，m；Pi為第i個水刺頭的水針壓力，Pa；Ni為第i個水刺頭的水針板排列密度，1 670孔/m。

1.2 性能測試

依據GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分：厚度的測定》，使用YG141型織物厚度儀測試試樣的厚度。利用德國Topas PSM165型孔徑測試儀分析試樣的模態孔徑大小，模態孔徑是指纖維材料中出現概率最大的孔徑的大??；測試液表面張力為20.1 mN/m。參考EU 779—2002《一般通風用空氣過濾器-過濾性能的測定》，使用Topas AFC 131 濾料測試平臺分析試樣對氣溶膠癸二酸二異辛酯(DEHS)的過濾效率和過濾阻力。

2 結果與討論

2.1 不同工藝方案對結構和性能的影響

2.1.1 對結構特征的影響

圖3示出基于水刺工藝復合的耐高溫纖維過濾材料的表面形態及形成機制。可以看出，纖維在高壓水射流的作用下相互糾纏、抱和而形成具有致密結構的纖維氈；另外，纖維氈的表面在托網輥筒和高壓水射流的相互作用下形成清晰的水針痕。水針痕的形成主要是由于纖維在受到高壓水射流的沖擊作用時，與高壓水射流接觸的纖維產生平行和豎直方向上的位移。高壓水射流穿透纖維網后遇到托網輥筒而產生的高速反射水流也會導致纖維產生相對滑移[11-12]。

圖4示出耐高溫纖維過濾材料的電鏡照片?？梢钥闯?，PPS纖維層和致密的PTFE超細纖維層復合成梯度結構，且PTFE超細纖維層結構較為致密，對過濾材料的孔徑大小有顯著的影響。

為進一步闡述超細纖維層對孔徑大小的影響，利用PSM165孔徑測試儀分析過濾材料的孔徑大小，其特征參數如表2所示。

表2 樣品的特征參數Tab.2 Characteristic parameters for samples

從表2可以發現，樣品的模態孔徑和厚度均受到水針能量和超細纖維層面密度的顯著影響。其中試樣的模態孔徑隨著超細纖維層面密度的增大而減小。這主要是因為，對于由PPS纖維層和PTFE超細纖維層組成的梯度結構復合材料來說，材料的孔徑大小主要取決于PTFE超細纖維層。而超細纖維層面密度的增大導致厚度方向上堆疊的纖維數量增多，使得纖維間彎曲的孔隙相互貫通的概率減小，所以試樣的模態孔徑隨著超細纖維層面密度的增大而減小[10]。同時，水針能量的增大使得纖維間的纏結、抱和更加緊密，纖維間的孔隙減小，纖維氈結構更加致密；此外，水針能量的增大還使得PPS纖維層和PTFE超細纖維層之間具有更多相互穿插的纖維而形成更加復雜的三維立體結構，因而材料的孔徑在一定范圍內隨著水針能量的增大而減小。

2.1.2 對力學性能的影響

表3示出樣品的力學性能。可看出，過濾材料的力學特性與超細纖維層面密度和水針能量有關。其中樣品的斷裂強力隨著超細纖維層面密度的增大而增大，這主要是因為纖維材料的強力與厚度方向上相互纏結的纖維數量和纏結程度有關。在水刺能量一定的情況下，厚度方向上相互纏結的纖維數量隨著超細纖維層面密度的增大而增大，因此，受高壓水射流沖擊作用而移動、貫穿、相互纏結的纖維數量增加。但是一定能量的高壓水射流所能沖擊移動的纖維是有限的，因此，隨著超細纖維層面密度超過一定范圍繼續增加時，高壓水射流能擊中的纖維基本不變，此時斷裂強力則隨超細纖維層面密度的增加而變化較小，斷裂伸長率也趨于平穩。從表3還可看出，在樣品面密度一定時，樣品斷裂強力隨水針能量增大而增大。其原因可能是隨著水針能量的增大，水射流對纖維的沖擊力度也增大，可移動纖維的數量和纖維的移動量以及纖維數間的糾纏程度也隨之增大，進而樣品的斷裂強力也增大。

表3 樣品的力學性能Tab.3 Mechanical properties of samples

2.1.3 對過濾性能的影響

圖5、6分別示出超細纖維層面密度和水針能量對過濾效率(空氣流量為3.4 m3/h)和過濾阻力的影響。從圖5可看出：超細纖維層面密度和水針能量都會影響材料的過濾效率；其次，隨著超細纖維層面密度的增大，材料的對不同直徑的細小顆粒物的過濾效率都有所增大。這主要是因為在纖維直徑和孔隙率變化不大的情況下，超細纖維層厚度隨著面密度的增加而增大，超細纖維層厚度的增大使得超細纖維層沿著厚度方向上的數量增多。纖維數量的增多一方面使得纖維間貫通孔的數量減小，增大了材料對細小顆粒物的攔截能力[12]；另一方面纖維數量的增多使得細小顆粒物通過材料時被纖維碰撞和黏附的概率增加，進而加大了材料對細小顆粒物的過濾精度。另外，在一定范圍(3 738～9 752 J/g)內，隨著水針能量的增大，材料對細小顆粒物的過濾效率也有一定的提高[10,13]。這主要是由于隨著水針能量的增大，材料的結構更加致密，從而提高了對細小顆粒物的攔截能力。同時超細纖維層結構的致密性和面密度的增大也使得材料的過濾阻力增大。

從圖5、6也可看出，工藝為(49±3.8)g/m2PTFE超細纖維層的試樣對2.05 μm顆粒物的過濾效率為63.41%，工藝為(147±7.5)g/m2PTFE超細纖維層的試樣對2.05 μm顆粒物的過濾效率增大到83.23%，而過濾阻力也從45.4 Pa增大到85.6 Pa。在其他工藝條件不變((147±7.5)g/m2PTFE超細纖維層)的情況下，水針能量從3 738 J/g增大到8 755 J/g，試樣對2.05 μm顆粒物的過濾效率從76.95%增大到83.23%，過濾阻力從75.6Pa增大到92.8Pa。

2.2 工藝與過濾性能的關系模型

2.2.1 二次方模型的建立

通過上述分析可知，基于梯度結構的耐高溫過濾材料的超細纖維層面密度和水針能量對過濾效率和過濾阻力有顯著性的影響，因此，本文以過濾效率、過濾阻力和質量因子為響應指標進行二次多元回歸擬合，得到超細纖維層面密度和水針能量對過濾效率、過濾阻力、質量因子的二次多項回歸方程。

回歸分析表明：過濾效率的二次多項回歸方程決定系數R2=0.970 1，過濾阻力的二次多項回歸方程決定系數R2=0.990 8，質量因子的二次多項回歸方程決定系數R2=0.917 6。這表明二次多項回歸方程的擬合度和可信度均較高，可用于預測基于梯度結構的耐高溫過濾材料的超細纖維層面密度和水針能量對過濾效率、過濾阻力、質量因子的影響。

2.2.2 二次方模型的分析

圖7示出過濾效率、過濾阻力與耐高溫過濾材料的超細纖維層面密度和水針能量之間的相應曲面。可看出，其他工藝不變的情況下，隨著超細纖維層面密度和水針能量(3 738～9 752 J/g)的增加，過濾效率和過濾阻力均呈現出增加的趨勢。這與實驗值相符。

圖8示出質量因子與超細纖維層面密度和水針能量的響應曲面?？梢钥闯觯哼^濾材料的質量因子受超細纖維層面密度和水針能量的影響；當超細纖維層面密度從(49±3.8)g/m2增大到(181±12.5)g/m2的區間內，質量因子呈現先增大后減小的趨勢。同時，質量因子在水針能量為8 023 J/g時達到最大水平，此后繼續增大水針能量，質量因子呈現逐漸下降的趨勢。

3 結 論

1) 基于梯度結構的耐高溫纖維質過濾材料的水刺復合工藝(超細纖維層面密度和水針能量)對材料結構和過濾性能有顯著的影響。

2) 在其他工藝不變的情況下，超細纖維層面密度對材料的模態孔徑有顯著影響，且表現為模態孔徑隨著超細纖維層面密度的增大而減小。此外，隨著超細纖維層面密度的增大，材料對不同直徑的細小顆粒物的過濾效率和過濾阻力都有所增大。工藝為(49±3.8)g/m2PTFE超細纖維層的試樣對2.05 μm顆粒物的過濾效率為63.41%，隨著PTFE超細纖維層面密度增大到(181±12.5)g/m2，試樣對2.05 μm顆粒物過濾效率增大到91.87%。

3) 在一定范圍(3 738～9 752 J/g)內，隨著水針能量的增大，材料對細小顆粒物的過濾效率和過濾阻力也有一定的提高。

4) 所建立的二次方模型的置信度高，質量因子在水針能量為8 023 J/g時達到最大水平，此后繼續增大水針能量，質量因子呈現逐漸下降的趨勢。

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Structure and performance of high temperature resistant fibrous filters with
gradient structure

ZHANG Heng1， ZHEN Qi1， WANG Junnan1， QIAN Xiaoming2， LIU Yongsheng3

(1.ZhejiangKingsafeNonwovenFabricGroupCo.,Ltd.,Huzhou,Zhejiang313100,China; 2.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 3.JiangsuBlueSkyEnvironmentalProtectionGroupCo.,Ltd.,Yancheng,Jiangsu224400,China)

In order to study effect of the preparation process on structure characteristics and filtration performance, the samples of gradient filters comprising PPS fibers and PTFE microfibers were made. The relationships between the process (gram weight of microfiber layers and the hydroentangling energy) and structure characteristics were discussed, and the quadratic models also were established. The results show that the gram weight of PTFE microfiber layers has a significant influence on structure and filtration performance of the samples. The model pores size of samples is 20.22 μm, the filtration efficiency is 63.41% for 2.05 μm when the PTFE microfiber layers gram weight is (49±3.8)g/m2. As the PTFE microfiber layers gram weight increased to (181±12.5)g/m2, the model pores size reduced to 12.52 μm, and filtering efficiency of the 2.05 μm particle increased to 91.87%. In addition, it is also found that the filtration efficiency and filtration resistance increased with the hydroentangling energy in the range of 3 738-8 755 J/g. Furthermore, quadratic models have high degree of confidence intervals, which means that the models is good for the process design of the high temperature resistant fibrous filters with a gradient structure.

nonwoven filter; high temperature resistant fiber; gradient structure; process design; quadratic model

10.13475/j.fzxb.20150404006

2015-04-23

2015-12-27

天津市應用基礎及前沿技術研究計劃項目(15JCZDJC38500)

張恒(1986—)，男，博士。研究方向為功能型纖維質材料。錢曉明，通信作者，E-mail：qxm@tjpu.edu.cn。

TS 176

A