纖維截面形狀對針刺濾料性能的影響

陳蘭蘭 張初陽 殷保璞

東華大學紡織學院， 上海 201620

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纖維截面形狀對針刺濾料性能的影響

陳蘭蘭 張初陽 殷保璞

東華大學紡織學院， 上海 201620

采用針刺加固法對不同截面形狀的纖維進行加工制得非織造濾料，對針刺濾料的表面結構、孔徑分布、孔隙率和過濾性能進行試驗。研究表明，在原料、面密度、加固工藝相同的條件下，由扁平截面纖維制得的濾料比圓形截面纖維制得的濾料具有更好的過濾性能，故扁平截面纖維針刺濾料具有廣闊的開發前景。

扁平截面，圓形截面，針刺濾料，過濾性能

近年來，有關空氣污染的報道越來越多，引起了人們對生活環境的關注，相關的大氣污染標準也不斷更新提高。作為空氣凈化領域的主力，袋式除塵器的應用越來越普遍，濾料的性能也在不斷提升[1]。目前，用于制造濾料的有機化學纖維有聚丙烯纖維、丙烯腈均聚體纖維、聚酯纖維、聚苯硫醚纖維、P84纖維、聚四氟乙烯纖維等，無機纖維包括玻璃纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、不銹鋼纖維等。其中，聚丙烯纖維以其質輕、價廉、易加工等優點，成為使用最廣泛的纖維。聚丙烯纖維制造濾料的加工工藝多種多樣，相應產品的過濾效率也各不相同。

目前，對濾料的開發接近一個至高點，因而濾料的研究需要尋找新的途徑和方向。本文用兩種不同截面形狀的纖維，采用相同的生產工藝制得針刺濾料，然后分析比較兩種濾料的過濾性能。

1 試驗材料及濾料制備

1.1 試驗材料

本試驗選用的原料是扁平截面和圓形截面的聚丙烯纖維，其傅氏紅外光譜(FTIR)圖如圖1所示。圖1(a)為扁平纖維，其峰值為840.50、997.53 cm-1，圖1(b)為圓形纖維，其峰值為840.86、 997.60 cm-1，均為聚丙烯的特征峰值。兩者的平均直徑都為15～30 μm，圖2為兩種纖維的掃描電鏡(SEM)照片。

圖1 兩種纖維的FTIR圖

圖2 兩種纖維的SEM照片

1.2 濾料制備

針刺濾料的加工工藝流程：纖維抗靜電處理→開松→混合→成網→預針刺→主針刺→后整理→成品。

2 濾料的物理和力學性能測試

對針刺濾料進行表觀形態、面密度、透氣性、孔徑及過濾效率的測試。

采用FA 2004 A 型電子天平測試試樣的質量，然后計算得到面密度，參考GB/T 24218.1—2009；采用YG141N型數字式織物厚度儀測試厚度，載荷為0.5 kPa，參考GB/T 24218.2—2009；采用YG026B型電子織物強力機測試強度，試樣尺寸為200 mm×50 mm，參考GB/T 24218.3—2010；采用YG461E型電腦式透氣性測試儀測試透氣性，壓差定為200 Pa，測試面積為20 cm2，10號噴嘴，參考GB/T 5453—1997；采用Porous Materials 公司的CFP-110-AI型孔徑儀測試孔徑，參考ISO 4003—1977；采用TSI8130型自動濾料檢測儀測試過濾效率，參考GB 2626—2006。

2.1 表觀形態

圖3為兩種濾料表面結構的SEM照片。從圖3(a) 可以看出，經過針刺后，部分纖維在縱向上發生了分裂，出現大量纖維原纖化。這是因為扁平截面纖維受到刺針的作用比較容易，被針刺的概率更大。在針刺過程中，刺針的作用頻率很高，而且刺針的針尖和針身的外側還附有很多鉤刺，當這些針尖反復作用于扁平狀纖維時，刺穿纖維而沒有將纖維刺斷，使纖維出現縱向分裂形成更細的纖維，從而形成異纖度纖網，纖網疊實程度較圓形纖維濾料[圖3(b)]有了很大的改善。

圖3 兩種濾料的SEM照片

2.2 樣品的基本性能

透氣性是指在規定壓差、一定時間內垂直通過單位面積濾料氣流的流量。透氣性反映的就是通過濾料氣流流速的大小，因此其單位為mm/s，在一定程度上也反映了孔隙率的大小[2]。空隙率可由下式計算得到：

式中：n——空隙率，%;

M——纖網面密度， g/m2;

ρ——纖維密度， g/m3;

δ——纖網厚度，m。

兩種濾料的基本性能見表1。

表1 濾料的基本性能

有關文獻[3]表明，濾料的厚度對濾料的孔隙有著十分重要的影響。從表1可以看出，經過同樣的針刺加固工藝，在面密度相近的情況下，由扁平截面纖維制得的纖網厚度大于由圓形截面纖維制得的纖網，纖網厚度在一定程度上影響濾料的過濾效率與過濾阻力。因為濾料厚度增加，使得濾料的孔隙多呈彎曲狀不連續通道，細小顆粒隨著氣流通過濾料，必須要通過濾料的孔隙，濾料的孔隙彎曲和不連續加大了對顆粒的捕捉。所以在面密度相同的情況下，濾料的厚度是影響濾料過濾性能的一個十分重要的因素。由于扁平狀纖維的線密度分布較大，粗細纖維相互交叉，較粗的纖維支撐起纖網骨架，纖維不易疊實，因而纖網厚度比相同面密度的細纖維纖網大，結構蓬松，顆粒通過纖網的路徑加長，過濾效果相應提高。

從表1中還可以看出，扁平截面纖維纖網的縱橫向強力相差169.7 N，而圓形截面纖維纖網的縱橫向強力幾乎相同。原因在于圓形截面纖維呈單一纖度，纖網顯示出高平整度，而扁平截面纖維由于針刺作用發生了原纖化，刺針作用于纖維時，纖維受到拉伸作用，開纖后纖維在力的作用下多沿纖網方向排列, 纖網表現出較大的各向異性，因而扁平截面纖維纖網的縱橫強力差別較大。

3 濾料的過濾性能測試

3.1 孔徑測試及結果分析

非織造材料是通過纖維的相互穿插從而形成纖網，整體呈三維多孔結構。非織造濾料的過濾性能取決于其多孔結構，孔的形狀、大小及數量等都會影響濾料的性能[4]。一般來說，濾料的孔徑越小、越不規則，顆粒通過孔隙時越容易被攔截，過濾效率越高，但是孔徑小又會帶來阻力大的問題。一般要求濾料的過濾效率高而阻力小，因而孔徑的大小是影響濾料性能的一個重要因素。

兩種針刺濾料的孔徑見表2，孔徑分布見圖4。由表2可知，扁平截面纖維濾料的平均孔徑比圓形截面纖維濾料的平均孔徑小21.361 3 μm，由此可以看出，在針刺工藝中，扁平截面纖維有利于減小濾料的孔徑。原因在于，扁平截面纖維原纖化程度高，細小的纖維分布在三維立體狀纖網中，加大了纖網孔隙通道的曲折性，因而纖網的空隙多而平均孔徑較小。單位面積中扁平截面纖維纖網的孔隙數量大于圓形截面纖維纖網，而平均孔徑卻小于圓形截面纖維纖網。研究的意義就在于此，高孔隙率和小孔徑使空氣易通過，而顆粒則易被攔截，這就提高了濾料對顆粒物的阻擋率，而過濾阻力卻不會太大[5]。所以，扁平截面纖維更適合作為濾材原料。

表2 兩種濾料的孔徑對比

圖4 兩種濾料的孔徑分布

3.2 過濾效率及結果分析

過濾性能測試所采用的儀器為TSI8130 型自動濾料檢測儀，使用NaCl氣溶膠，質量中值直徑為0.260 μm， 數量中值直徑為0.075 μm,過濾效率測試范圍為0～99.999%，測試結果見表3。

表3 兩種濾料的過濾效率及阻力

兩個樣品均未經溫度、濕度預處理，氣體流量為85 L/min。由表3可以看出，扁平截面纖維濾料的過濾效率比圓形截面纖維濾料高23.4%，而阻力卻小19.3 Pa。說明扁平截面纖維濾料具有高效率、低阻力的效果，再次證明扁平截面纖維濾料的優越性。

4 結論

本文比較了扁平截面纖維針刺濾料和傳統圓形截面纖維針刺濾料的表觀性能、力學性能及過濾性能。試驗結果表明：

(1) 扁平截面纖維經針刺加工后，由于受到刺針的強烈作用，部分纖維原纖化，改變了濾料的結構，濾料中較粗的纖維作為骨架，保證了纖網的厚度，而原纖化了的纖維比表面積大，更易捕捉細小顆粒，大大提高了濾料的過濾性能。

(2) 扁平截面纖維在刺針高頻的作用下被刺穿而非拉斷，因而原纖化的纖維受到刺針針鉤拉力的作用在纖網中隨機排列，使形成的纖網比單一直徑纖維形成的纖網更加雜亂，改善了纖網的孔隙結構，提高了濾料的過濾性能。

(3) 扁平截面纖維經針刺后形成異纖度纖網，孔隙率大于圓形截面纖維纖網，孔隙率大而平均孔徑小，總體上透氣性較單一纖度的纖網有所提高。

[1] 張亮. 垃圾焚燒爐煙氣凈化用袋式除塵濾料的試驗研究[D]. 上海: 東華大學, 2006．

[2] 王同慶. 過濾材料主要性能參數關系[J]. 過濾與分離, 2000，10(1)：30-32．[3] BARHATE R S, RAMAKRISHNA S. Nanofibrous filter-ing media: Filtration problems and solutions from tiny materials[J]. Journal of Membrane Science，2007，296(1/2): 1-8.

[4] 楊旭紅. 非織造材料基本結構特征的表達[J].紡織導報，2004(4): 16-19．

[5] 劉呈坤, 馬建偉. 非織造布過濾材料的性能測試及產品應用[J].非織造布，2005,13(1): 30-34．

Effect of fiber cross-section shape on filtration performance of needle-punched nonwovens

ChenLanlan,ZhangChuyang,YinBaopu

College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China

Nonwoven filter materials, made of fibers with different cross-section shapes, were prepared by the method of needle punching and the apparent structure, pore size distribution, porosity and other filtration performances of the filter materials were tested. The results show that the filtration efficiency of needle-punched filter medium with flat section fiber is higher than that of round section fiber at the conditions of same raw material, same surface density and same reinforced process, which will have a broad development prospect.

flat section, round section, needle punching nonwoven filter medium, filtration performance

2015-05-15

陳蘭蘭，女，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向為非織造空氣過濾材料

殷保璞，E-mail：bpyin@dhu.edu.cn

TS174.6

A

1004-7093(2016)02-0031-04