PET纖維直徑對(duì)過(guò)濾紙結(jié)構(gòu)和性能的影響

郝青青 梁 云，* 龍 金 應(yīng)春衛(wèi)

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640；2.北京中材人工晶體研究院有限公司，北京，100020)

·過(guò)濾紙·

PET纖維直徑對(duì)過(guò)濾紙結(jié)構(gòu)和性能的影響

郝青青1梁 云1，*龍 金1應(yīng)春衛(wèi)2

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640；2.北京中材人工晶體研究院有限公司，北京，100020)

采用5種不同直徑的PET纖維與植物纖維配抄過(guò)濾紙，探究PET纖維直徑對(duì)過(guò)濾紙結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，過(guò)濾紙的厚度、孔徑和透氣度隨著PET纖維直徑的減小而減小，過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力隨著PET纖維直徑的減小而增大，但在不同的PET纖維直徑范圍內(nèi)變化的程度不同。當(dāng)PET纖維直徑在5～17 μm范圍內(nèi)時(shí)，變化程度較小；當(dāng)PET纖維直徑由5 μm降至2 μm時(shí)，過(guò)濾紙各項(xiàng)性能都發(fā)生了顯著的變化。直徑為2 μm的PET纖維作為一種新的纖維原料在過(guò)濾紙研制領(lǐng)域?qū)⒕哂泻艽蟮膽?yīng)用潛力。

PET纖維；直徑；過(guò)濾紙結(jié)構(gòu)和性能

(*E-mail: liangyun@scut.edu.cn)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)空氣潔凈度的要求越來(lái)越高，特別是近幾年來(lái)，大規(guī)模的霧霾天氣頻頻來(lái)襲，PM2.5嚴(yán)重威脅著人類的身體健康，因此提高過(guò)濾材料的綜合性能至關(guān)重要。纖維直徑是影響過(guò)濾紙結(jié)構(gòu)與性能的最重要因素，直接影響過(guò)濾紙的厚度、孔徑、透氣度、過(guò)濾效率等性能。經(jīng)典過(guò)濾理論認(rèn)為，濾材中加入細(xì)纖維后可以形成“屏蔽效應(yīng)”[1-2]，Quan Q等人對(duì)口罩纖維直徑和過(guò)濾性能的研究表明，濾材的過(guò)濾性能與纖維直徑密切相關(guān)，纖維直徑越小，過(guò)濾效率越高[3]。Lamb G E R等人在研究聚酯(PET)纖維、聚丙烯(PP)纖維形態(tài)對(duì)濾清器性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濾材的定量和緊度不變時(shí)，透氣度和纖維直徑呈線性關(guān)系，當(dāng)纖維直徑趨近零時(shí)，濾材的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力趨于一個(gè)極限值[4]。還有研究表明，纖維直徑對(duì)過(guò)濾性能影響的敏感程度與纖維直徑范圍有關(guān)[5]。這些研究都表明纖維直徑的變化使過(guò)濾紙的性能發(fā)生變化，但是都未對(duì)不同纖維直徑范圍內(nèi)過(guò)濾紙性能變化的程度進(jìn)行研究。

PET纖維是合成纖維中發(fā)展速度最快、產(chǎn)量最高的一種，也是濕法成形過(guò)濾紙中常用的一種纖維原料。常用PET纖維的直徑受紡絲技術(shù)的限制一般都在5 μm以上，近年來(lái)國(guó)外有公司推出了直徑為2 μm的PET纖維新產(chǎn)品，但關(guān)于其在濕法成形過(guò)濾紙中的應(yīng)用還未見報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)選擇了直徑在2～17 μm范圍內(nèi)的5種不同直徑的PET纖維，研究PET纖維直徑對(duì)過(guò)濾紙結(jié)構(gòu)與性能的影響，旨為PET纖維在過(guò)濾紙中的應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

3種植物纖維：針葉木漿、闊葉木閃急干燥漿(以下稱闊葉木漿)、經(jīng)絲光化處理的針葉木漿(以下簡(jiǎn)稱絲光漿)。5種PET纖維：長(zhǎng)度為5 mm，直徑分別為17、11、8、5、2 μm。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 原料配比

過(guò)濾紙漿料配比：絲光漿40%、針葉木漿35%、闊葉木漿20%、PET纖維5%。由直徑分別為17、11、8、5、2 μm的5種PET纖維配抄的過(guò)濾紙的編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#、5#，定量為100 g/m2。

1.2.2 結(jié)構(gòu)分析

采用G2 Pro Y掃描電子顯微鏡觀察5種過(guò)濾紙的微觀形貌。

1.2.3 性能測(cè)試

厚度：采用YG142手提式測(cè)厚儀，按照GB/T3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》測(cè)定。

透氣度：采用瑞士FX-3300-IV透氣度儀，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 9.237測(cè)試。

孔徑：采用美國(guó)PMI CFP-1100-A毛細(xì)流量孔徑測(cè)試儀測(cè)定過(guò)濾紙的平均孔徑、最大孔徑。

過(guò)濾效率：采用美國(guó)TSI 8130氣體透過(guò)自動(dòng)測(cè)試臺(tái)測(cè)定。

過(guò)濾阻力：采用美國(guó)TSI 8130氣體透過(guò)自動(dòng)測(cè)試臺(tái)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 PET纖維直徑對(duì)過(guò)濾紙結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1 PET纖維直徑對(duì)過(guò)濾紙內(nèi)纖維根數(shù)的影響

由于5種過(guò)濾紙中所含的PET纖維質(zhì)量相同，而且每種PET纖維的長(zhǎng)度相同，因此可由式(1)計(jì)算出5種過(guò)濾紙中的PET纖維根數(shù)，進(jìn)而可以計(jì)算出各過(guò)濾紙PET纖維根數(shù)相對(duì)于1#過(guò)濾紙PET纖維根數(shù)的比值(R)，結(jié)果見表1。

(1)

式中：N為纖維根數(shù)；m為纖維質(zhì)量；L為纖維長(zhǎng)度；d為纖維直徑；ρ為纖維密度。

表1 5種過(guò)濾紙中PET纖維的直徑和數(shù)量

由表1可以看出，隨著PET纖維直徑的降低，過(guò)濾紙中的纖維根數(shù)急劇增加，2#過(guò)濾紙中的PET纖維根數(shù)是1#過(guò)濾紙中的2.4倍，3#過(guò)濾紙中的PET纖維根數(shù)是1#過(guò)濾紙中的4.5倍，4#過(guò)濾紙中的PET纖維根數(shù)是1#過(guò)濾紙中的11.6倍，5#過(guò)濾紙中的PET纖維根數(shù)增加顯著，是1#過(guò)濾紙中的72倍。由此可見，過(guò)濾紙中PET纖維直徑的降低和纖維根數(shù)的增加，必將對(duì)過(guò)濾紙的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響。

2.1.2 過(guò)濾紙微觀形貌觀察

圖1是5種過(guò)濾紙表面的SEM圖。從圖1可以清晰地看出，從1#過(guò)濾紙到5#過(guò)濾紙，所含的PET纖維直徑逐漸減小，單位面積內(nèi)的PET纖維根數(shù)增加。1#過(guò)濾紙中的PET纖維直徑最大，纖維挺硬，分布在其他纖維中具有一定的支撐作用，隨著PET纖維直徑的減小，對(duì)其他纖維的支撐作用不斷減弱，當(dāng)PET纖維直徑減小至2 μm時(shí)，纖維呈顯著的彎曲狀態(tài)，分布在另外3種植物纖維交織形成的空隙中，在過(guò)濾紙中的作用也由支撐轉(zhuǎn)變?yōu)樘畛洹D2為1#過(guò)濾紙和5#過(guò)濾紙的截面SEM圖，可以對(duì)比觀察直徑分別為17 μm和2 μm的PET纖維在過(guò)濾紙中的分布情況以及過(guò)濾紙的z向結(jié)構(gòu)。

從圖2可以看出，1#過(guò)濾紙中所含PET纖維的直徑和其他植物纖維的截面尺寸差別不大，纖維之間共同搭建成的三維結(jié)構(gòu)較均勻、疏松。5#過(guò)濾紙中所含的PET纖維直徑明顯小于其他植物纖維，同時(shí)纖維根數(shù)較多，與其他纖維交織纏繞，在過(guò)濾紙三維結(jié)構(gòu)中填充分布，對(duì)植物纖維形成的孔隙產(chǎn)生了分割效果。

2.2 PET纖維直徑對(duì)過(guò)濾紙性能的影響

2.2.1 對(duì)物理性能的影響

實(shí)驗(yàn)研究了PET纖維直徑對(duì)過(guò)濾紙的厚度、孔徑、透氣度的影響。為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)PET纖維直徑的影響，避免施膠增強(qiáng)破壞過(guò)濾紙結(jié)構(gòu)，研究中沒(méi)有對(duì)過(guò)濾紙進(jìn)行增強(qiáng)處理，因而沒(méi)有評(píng)價(jià)力學(xué)性能。過(guò)濾紙其他主要性能的測(cè)試結(jié)果見表2。

圖2 1#過(guò)濾紙和5#過(guò)濾紙截面的SEM圖

圖1 5種過(guò)濾紙表面的SEM圖

過(guò)濾紙PET纖維直徑/μm物理性能厚度/mm平均孔徑/μm最大孔徑/μm透氣度/mm·s-11#170.76845.783.911392#110.75144.877.811303#80.69243.672.410984#50.63342.767.39385#20.60028.054.6660

從表2可以看出，當(dāng)PET纖維直徑從17 μm逐漸減小至5 μm時(shí)，過(guò)濾紙的厚度、孔徑和透氣度都呈逐漸減小的趨勢(shì)，但程度不大，然而當(dāng)PET纖維直徑減小至2 μm時(shí)，除了厚度和之前的變化程度接近外，過(guò)濾紙的平均孔徑、最大孔徑和透氣度都顯著減小。

纖維直徑減小使單根纖維所占空間減小，纖維堆積成層排列時(shí)對(duì)厚度的貢獻(xiàn)減小，同時(shí)纖維根數(shù)的增加使更多的纖維在過(guò)濾紙z向上堆積，兩者共同影響著過(guò)濾紙的厚度。1#過(guò)濾紙至4#過(guò)濾紙中的PET纖維在過(guò)濾紙中主要起到支撐作用，分布在其他3種纖維之間，因纖維直徑越大對(duì)過(guò)濾紙厚度的貢獻(xiàn)越明顯，所以當(dāng)PET纖維直徑從17 μm逐漸減小至5 μm時(shí)，過(guò)濾紙的厚度逐漸減小，且幅度較明顯。而5#過(guò)濾紙中的PET纖維，由于直徑較小，為2 μm，在過(guò)濾紙中主要起到填充作用，分布在其他3種纖維交織結(jié)構(gòu)的空隙中，與直徑較大的PET纖維相比，其對(duì)過(guò)濾紙厚度的貢獻(xiàn)作用較小，因此，含直徑為2 μm的PET纖維的5#過(guò)濾紙，過(guò)濾紙厚度進(jìn)一步減小，但減小幅度較小。

定量相同時(shí)，纖維直徑是影響過(guò)濾紙孔隙結(jié)構(gòu)最重要的因素[6]。隨著PET纖維直徑的減小，過(guò)濾紙的孔徑出現(xiàn)了不同程度的下降，當(dāng) PET纖維直徑從17 μm逐漸減小至5 μm時(shí)，相應(yīng)的從1#過(guò)濾紙到4#過(guò)濾紙，平均孔徑減小了6.6%，最大孔徑減小了19.8%，而當(dāng) PET纖維直徑為5 μm時(shí)，相應(yīng)的5#過(guò)濾紙的平均孔徑減小39%，最大孔徑減小35%，可見5#過(guò)濾紙的平均孔徑和最大孔徑的減小程度明顯大于其他過(guò)濾紙。其原因主要在于PET纖維直徑的減小伴隨著PET纖維根數(shù)的增加，纖維網(wǎng)絡(luò)被分割的次數(shù)增多。

透氣度反映了氣體通過(guò)過(guò)濾紙內(nèi)部結(jié)構(gòu)的阻力大小。以在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)面積和壓降下，氣流垂直通過(guò)試樣的速率表示。當(dāng)氣流通過(guò)紙張內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，氣體分子與纖維之間發(fā)生碰撞，發(fā)生碰撞的氣體分子動(dòng)量損失，流速降低，單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)濾紙的氣流量會(huì)減小，從而在宏觀上表現(xiàn)出透氣度降低。由于1#過(guò)濾紙到5#過(guò)濾紙，其孔徑逐漸減小，氣體分子與纖維之間的碰撞概率增加，所以透氣度不斷減小。5#過(guò)濾紙所含的直徑為2 μm的PET纖維根數(shù)較多，直徑較小，形成的材料孔隙較小[7]，當(dāng)氣流從過(guò)濾紙中穿過(guò)時(shí)，氣體分子與纖維之間碰撞的次數(shù)大大增加，所以透氣度明顯小于其他過(guò)濾紙。

圖4 5種過(guò)濾紙中PET纖維分布示意圖

2.2.2 對(duì)過(guò)濾性能的影響

過(guò)濾效率指過(guò)濾紙過(guò)濾顆粒的百分比，阻力是指氣溶膠顆粒通過(guò)過(guò)濾紙內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的壓降。5種過(guò)濾紙的過(guò)濾效率與過(guò)濾阻力的測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

過(guò)濾效率測(cè)試所用氣溶膠顆粒的粒徑為0.26 μm，屬于過(guò)濾紙最易穿透的粒徑，顆粒物捕集過(guò)程中主要產(chǎn)生了攔截和擴(kuò)散效應(yīng)[8]。從圖3可以看出，隨著PET纖維直徑的減小，過(guò)濾紙的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力逐漸增加。當(dāng)PET纖維直徑從17 μm(1#過(guò)濾紙)降至11 μm(2#過(guò)濾紙)時(shí)，過(guò)濾紙的過(guò)濾效率增加了22.4%，過(guò)濾阻力增加了11.1%；當(dāng)PET纖維直徑從5 μm(4#過(guò)濾紙)降至2 μm(5#過(guò)濾紙)時(shí)，過(guò)濾紙的過(guò)濾效率增加了38.0%，過(guò)濾阻力增加了41.7%。可見，當(dāng)PET纖維直徑為 2 μm時(shí)，其對(duì)過(guò)濾紙過(guò)濾性能的影響較為突出。為了更直觀地觀察PET纖維直徑對(duì)過(guò)濾紙過(guò)濾性能的影響，結(jié)合5種過(guò)濾紙中PET纖維的分布示意圖(見圖4)進(jìn)行分析。

從圖4可以看出，隨著PET纖維直徑的減小,過(guò)濾紙單位面積內(nèi)的纖維根數(shù)增加，5#過(guò)濾紙的PET纖維根數(shù)最多，其在過(guò)濾紙中具有填充作用，大大減小了纖維間的孔隙。氣溶膠從纖維層通過(guò)時(shí)，顆粒會(huì)更加靠近纖維，即顆粒和纖維發(fā)生碰撞的概率增大，提高了過(guò)濾效率；同時(shí)，直徑細(xì)的纖維比表面積較大，顆粒做布朗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散時(shí)被捕集到的概率也越大，有利于提高過(guò)濾效率。所以減小纖維直徑是提高過(guò)濾紙過(guò)濾效率的主要途徑。

過(guò)濾阻力是由氣流通過(guò)纖維層時(shí)受到纖維的阻礙而引起的，在固定流量下的壓差值，而透氣度是固定壓差下的流量值[9]，一般來(lái)說(shuō)，兩者成反比關(guān)系。隨著纖維直徑降低，纖維根數(shù)增加，形成的較小的孔隙結(jié)構(gòu)使氣溶膠通過(guò)過(guò)濾紙內(nèi)部的路徑變得更狹小曲折，導(dǎo)致過(guò)濾阻力增加。5#過(guò)濾紙的PET纖維的直徑為2 μm，因此PET纖維的根數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他過(guò)濾紙，使過(guò)濾紙孔隙變得更小更復(fù)雜，氣溶膠通過(guò)過(guò)濾紙內(nèi)部時(shí)與纖維發(fā)生碰撞和摩擦的次數(shù)更加頻繁，從而過(guò)濾阻力較其他過(guò)濾紙明顯增加。

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)研究了PET纖維作為一種添加于濕法成形過(guò)濾紙中的纖維原料，其直徑對(duì)過(guò)濾紙的結(jié)構(gòu)與性能的影響。

3.1 在PET纖維用量相同時(shí)，PET纖維直徑的減小導(dǎo)致單根PET纖維體積的減小和PET纖維總根數(shù)的增加，PET纖維對(duì)由其他纖維所構(gòu)成的基材孔隙的分割次數(shù)不斷增加，過(guò)濾紙結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生改變。

3.2 過(guò)濾紙的厚度、孔徑和透氣度隨著PET纖維直徑的減小而減小，過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力隨著PET纖維直徑的減小而增大，但在不同的PET纖維直徑范圍內(nèi)變化的程度不同，當(dāng)PET纖維直徑由17 μm減小到5 μm時(shí)，配抄的過(guò)濾紙的性能變化程度較小，平均孔徑、最大孔徑、透氣度分別減小了6.6%、19.8%、17.6%，過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力分別增加了22.4%、11.1%；當(dāng)PET纖維直徑由5 μm減小到2 μm 時(shí)，配抄的過(guò)濾紙的性能發(fā)生了顯著變化，平均孔徑、最大孔徑、透氣度分別減小了39.0%、35.0%、29.6%，過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力分別增加了38.0%、41.7%。直徑為2 μm的PET纖維對(duì)過(guò)濾紙結(jié)構(gòu)和性能的影響非常顯著，將具有很大的應(yīng)用潛力。

[1] Wenrner R M, Clarenburg L A. Pressuredrop across single- component glass fiber filters[J]. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 1965, 4(3): 288.

[2] Clarenburg L A, Werner R M. Aerosol Filters Pressure Drop across Multicomponent Glass Fiber Filters[J]. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 1965, 4(3): 293.

[3] Quan Q, Ying W, Zhu C. The effect of fiber diameter of melt-blown nonwovens on filtration performance of medical masks[J]. Shanghai Textile Science & Technology, 2015, 43(11): 16.

[4] Lamb G E R, Costanza P, Miller B. Influences of fiber geometry on the performance of nonwoven air filters[J]. Textile Research Journal, 1975, 45(6): 452.

[5] Gao Feng. Study on Filtration Performance of Fiber Filter[D]. Tianjin: Tianjin University, 2004. 高 峰. 纖維濾材過(guò)濾特性研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2004.

[6] YANG Zhen-wei, LIANG Yun, HU Jian, et al. The effect of glass wool diameter on the filtration performance of air filter paper[J]. Paper and Papermaking, 2014(4): 22. 楊振威, 梁 云, 胡 健, 等. 玻璃棉直徑對(duì)空氣過(guò)濾紙過(guò)濾性能的影響[J]. 紙和造紙, 2014(4): 22.

[7] ZHENG Xin-miao, WANG Hai-yi, TIAN Yao-bin. Influence of Fiber Diameters on Structure and Properties of Glass Filter Paper[J]. China Pulp & Paper, 2016, 35(5): 16. 鄭新苗, 王海毅, 田耀斌. 纖維直徑對(duì)玻璃棉纖維紙結(jié)構(gòu)和性能的影響[J]. 中國(guó)造紙, 2016, 35(5): 16.

[8] Wadsworth L C. The Handbook of Nonwoven Filter Media[J]. Journal of Engineered Fibers & Fabrics, 2007, 2(1): 30.

(責(zé)任編輯：郭彩云)

Influence of PET Fiber Diameter on Structure and Properties of Filter Paper

HAO Qing-qing1LIANG Yun1,*LONG Jin1YING Chun-wei2

(1.StateKeyLabofPulpandPaper,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640;2.BeijingSinomaArtificialCrystalResearchInstituteCo.,Ltd.,Beijing, 100020)

In this paper, the influence of PET fiber diameter on structure and filtration performance of filter paper was extensively studied by preparing handsheets using plant fiber and PET fibers with different diameters. The result showed that the thickness, pore size and air permeability of the filter paper decreased, while filtration efficiency and resistance increased with decreasing of the diameter of PET fiber. The magnitude of these changes was different. The performance changed slowly when PET fiber diameter decreased from 17 μm to 5 μm, but the performance significantly changed when fiber diameter reduced from 5 μm to 2 μm. It showed that the new PET fiber material with diameter of 2 μm could have a strong application potential in filter paper．

PET fiber; diameter; structure and performance of filter paper

郝青青女士，在讀碩士研究生；研究方向：高性能紙基復(fù)合材料。

2017- 04- 06(修改稿)

非石棉纖維密封和過(guò)濾復(fù)合材料開發(fā)及產(chǎn)業(yè)示范項(xiàng)目(2015BAE02B00)。

TS722

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.08.001

*通信作者：梁 云，研究員，博士生導(dǎo)師；研究方向：高性能紙基復(fù)合材料。