芳綸水刺濾料的制備及性能研究*

1.南京際華三五二一特種裝備有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京際華三五二一環保科技有限公司，江蘇 南京 211161

隨著經濟的發展，環境污染越來越嚴重。尤其是工業生產排放的可入肺顆粒物PM2.5，由于其粒徑小、運動性強且攜帶重金屬等有害物質，會嚴重危害人體的健康，現已引起社會的密切關注。因此，如何更有效地治理大氣污染、減少顆粒物PM2.5的排放，對保護環境、保障人們的身體健康，具有重要的意義[1-2]。當前，國際公認的、高效的除塵和控制粉塵排放的技術主要是袋式除塵技術，而濾料則是這一技術的關鍵和核心，濾料性能的優劣決定了袋式除塵器的使用效果。

目前，在袋式除塵領域，國內外普遍采用的是針刺耐高溫濾料。但近年來隨著環保要求的逐漸提高，針刺濾料由于纖網加固以刺針工藝為主，刺針本身的直徑及其加工原理會導致濾料產品存在孔徑較大、過濾精度偏低等缺點，不能滿足現今的排放標準[3-5]。而水刺加工技術則是利用高壓水射流對纖網進行加固的，其可避免針刺加工中帶鉤的刺針對基布及纖維造成損傷等問題，所得水刺產品強力更高、孔徑更小、過濾效率更佳，且阻力低，除塵設備運行能耗低，節能減排效果顯著，故可以更好地滿足粉塵的超凈排放要求。因此，隨著對濾料性能要求的不斷提高，水刺工藝必將在工業除塵濾料行業得到更加廣泛的應用[6-7]。

本文以間位芳綸(以下簡稱“芳綸”)為原料，通過先預針刺再水刺的加固工藝，制備了一種高強度、低損傷、高過濾精度的芳綸水刺濾料，考察預針刺工藝、水刺工藝對芳綸水刺濾料性能的影響，以期為今后的研究提供理論基礎和指導[8]。

1 試驗材料、設備與方法

1.1 試驗材料

芳綸基布：纖維線密度為2 dtex、長度為51 mm，基布面密度為130 g/m2。

1.2 試驗設備

WM2+2型雙梳雙鋪生產線(包括梳理機、鋪網機、牽伸機和預針刺機，歐瑞康集團)，AquaJet水刺生產線(特呂茨勒紡織機械公司)，布魯克納熱定型設備(布魯克納紡織機械技術有限公司)；AFC-131型濾料測試臺(Topas公司)，YG026H型多功能電子織物強力機(溫州際高檢測儀器有限公司)，YG(B)461E型全自動織物透氣性能測試儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)。

1.3 試驗方法

參照GB/T 3923.1—2003《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》標準測定濾料的斷裂強力；參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》標準測定濾料的透氣量；參照GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術要求》標準測試濾料的過濾效率。

2 預針刺深度對芳綸水刺濾料性能的影響

通常，預針刺機的植針密度在3 000～5 000枚/m。預針刺密度偏小則預針刺氈過于蓬松，牽伸過程中會因強力不足而導致意外伸長，影響后道水刺工藝。因此，本文基于多次的試驗結果，確定選擇最佳的預針刺密度為80～100 刺/cm2，這樣一道預針刺工藝就能滿足水刺前預針刺氈強力的指標要求。由于預針刺密度變化范圍較小，因此，本節將不做過多的研究，主要探討預針刺深度對芳綸水刺濾料性能的影響。

表1反映了不同的預針刺深度對最終芳綸水刺濾料性能的影響，其中預針刺后的水刺工藝參數：5個水刺頭的壓力分別為30、38、26、38、26 MPa，水刺速度為6 m/min。

表1 預針刺深度對芳綸水刺濾料性能的影響

表1中，在相同面密度的情況下：當預針刺深度從4 mm增加到8 mm時，芳綸水刺濾料的經向斷裂強力從983 N增加到1 338 N、緯向斷裂強力從1 506 N增加到1 670 N；當預針刺深度從8 mm增加到12 mm時，芳綸水刺濾料的經向斷裂強力從1 338 N降低到970 N、緯向斷裂強力從1 670 N降低到1 612 N。可見：隨著預針刺深度的增加，芳綸水刺濾料的經緯向斷裂強力呈現先增后降的趨勢。這主要是由于預針刺深度的增加使得芳綸纖維之間的抱合增強，芳綸水刺濾料的緊密度提高，因此經緯向斷裂強力增大，但是，預針刺深度過大時，部分移動困難的芳綸會在鉤刺的作用下發生斷裂，導致芳綸水刺濾料的經緯向斷裂強力下降[9-11]。

此外，從表1中還可以看出，預針刺深度對芳綸水刺濾料的透氣量、過濾效率的影響較小，這主要與水刺工藝對芳綸水刺濾料的影響遠超過預針刺工藝對芳綸水刺濾料的影響有關。

3 水刺工藝對芳綸水刺濾料性能的影響

為研究水刺工藝對芳綸水刺濾料性能的影響，下文選擇對經過預針刺處理(預針刺深度為8 mm，預針刺密度為80 刺/cm2)的材料進行水刺加工。

3.1 水刺壓力

圖1為水刺機的工作原理示意。整個水刺機生產線上分布了①～⑤共5個水刺頭。其中，水刺頭②和④，③和⑤分別互為聯動系統。水刺速度為6 m/min，并確定水刺頭①的壓力可選28和30 MPa，水刺頭

②和④的壓力可選30、34、38 MPa，水刺頭③和⑤的壓力可選24和26 MPa，具體配置見表2，所得10塊芳綸水刺濾料的性能見表3。

圖1 水刺機工作原理示意

芳綸水刺濾料編號水刺頭壓力/MPa①②③④⑤1#28302430242#28342434243#28302630264#28342634265#28382638266#30302430247#30342434248#30302630269#303426342610#3038263826

表3 10塊芳綸水刺濾料的性能

表3中，在經緯向斷裂強力方面：

(1) 觀察2#和7#芳綸水刺濾料的水刺工藝配置發現，水刺頭②、③、④、⑤的壓力配置相同，水刺頭①壓力有變化。所得2#芳綸水刺濾料的經向斷裂強力為1 100 N、緯向斷裂強力為1 502 N，7#芳綸水刺濾料的經向斷裂強力為1 150 N、緯向斷裂強力為1 519 N，可見水刺頭①壓力越大，則所得芳綸水刺濾料的經緯向斷裂強力越大。1#和6#，3#和8#，4#和9#，5#和10#芳綸水刺濾料也呈現同樣的規律。

(2) 觀察3#、4#和5#芳綸水刺濾料的水刺工藝配置發現，水刺頭①、③、⑤的壓力配置相同，水刺頭②、④的壓力有變化。所得3#芳綸水刺濾料的經向斷裂強力為972 N、緯向斷裂強力為1 460 N，4#芳綸水刺濾料的經向斷裂強力為1 150 N、緯向斷裂強力為1 527 N，5#芳綸水刺濾料的經向斷裂強力為1 212 N、緯向斷裂強力為1 639 N，可見水刺頭②、④的壓力越大，所得芳綸水刺濾料的經緯向斷裂強力越大。8#、9#、10#芳綸水刺濾料也呈現同樣的規律。

(3) 觀察1#和3#芳綸水刺濾料的水刺工藝配置發現，水刺頭①、②、④的壓力配置相同，水刺頭③、⑤的壓力有變化。所得1#芳綸水刺濾料的經向斷裂強力為950 N、緯向斷裂強力為1 400 N，3#芳綸水刺濾料的經向斷裂強力為972 N、緯向斷裂強力為1 460 N，可見水刺頭③、⑤壓力越大，則所得芳綸水刺濾料的經緯向斷裂強力越大。2#和4#，6#和8#，7#和9#芳綸水刺濾料也呈現同樣的規律。

此外，在透氣量及過濾效率方面，增加水針壓力，則水刺能量提高，芳綸纖維之間的纏結度增強，芳綸水刺濾料的透氣量降低、過濾效率提高[12]。且壓力最高的水針對芳綸水刺濾料斷裂強力的影響最大，因為在高壓已將芳綸水刺濾料加固緊密后，較低壓力的水針在穿透材料后剩余能量不足，無法形成纏結效果，但卻可以很好地將芳綸水刺濾料表面修復平整[13-15]。

因此，最佳水刺壓力組合產品為10#芳綸水刺濾料，即水刺頭①、②、③、④、⑤的壓力分別為30、38、26、38、26 MPa。

3.2 水刺速度

為研究不同水刺速度對芳綸水刺濾料性能的影響，各水刺頭壓力配置同3#芳綸水刺濾料，所得各項性能見表4。

表4 水刺速度對濾料性能的影響

從表4可以看出：采用3 m/min的水刺速度，芳綸水刺濾料的經向斷裂強力為1 243 N、緯向斷裂強力為1 734 N；當水刺速度提高到9 m/min時，芳綸水刺濾料經向斷裂強力下降為1 123 N、緯向斷裂強力下降為1 568 N。這表明降低水刺速度可提高芳綸水刺濾料的經緯向斷裂強力。這是由于水刺速度較低時，纖網受到的水針總噴射能量增加，芳綸纖維之間纏結更緊密，從而使得芳綸水刺濾料的斷裂強力上升。同時，降低水刺速度，芳綸纖維之間的纏結度增強，芳綸水刺濾料的透氣量降低、過濾效率提高。

但考慮到實際生產的綜合成本，生產效率的降低會導致能耗增加，生產成本增加，產量減少[16]。因此，確定選取最佳水刺速度為5 m/min，這既能滿足芳綸水刺濾料產品的性能要求，又不會影響生產效率。

4 結論

(1) 隨著預針刺深度的增加，芳綸水刺濾料的經緯向斷裂強力均呈現先增后降的趨勢，但透氣量及過濾效率的變化較小。

(2) 水刺壓力越高，芳綸水刺濾料的經緯向斷裂強力和過濾效率越高，但透氣量有所降低。

(3) 降低水刺速度可以增加芳綸水刺濾料的經緯向斷裂強力，但考慮到實際生產的綜合成本，確定選取最佳水刺速度為5 m/min，這既能滿足芳綸水刺濾料產品的性能要求，又不會影響生產效率。