空氣濾材透氣性與纖維纖度相關性的探討

邱長利

（上海締榮紡織品有限公司，上海 200000）

關鍵字 空氣過濾材料；透氣率；纖維直徑；孔隙率

針刺過濾材料，主要使用的纖維包括滌綸、丙綸、亞克力纖維、PPS、P84、PTFE等，常溫狀態下空氣濾料多采用滌綸及丙綸化纖。材料的過濾能力通常受到多種因素的影響，并且空氣過濾的過程（濾阻、壓差等指標）并非恒定不變的，會隨著過濾進程在材料表面形成濾餅造成過濾指標的變化。然而，對一款普通空氣過濾材料而言，設計時可以通過在理想狀態下，簡化產品的過濾指標與材料的孔隙率，進而有針對性地選擇纖維來達到設計指標。以滌綸為例，一方面，可以根據現有的實際狀態找出過濾效率與纖維直徑的關系，另一方面，可以根據理論設定指導實際生產，從而驗證關系式的正確性[1]。

1 滌綸濾料的纖維直徑與過濾效率

影響過濾材料過濾性能的宏觀因素包括：濾料表面積、濾料厚度、纖維尺寸及排列、濾料孔隙率和比表面積、帶電量和介電常數、化學成分。隨著使用時間的延長，濾料本身會產生表面過濾，過濾精度提高，濾阻增加，透氣性能下降。具體到某款過濾材料，由于產品完全由纖維構成，在不考慮纖維化學性能、電性能等前提下，以相同設定工藝的理想狀態下，可以理論推斷產品的過濾性能僅與纖維的尺寸和孔隙率相關，由此進行理論計算，可以在確定的透氣范圍內推論適當的纖維配比。

濾料的空隙尺寸可以用水力半徑描述平均空隙直徑來表示，通過纖維直徑、表面積等可以得出平均孔隙直徑。

1.1 纖維尺寸

在不考慮中空異形截面時，假定使用的纖維截面為圓型，在已知纖維規格的前提下可以推算纖維的直徑：

其中：dtex—纖維規格分特，10 000m長的纖維重1g，1dtex；R—纖維直徑，mm；ρ—纖維密度，g/cm3。

1.2 平均孔隙直徑

采用水力半徑的概念，平均孔隙直徑定義為[2]：

其中： λ—平均孔隙直徑，mm；Vp—空隙體積，即濾料體積減去纖維理論體積，mm3；S—過濾纖維總表面積，mm2。

其中S可根據以下公式計算：

L—纖維的總長度； M—單位產品的重量。

1.3 產品數據對比

根據以上公式分析產品數據對比理論目標及實際測量得到數據如表1。滌綸密度為1.38g/cm3。

表1 現有滌綸濾料透氣性能與纖維指標

其中,平均分特數值根據不同纖維所占比例計算所得。

1.4 滌綸濾料實測透氣性能與平均空隙直徑相關性分析及回歸方程

借助計算機SPSS軟件，根據滌綸濾料透氣性能與纖維指標相關性分析:針對平均孔隙直徑(mm)與實測透氣結果相關性分析表明，平均孔隙直徑(mm) 和實測透氣率結果的 Pearson 相關系數 為0.974，P 值 = 0。

結論：由于P≤0.05，可以判斷平均孔隙直徑與透氣結果線性相關 。

根據滌綸濾料透氣性能與纖維指標相關性分析:針對孔隙率與實測透氣結果相關性分析表明，孔隙率和實測透氣率結果的 Pearson 相關系數 為 0.788，P值 = 0。

結論：由于P≤0.05，可以判斷孔隙率與透氣結果線性相關。

對滌綸濾料實測透氣結果與平均孔隙直徑(mm)回歸分析: 回歸方程為：

方差分析見表2，擬合結果見圖1。

表2 方差分析數據

圖1 擬合線：實測結果與平均孔隙直徑

根據以上分析平均空隙直徑（孔隙率）與產品的透氣性能相關，可以用線性直線描述，由此可以做進一步回歸分析，得到回歸方程，進而得到纖維直徑與透氣性能間的關系函數。

1.5 滌綸濾料實測透氣性能與孔隙率的回歸分析及回歸方程

利用計算機SPSS軟件，根據滌綸濾料透氣性能與纖維指標得出如下回歸方程：

實驗數據見表3、表4。

表3

表4 方差分析

觀測值孔隙率實測結果擬合值標準誤殘差，見圖2。

圖2 擬合線：實測透氣結果與孔隙率

從以上分析可以看出，平均空隙直徑與透氣的相關性曲線比孔隙率的相關曲線更為精確，這是因為平均孔隙直徑結合了纖維的直徑及表面積的綜合影響考慮。現有的纖維配比數據與預期的目標值差異較大，特別是，PE-10及PE-50產品的目標設定與產品的實際測量數據差異較大，需要調整纖維的纖度配比，以上數據的分析是基于產品的透氣值在實驗室的測試結果[3]。

2 利用SPSS軟件得出回歸方程反向確定纖維配比

利用SPSS軟件得出透氣結果與平均空隙直徑的回歸方程如下：

所以，可以得到平均孔隙直徑公式：

進而的得到纖維直徑與透氣率的公式如下：

根據上式將標準透氣中值代入透氣率結果，由此推論最佳纖維纖度及預測配比，如表5。

表5 根據透氣率指標反向推斷纖維直徑列表

3 結論

通過從生產實際中匯總出大量的產品透氣與纖維狀態的數據，可以從中找出纖維狀態與產品指標值之間的相關性，進一步通過SPSS軟件分析，推斷數學關系可以反過來指導產品設計。通過上述實踐過程可以得出以下結論：

在現有生產工藝條件下，產品的透氣性在理想狀態下由纖維的纖度尺寸決定。纖維的纖度和厚度可以通過平均空隙直徑、孔隙率描述，平均孔隙直徑和孔隙率與產品透氣性能都表現出相關性，但平均孔隙直徑更符合曲線描述。從實驗調整纖維配比后對所加工的濾料實測數據跟蹤表明，產品透氣數據改善明顯，與設計的方向一致。部分纖維由于受中空截面的影響，特別是PE-100的產品纖維為中空結構，表面積大于理論計算，可能與實際結果有偏差。

實際生產過程中，對于產品品質的控制往往受多種因素的影響，不同的影響指標其影響比例不盡相同。在生產實踐中，如果能夠使用好數據分析工具，可以幫助我們從繁雜的數據中找出關鍵因素，有助于生產調整。通過上述實例的分析希望幫助企業在實際生產中做好數據整理和分析利用，用來解決實際生產中的問題。