PET纖維截面形狀對過濾紙結(jié)構(gòu)和性能的影響

郝青青 梁云 潘政源 曾靖山

摘 要：采用5種截面形狀（圓形、三角形、三葉形、十字形、豐字形）的PET纖維與植物纖維配抄過濾紙，探究PET纖維截面形狀對過濾紙結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，與圓形纖維相比，三角形、三葉形、十字形以及豐字形纖維對過濾紙的過濾效率沒有顯著影響，但容塵量都有不同程度的提高。PET纖維添加量為40%時，與圓形纖維相比，含三角形、三葉形、十字形和豐字形纖維過濾紙的容塵量分別增加了8.2 g/m2、11.7 g/m2、9.9 g/m2、13.8 g/m2。其中，三葉形纖維和豐字形纖維對過濾紙的厚度和容塵量的影響較大，豐字形纖維比三角形、三葉形和十字形纖維對過濾紙的孔徑和透氣度具有更顯著的影響。

關(guān)鍵詞：PET纖維截面形狀；過濾紙；結(jié)構(gòu)；性能

中圖分類號：TS722

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254.508X.2018.06.001

Abstract：In this paper， the influence of PET fibers crosssectional shape on structure and properties of filter paper was extensively studied by preparing handsheets using cellulose fibers and PET fibers with different crosssectional shapes. The result showed that compared with the same amount of the round fiber，the triangular，trilobal， cruciform and “豐” fibers had no significant effect on the filtration efficiency of the filter paper. However， the dust holding capacity of the paper increased to some extent. When the PET fibers content was 40%， the dust holding capacity of filter paper containing triangular， trilobal， cruciform and “豐” fibers increased by 8.2 g/m2， 11.7 g/m2， 9.9 g/m2 and 13.8 g/m2 respectively. Furthermore， the trilobal and “豐” fibers had a greater impact on the thickness and dust holding capacity of the papers. The “豐” fiber had more significant influence on the pore size and air permeability of the papers than the triangular， trilobal and cruciform fibers.

Key words：fibers′ crosssectional shape； filter paper； structure； performance

近年來，沙塵暴、霧霾等天氣日趨頻繁，對空氣濾清器過濾材料的使用性能提出了更為嚴(yán)格的要求，纖維作為過濾紙的主要組成部分，其特性對過濾紙的結(jié)構(gòu)和性能有著至關(guān)重要的影響[1.2]。近50年來，國內(nèi)外學(xué)者對纖維過濾紙的性能進(jìn)行了大量的研究，隨著技術(shù)的發(fā)展，合成纖維形態(tài)的多樣化及性能的提升，使其在過濾領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是非圓形截面的纖維受到了愈來愈多的關(guān)注 [3.4]，Javier R. Sánchez等人[5]在研究三葉形（PET）纖維、圓形（PEI）纖維對過濾器捕灰性能的影響時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣溶膠流速為0.1 m/s、顆粒尺寸小于1.1 μm時，含三葉形纖維的濾清器的捕灰效率高于圓形纖維，顧叢匯等人[6]研究纖維截面形狀對 PM2.5過濾性能的影響時發(fā)現(xiàn)，同一時刻下“Y”形截面的單纖維絲對PM2.5顆粒物的截留率高于圓形截面的單纖維絲。還有部分研究者對異形截面的纖維在過濾方向進(jìn)行了模擬，如Wang W等人[7]通過Zhukovsky轉(zhuǎn)換對弧形纖維的流場進(jìn)行了探討，Hosseini S A等人[8]對圓形、方形、橢圓形、三葉形纖維的進(jìn)行了研究，F(xiàn)otovatia S等人[9]對不同的尺寸和縱橫比的三葉形纖維對壓力損失和捕集效率的影響進(jìn)行了探究。這些研究都表明纖維截面形狀可以影響顆粒的捕集效率和流場情況。但上述研究都沒有系統(tǒng)地探究纖維截面形狀對濕法成形過濾紙結(jié)構(gòu)和性能的影響。

本實(shí)驗(yàn)采用5種截面形狀的PET纖維與植物纖維配抄過濾紙，探究PET纖維截面形狀對過濾紙結(jié)構(gòu)和空氣過濾性能的影響，為制備高效過濾紙?jiān)诶w維原料的選擇方面以及對過濾紙結(jié)構(gòu)和性能的控制方向提供一定的參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

闊葉木閃急漿：進(jìn)口閃急干燥硫酸鹽桉木漿，以下簡稱閃急漿。

5種截面形狀的PET纖維：圓形纖維（2.2 D，帝人株式會社），三角形纖維（1.5 D，杭州東華纖維有限公司），三葉形纖維（2.2 D，帝人株式會社），十字形纖維（1.5 D，杭州東華纖維有限公司），豐字形纖維（6 D，F(xiàn)iber Innovation Technology， Inc）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原料配比

采用圓形、三角形、三葉形、十字形、豐字形5種截面形狀的PET纖維與閃急漿配抄過濾紙，定量為100 g/m2；其中PET纖維含量為20%的過濾紙編號分別對應(yīng)1#、2#、3#、4#、5#；PET纖維含量為40%的過濾紙編號分別對應(yīng)6#、7#、8#、9#、10#。

1.2.2 掃描電子顯微鏡（SEM）分析

采用PhenomWorld G2 Pro Y 掃描電子顯微鏡（荷蘭）觀察纖維及過濾紙的微觀形貌。

1.2.3 性能測試

厚度：采用YG 142手提式測厚儀（國產(chǎn)），按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》，對過濾紙的厚度進(jìn)行測定。

透氣度：采用FX.3300IV透氣度儀（瑞士），按照EN ISO 9.237標(biāo)準(zhǔn)，對過濾紙的透氣度進(jìn)行測定。

孔徑：采用PMI CFP.1100A毛細(xì)流量孔徑測試儀（美國），按照美國測試與材料協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM F316，對過濾紙的平均孔徑和最大孔徑進(jìn)行測定。

過濾效率：采用TSI 8130氣體透過自動測試臺（美國），按照EN 143標(biāo)準(zhǔn)，對過濾紙的過濾效率與過濾阻力進(jìn)行測定。

容塵量：采用PALAS MFP 3000過濾測試系統(tǒng)（德國），按照ISO 5011標(biāo)準(zhǔn)，對過濾紙的容塵量進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料形貌觀察

圖1是閃急漿纖維和不同截面形狀PET纖維的SEM圖。從圖1中可以看出，閃急漿纖維截面形狀為扁平狀，經(jīng)測量閃急漿纖維的寬度在14～25 μm之間，纖維厚度在2～5μm之間。對PET纖維而言，圓形纖維的直徑約為15 μm；三角形纖維的高約13 μm，經(jīng)計(jì)算外接圓直徑約為17 μm；三葉形纖維的外接圓直徑約為18 μm；十字形纖維的兩個葉片頂端之間的距離約為17.5 μm，葉片長約6～10 μm，經(jīng)計(jì)算外接圓直徑約17.5 μm；豐字形纖維的葉片長約3～8 μm，寬度約2～5 μm，截面的長度約40 μm。

2.2 PET纖維截面形狀對過濾紙結(jié)構(gòu)的影響

為探究5種不同截面形狀PET纖維對過濾紙結(jié)構(gòu)的影響，對自制的10種過濾紙進(jìn)行了截面形貌分析。圖2是PET纖維含量為20%的1#～5#過濾紙截面SEM圖；圖3是PET纖維含量為40%的6#～10#過濾紙截面SEM圖。

從圖2和圖3中可以清晰地看出，當(dāng)纖維含量從20%增加至40%時，過濾紙的松厚度增加，且相同含量下，含三角形、三葉形、十字形和豐字形纖維過濾紙的松厚度大于含圓形纖維的。閃急漿纖維比較扁平，纖維交織時接觸面積較大，5種截面形狀的PET纖維在過濾紙中均勻分布，起到骨架作用；與圓形纖維相比，三角形、三葉形、十字形和豐字形纖維的立體結(jié)構(gòu)較為明顯，如三角形纖維，結(jié)構(gòu)立體，棱角分明；十字形、三葉形、豐字形纖維表面具有明顯的凹槽結(jié)構(gòu)，增加了過濾紙Z向結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，纖維間通過凸起的葉片結(jié)合，接觸面積大大減小，從而過濾紙的結(jié)構(gòu)較疏松。

2.3 PET纖維截面形狀對過濾紙性能的影響

2.3.1 對物理性能的影響

實(shí)驗(yàn)探究了PET纖維截面形狀對過濾紙的厚度、孔徑、透氣度的影響。為了更準(zhǔn)確地評價PET纖維截面形狀的影響，避免施膠影響PET纖維的截面形狀，破壞過濾紙的結(jié)構(gòu)，因而對過濾紙沒有進(jìn)行施膠處理，故沒有評價過濾紙的力學(xué)性能，其他主要性能的測試結(jié)果見表1。

從表1可以看出，當(dāng)PET纖維含量從20%增加到40%時，過濾紙的厚度、孔徑和透氣度增加；相同含量下，含三角形、三葉形、十字形和豐字形纖維過濾紙的厚度、孔徑和透氣度均大于含圓形纖維的，且PET纖維含量為40%時，物理性能的差別程度更大。

不同形態(tài)的纖維交織時接觸方式不同，使得過濾紙Z向結(jié)構(gòu)不同，從而影響著過濾紙的厚度[10.11]。當(dāng)PET纖維含量為40%時，含圓形纖維過濾紙的厚度為0.483 mm，與含圓形纖維的過濾紙相比，含三角形、三葉形、十字形和豐字形纖維過濾紙的厚度分別增加了0.052 mm、0.080 mm、0.066 mm、0.082 mm，可見，豐字形纖維對過濾紙的厚度影響程度較大。三角形纖維具有明顯的棱角結(jié)構(gòu)，三葉形、十字形和豐字形纖維具有明顯的凹槽和凸起結(jié)構(gòu)，纖維交織時，棱角或者凸起接觸大大增加了過濾紙的松厚度，從而過濾紙的厚度大于含圓形纖維的過濾紙，且豐字形纖維的外接圓直徑較大，進(jìn)一步增加了過濾紙的厚度。

過濾紙的孔徑是指與具有相同壓力的圓柱形毛細(xì)管所對應(yīng)的直徑大小，過濾紙的孔徑間接反映了纖維網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)情況，主要受定量、纖維粗度、纖維本身性質(zhì)以及過濾紙抄造條件的影響[12]。當(dāng)PET纖維含量為40%時，含圓形纖維過濾紙的平均孔徑和最大孔徑分別為14.7 μm和34.8 μm，含豐字形纖維過濾紙的孔徑較大，平均孔徑和最大孔徑分別為19.8 μm和44.5 μm，含三角形、三葉形和十字形纖維過濾紙的孔徑接近。這是由于與圓形纖維相比，三角形、三葉形、十字形和豐字形纖維間結(jié)合的緊密程度較低，過濾紙的孔徑增大，且豐字形纖維的外接圓直徑較大，進(jìn)一步增加了對過濾紙孔徑的影響。

透氣度反映了氣體通過濾紙內(nèi)部結(jié)構(gòu)的阻力大小，以在規(guī)定實(shí)驗(yàn)面積和壓降下，氣流垂直通過試樣的速率表示，在一定程度上反映了過濾紙的多孔性[13]。當(dāng)氣流通過過濾紙內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，氣體分子與纖維間發(fā)生碰撞，氣體分子動能減小，流速降低，單位時間內(nèi)透過過濾紙的氣流量減小，宏觀上表現(xiàn)為透氣度降低。與圓形纖維相比，含三角形、三葉形、十字形、豐字形纖維過濾紙的透氣度增加，當(dāng)PET纖維含量為40%時，透氣度增加程度更大，含三角形、三葉形、十字形和豐字形纖維過濾紙的透氣度分別增加了39 mm/s、51 mm/s、47 mm/s、49mm/s。隨著PET纖維含量增加，過濾紙的孔徑增加，氣體分子和纖維之間碰撞的概率減小，透氣度會增加；另一方面，PET纖維的表面凹槽結(jié)構(gòu)增加了過濾紙孔隙的復(fù)雜程度，當(dāng)氣流從過濾紙中穿過時，氣流分子與纖維之間碰撞的次數(shù)增加，流速降低，透氣度會減小，所以兩者共同作用影響著過濾紙的透氣性能。

2.3.2 對過濾性能的影響

過濾阻力和過濾效率是過濾性能最重要的兩個指標(biāo)。過濾阻力是由氣流通過纖維層時受到纖維的阻礙而引起的，是固定流量下的壓差值，而透氣度是固定壓差下的流量值，兩者成反比關(guān)系。本研究中過濾阻力與透氣度的測試值所呈現(xiàn)的規(guī)律與理論分析也是一致的，這里就不重復(fù)表述PET纖維截面形狀對過濾阻力的影響。

過濾效率指過濾材料所捕集顆粒與進(jìn)入材料前顆粒的數(shù)量之比，過濾紙的過濾效率測試結(jié)果如圖4所示。過濾效率測試所用氣溶膠顆粒的粒徑為0.26 μm，屬于過濾紙最易穿透的粒徑，顆粒物捕集過程中主要產(chǎn)生了攔截和擴(kuò)散效應(yīng)[12]。從圖4可以看出，相同PET纖維含量下，5種過濾紙的過濾效率差別不顯著；當(dāng)PET纖維含量從20%增加到40%時，過濾紙的過濾效率減小。這是由于含三角形、三葉形、十字形和豐字形纖維過濾紙的結(jié)構(gòu)較為疏松，纖維間形成的孔隙較大，氣溶膠從纖維層通過時，顆粒與纖維之間發(fā)生碰撞的概率減小，過濾紙的過濾效率降低，另一方面，明顯的立體結(jié)構(gòu)和凹槽結(jié)構(gòu)增加了纖維的比表面積，顆粒做布朗運(yùn)動時被捕集到的概率增大，導(dǎo)致過濾效率增加，兩者共同影響著過濾效率。

容塵量是過濾紙持續(xù)加灰到一定阻力時，單位面積上所容納灰塵的質(zhì)量，容塵量反映了過濾紙的過濾壽命，是重要的指標(biāo)之一。實(shí)驗(yàn)中灰塵為ISO 12103.1 A2細(xì)灰，加灰濃度為1 g/m2，測試面積為100 cm2，終止阻力為2000 Pa，過濾紙的容塵量如圖5所示。

從圖5可以看出，PET纖維含量從20%增加至40%時，過濾紙的容塵量增加。當(dāng)PET纖維含量為20%時，與含圓形纖維的過濾紙相比，含三角形、三葉形、十字形和豐字形纖維過濾紙的容塵量都增加了，含豐字形纖維過濾紙的容塵量最大，容塵量增加了9.4 g/m2，當(dāng)PET纖維含量增加到40%時，與含圓形纖維的過濾紙相比，含三角形、三葉形、十字形和豐字形纖維過濾紙的容塵量分別增加了8.2 g/m2、11.7 g/m2、9.9 g/m2、13.8 g/m2。這是由于隨著PET纖維含量的增加，過濾紙的松厚度增加，從而容塵量增加，相同PET纖維含量下，含三角形、三葉形、十字形和豐字形纖維的過濾紙的松厚度大于含圓形纖維的，且隨著PET纖維含量增加，松厚度的差異進(jìn)一步增大，所以過濾紙容塵量增加，此外，三葉形纖維和豐字形纖維表面明顯的凹槽結(jié)構(gòu)可以容納灰塵顆粒，被滯留在凹槽內(nèi)的顆粒并不會堵塞纖維間的空隙，過濾紙的阻力增加較為緩慢，達(dá)到終止壓差所需時間增長，從而過濾紙的容塵量增加。為了更直接地觀察PET纖維對過濾紙容塵量的影響，選取PET纖維含量為40%的過濾紙，觀察阻力增加到100 Pa時，A2細(xì)灰在過濾紙表面的留著情況，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，6#過濾紙的表面已形成一層濾餅（圖中圓圈所示），而7#、8#、9#和10#過濾紙中，灰塵顆粒進(jìn)入了過濾紙的內(nèi)部，表面尚未形成濾餅層。這是由于7#、8#、9#和10#過濾紙的結(jié)構(gòu)較為松散，纖維間的空隙可容納灰塵的能力較強(qiáng)，從而深層過濾時間較長，過濾紙的阻力增加較為緩慢，有利于提高過濾過濾紙的容塵量，其次，PET纖維表面的凹槽結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增大了過濾紙容納灰塵的能力，如8#、9#、10#過濾紙捕灰的SEM圖所示，進(jìn)入過濾紙內(nèi)部的灰塵顆粒一部分被滯留在PET纖維的凹槽內(nèi)（圖中圓圈所示），從而容塵量增加。

3 結(jié) 論

采用5種截面形狀（圓形、三角形、三葉形、十字形、豐字形）的PET纖維與植物纖維配抄過濾紙，探究PET纖維截面形狀對過濾紙結(jié)構(gòu)和性能的影響。

3.1 與圓形纖維相比，三角形纖維結(jié)構(gòu)立體，棱角分明，十字形、三葉形、豐字形纖維表面具有明顯的凹槽結(jié)構(gòu)，增加了過濾紙Z向結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，纖維間通過凸起的葉片結(jié)合，接觸面積大大減小，過濾紙結(jié)構(gòu)較疏松。

3.2 與圓形纖維相比，加入三角形、三葉形、十字形和豐字形纖維后，過濾紙的厚度、孔徑、透氣度增加，且PET纖維含量增加至40%時，變化程度更明顯，厚度分別增加了0.052 mm、0.080 mm、0.066 mm、0.082 mm，含豐字形纖維過濾紙的孔徑最大，含三角形、三葉形和十字形纖維過濾紙的孔徑接近。

3.3 當(dāng)PET纖維含量相同時，過濾紙的過濾效率差別不顯著，但容塵量有不同程度的增加。PET纖維含量為20%時，含豐字形纖維過濾紙的容塵量最大，與含圓形纖維的過濾紙相比，增加了9.4 g/m2，當(dāng)PET纖維含量增加到40%時，含三角形、三葉形、十字形和豐字形纖維過濾紙的容塵量分別增加了8.2 g/m2、11.7 g/m2、9.9 g/m2、13.8 g/m2。綜上所述，PET纖維截面形狀對過濾紙的結(jié)構(gòu)和性能具有較大的影響，異形截面的PET纖維在空氣過濾方面具有較大的應(yīng)用潛力。

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（責(zé)任編輯：常 青）