纖維混合比對針刺濾材孔徑及透氣性的影響

2020-05-04 08:58:19賴艷張得昆

現(xiàn)代紡織技術 2020年4期

賴艷張得昆

摘要：為了研究纖維混合比對針刺過濾材料孔徑、孔徑分布和透氣性的影響規(guī)律，以2.22 dtex和6.67 dtex兩種細度的聚酯纖維為原料，分別以其0∶100、20∶80、40∶60、60∶40、80∶20、100∶0的比例混合，采用干法針刺非織造技術制備了過濾材料，并對其進行了性能測試分析。結(jié)果表明：細纖維占的比例越多，過濾材料的孔徑分布越集中，其模態(tài)孔徑、最大孔徑、中值孔徑及平均流孔徑等都顯著降低;隨著細纖維比例的增加，模態(tài)孔徑呈多項式關系下降，其相關系數(shù)R2為0.943 7;而平均流孔徑隨著細纖維比例的增加呈線性關系下降，其相關系數(shù)R2為0.924 8;隨著細度較小的聚酯纖維比例增加，過濾材料透氣率呈指數(shù)關系下降，其相關系數(shù)R2為0.949 5。

關鍵詞：針刺過濾材料;聚酯纖維;透氣性;孔徑;孔徑分布

Abstract：To study the influence of fiber mixing ratio on the pore size， pore size distribution and air permeability of needled filter material，two kinds of polyester fibers with 2.22 dtex and 6.67 dtex fineness were used as raw materials and mixed at a ratio of 0∶100， 20∶80， 40∶60， 60∶40， 80∶20 and 100∶0， respectively to prepare the filter material by dry needling technology，and its performance was tested and analyzed. The results show that the more the proportion of fine fibers， the more concentrated the pore size distribution of the filter material.The modal pore size， the maximum pore size， the median pore size and the mean flow pore size are significantly reduced. With the increase of the proportion of fine fibers， the modal pore size decreases in a polynomial relationship， and the correlation coefficient R2 is 0.943 7， while the mean flow pore size decreases linearly with the increase of the proportion of fine fibers， and the correlation coefficient R2 is 0.924 8. With the increase of the proportion of polyester fiber with smaller fineness， the air permeability of the filter material decreases exponentially， and the correlation coefficient R2 is 0.949 5.

Key words：needled filter material; polyester fiber; air permeability; pore size; pore size distribution

非織造過濾材料具有三維網(wǎng)狀結(jié)構，并且纖維在其中隨機排列，使得非織造材料具有高空隙率，可以容納更多的灰塵顆粒，提高過濾效率，并且進一步提高流動速度[1-3]。由于其在過濾效率和容塵量等方面的突出優(yōu)勢，非織造濾材逐漸取代傳統(tǒng)紡織濾材并在纖維類過濾介質(zhì)領域占據(jù)領先地位[3-4]。20世紀50年代，非織造行業(yè)開始在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，這使空氣過濾材料的發(fā)展成為新的一頁，尤其是化纖業(yè)的迅速發(fā)展為空氣過濾材料提供了豐富可供選擇的纖維原料[5-6]。現(xiàn)如今環(huán)境質(zhì)量在不斷的下降，空氣質(zhì)量的改善迫在眉睫。目前，解決空氣質(zhì)量問題最有效的方式便是空氣過濾[7]。

隨著科技和經(jīng)濟的發(fā)展，空氣質(zhì)量問題的改善成為現(xiàn)如今的熱點，而空氣濾材在大氣污染的治理中有著重要作用，透氣性、孔徑和孔徑分布對過濾材料的性能具有重要影響。因此，研究過濾材料的孔徑、孔徑分布及其透氣性能對更好地開發(fā)過濾材料具有重要意義。倪冰選等[8]研究了水刺非織造布孔徑分布及過濾效率，得出非織造布具有三維網(wǎng)絡微孔結(jié)構，與過濾效率有關，其可過濾粒徑較小的顆粒，過濾性能優(yōu)良。鮑穩(wěn)等[9]研究了PPS紡粘非織造布的過濾性能，得出孔徑呈正態(tài)分布，對10 μm以上顆粒具有高達98.1%的過濾效率。殷保璞等[10]、劉造芳等[11]研究了非織造過濾材料孔隙結(jié)構與透氣性之間關系，得出非織造布透氣性是平均孔徑和孔隙率共同影響的結(jié)果。張恒等[12]研究了超細纖維非織造材料孔徑的可預測性，得出孔徑預測模型可以用來預測超細纖維非織造材料的孔徑分布。劉青等[13]制備了黏膠非織造過濾布，得出其對金屬離子和染料，都有較好的過濾性能。王艷麗等[14]制備了芳綸1314/PANOFF復合針刺濾料，得出添加PAN預氧化纖維，減小了濾料的孔徑尺寸，降低透氣量。而不同纖維混合比對針刺過濾材料孔徑及透氣性能影響的研究卻寥寥無幾。因此，本文主要利用不同細度聚酯纖維通過非織造干法成網(wǎng)、針刺加固的方法，制備不同混合比的過濾材料，通過對樣品的性能測試，研究不同混合比對孔徑、孔徑分布及透氣性的影響規(guī)律。

1 實驗

1.1 實驗原料

聚酯纖維1（2.22 dtex×51 mm，江蘇三房巷集團有限公司），聚酯纖維2（6.67 dtex×64 mm，南通羅萊化纖有限責任公司）。

1.2 實驗儀器

WL型的針刺生產(chǎn)線（太倉市雙鳳非織造布設備有限公司）;YD141D型數(shù)字式織物厚度儀（溫州方圓儀器有限公司）;BG200A型電子天平（上海乾峰電子儀器有限公司），PSM-165型孔徑測定儀（德國Topas公司）;YG461L型全自動透氣性能測試儀（萊州市電子儀器有限公司）。

1.3 針刺過濾材料的制備

以細度為2.22 dtex和6.67 dtex兩種聚酯纖維為原料，通過開松、混合、梳理、鋪網(wǎng)和針刺加固工藝，得到6種不同混合比（2.22 dtex∶6.67 dtex的混合比例分別為0∶100、20∶80、40∶60、60∶40、80∶20、100∶0）的聚酯針刺過濾材料樣品，分別編號為1～6。設計針刺過濾材料的針刺密度為300刺/cm2，定量為255 g/m2。

1.4 性能測試

1.4.1 定量

取300 mm×300 mm的試樣，定量按照GB/T 24218.1-2009《紡織品非織造布實驗方法第一部分：單位面積質(zhì)量的測定》標準進行測試。每組取10塊樣品測試，求出10塊樣品的平均值和CV值。

1.4.2 厚度

依據(jù)標準GB/T 24218—2009《紡織品非織造布測試方法第二部分：厚度的測定》進行測試。按照標準每組取10塊試樣，試樣面積為300 mm×300 mm。根據(jù)標準先判斷非織造布的類型，然后根據(jù)對應的壓強和時間進行測試，并求出每組試驗的平均值和CV值。

1.4.3 透氣性

采用的標準是GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》。每組試驗取10塊試樣測試，試樣面積為300 mm×300 mm，測量壓差為200 Pa。并求出10塊試樣的平均值。

1.4.4 孔徑大小及其分布

選用直徑為6 mm的試樣夾具，測試液體為純凈水，試樣剪成半徑為15～20 mm的圓形。測試標準采用ASTM F316-03（2011）《用冒泡點和平均流量法測定膜過濾材料孔徑特性的試驗方法》。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同混合比聚酯針刺過濾材料的定量和厚度

不同混合比下聚酯針刺過濾材料的定量、厚度測試結(jié)果見表1。

從表1可知，在工藝參數(shù)等相同的條件下，不同細度的纖維配比的不同，定量略有不同，6組樣品的實際定量與設計定量偏差較小，平均值為258.60 g/m2，CV值為1.27%。從表1還可知，在工藝參數(shù)等相同的條件下，不同細度纖維的混合比對厚度有輕微的影響，但相差不大，其平均值為2.80 mm，CV值為6.79%;隨著細度為2.22 dtex聚酯纖維比例增多，厚度在一定范圍內(nèi)有減小的趨勢，這是因為一般情況下，細度大的聚酯纖維回彈性更好一些，其產(chǎn)品比較蓬松，使得產(chǎn)品厚度有所增加。而6組樣品的定量和厚度差別很小，CV值不大，可以進行后續(xù)測試對比分析。

2.2 不同混合比對聚酯針刺過濾材料的孔徑大小及分布的影響

孔徑及分布反映了過濾材料的內(nèi)部結(jié)構，是過濾材料的一項重要指標，表示材料具有不同形狀大小的孔隙，可反映其過濾性能。平均孔徑反映材料整體過濾能力，最大孔徑值則反映濾材缺陷，孔徑分布反映各種尺寸孔徑的百分比，它們都可用來評價材料阻止粉塵顆粒通過的能力[3，15-16]。

試驗用泡點法測試孔徑，而其與壓汞法相比，能夠減小結(jié)構壓縮對測定結(jié)果的影響，更適用于纖維過濾材料孔徑特征的測定[3，17-18]。通過分析對比不同細度纖維的不同混合比對孔徑及孔徑分布的影響，可以分析其對過濾材料過濾性能的影響。樣品1～6的孔徑測試結(jié)果如表2所示，孔徑分布如圖1所示。

從表2可知，由細度較大的纖維與細度較小的纖維分別制成的過濾材料，孔徑差別明顯，細度較大的纖維制成的產(chǎn)品，孔徑更大。如100% 6.67 dtex聚酯纖維制成的針刺氈模態(tài)孔徑為102.78 μm，而100% 2.22 dtex聚酯纖維制成的針刺氈模態(tài)孔徑為12.46 μm，這兩者差異非常顯著，模態(tài)孔徑為孔徑分布中占最大比例所對應的孔徑，模態(tài)孔徑所占的比例越高，表明孔徑分布越集中、均勻;由表2還可知，模態(tài)孔徑、最大孔徑、中值孔徑、平均流孔徑等的大小與纖維混合比都有著顯著關系，隨著細度為2.22 dtex聚酯纖維比例的增加，其孔徑大小都明顯地降低。

由圖1可看出，6組樣品的模態(tài)孔徑所占的比例差異不大，其所占比例大都在60%左右，表明模態(tài)孔徑分布比較集中一致，模態(tài)孔徑所占的比例與纖維的混合比關系不大。

從圖1還可知，孔徑分布范圍與纖維粗細及比例有關，粗纖維制成的過濾材料孔徑分布范圍大，細纖維制成的過濾材料孔徑分布范圍小，粗纖維中加入一定量的細纖維可以降低孔徑分布范圍。100% 6.67 dtex聚酯纖維制成的過濾材料，孔徑分布最大，其孔徑分布為55～139 μm，100% 2.22 dtex聚酯纖維制成的樣品，孔徑分布最小，其孔徑分布為12～23 μm。而樣品2～5，隨著細纖維的比例增加，樣品的孔徑分布范圍減小，分別為74～151、14～112、14～60、40～93 μm。

2.3 不同混合比對針刺過濾材料模態(tài)孔徑的影響

模態(tài)孔徑為孔徑分布中占最大比例所對應的孔徑，模態(tài)孔徑所占比例越高，表明孔徑分布越集中、均勻。模態(tài)孔徑與纖維混合比關系如圖2所示。

由圖2可看出，模態(tài)孔徑與纖維混合比呈多項式關系，隨著細度為2.22 dtex的聚酯纖維比例增加，模態(tài)孔徑呈下降趨勢，其多項式關系為y=-0.632 7x2-11.497x+110.57，相關系數(shù)R2為0.943 7，表明模態(tài)孔徑與纖維混合比關系的相關性很高。

2.4 不同混合比對針刺過濾材料平均流孔徑的影響

平均流孔徑為濕流量壓力值是干流量壓力值一半時對應的孔徑值。由圖3可以看出，隨著細度為2.22 dtex的聚酯纖維比例增加，平均流孔徑呈線性關系下降，其線性關系為y=-16.405x+119.18，相關系數(shù)R2為0.924 8，表明平均流孔徑與纖維混合比關系的相關性很高。

2.5 不同混合比對針刺過濾材料透氣性能的影響

透氣性作為過濾性能的指標之一，直接影響著過濾材料的流量阻力，是過濾效果的重要指標之一[5，11]。平均透氣率與纖維混合比關系如圖4所示。

由圖4可看出，隨著細度為2.22 dtex的聚酯纖維比例增加，透氣率呈指數(shù)關系下降，其指數(shù)關系為y=3 170.9e-0.193x，相關系數(shù)R2為0.949 5，表明透氣性與纖維混合比關系的相關性很高。這是因為在與其他參數(shù)相同的條件下，纖維越細，產(chǎn)品單位體積內(nèi)的纖維根數(shù)就越多，纖維網(wǎng)中纖維之間的接觸點也就越多，抱合力就會增強，試樣內(nèi)部結(jié)構緊密，使得透氣量降低。同時透氣量的大小取決于非織造布空隙的大小和多少，根據(jù)前面的測試和分析可知纖維細度越細，過濾材料中孔徑越小，孔徑分布也越集中，因此空氣透過纖網(wǎng)的阻力變大，使得透氣量減小。

3 結(jié) 論

以2.22 dtex和6.67 dtex兩種細度的聚酯纖維為原料，采用非織造技術制備了過濾材料，研究不同混合比對孔徑、孔徑分布及透氣性的影響規(guī)律，并對其進行了性能測試分析得到以下結(jié)論：

a）過濾材料中不同細度纖維的比例對其孔徑大小及孔徑分布影響很大。細纖維占的比例越多，過濾材料的孔徑越小，孔徑分布越集中;隨著細度為2.22 dtex聚酯纖維比例增加，模態(tài)孔徑、最大孔徑、中值孔徑及平均流孔徑等都顯著降低。

b）隨著細纖維比例的增加，模態(tài)孔徑與纖維混合比呈多項式的關系下降，其相關系數(shù)R2為0.943 7;而過濾材料的平均流孔徑隨細纖維比例的增加呈線性關系下降，其相關系數(shù)R2為0.924 8。

c）不同細度的纖維比例對透氣性能的影響也很大。隨著細纖維比例的增加，過濾材料的透氣率顯著下降，透氣率與纖維混合比呈指數(shù)下降關系，其相關系數(shù)R2為0.949 5。

d）其研究的規(guī)律對針刺過濾材料的生產(chǎn)實踐具有很好實際意義。

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