三聚氰胺熔噴/芳砜綸耐高溫復合濾料的復合工藝及性能研究*

劉嘉煒 張譯丹 賈新葉 黃 晨 陳晟暉 張光旭

1.東華大學紡織學院，上海 201620；2.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620；3.上海特安綸纖維有限公司，上海 201103

隨著我國經濟的高速發展，伴隨而來的環境污染等問題日益嚴重。有研究[1-3]表明，空氣中顆粒物對人體的危害極大。世界衛生組織(WHO)認為，PM2.5安全值應小于10，而中國僅珠江三角洲地區9個城市的PM2.5數值就已達到了50～80。可想而知，整個中國的空氣質量面臨著不容忽視的挑戰。因此，有效解決我國空氣污染問題已成為當前刻不容緩的時代使命和責任[4]。

我國近幾年已逐漸加大對空氣污染治理的力度，如2014年7月起，工業企業實施新的粉塵排放標準[5-7]。這些新標準要求粉塵排放濃度小于30.00 mg/m3，重點地區要求小于20.00 mg/m3甚至更低[8]。在如此高的粉塵排放濃度標準要求下，對高效空氣過濾用材料的需求越來越高。現有的高效過濾材料基本以覆膜濾料為主，而覆膜濾料的膜易破損，且膜一旦破損，破洞會很快擴大，過濾效率進一步降低。

通常，濾料用超細纖維如紡黏超細纖維[9]、熔噴超細纖維等，比表面積較大，纖維集合體的孔隙率較高，可以有效過濾 PM2.5，但不耐高溫，故無法用于高溫粉塵的過濾[10]。三聚氰胺性質穩定，其在345 ℃以上分解，加之其纖維直徑小、比表面積大，故三聚氰胺熔噴非織造材料適用于高濾效空氣過濾領域；芳砜綸具有突出的阻燃性和優良的抗氧化性，同時具有良好的抗酸性能，其常作為耐高溫過濾材料的基材用于過濾領域[11]。

20世紀80年代初，隨著非織造技術的發展，我國成功研制出合成纖維針刺氈。之后，芳砜綸等纖維研制成功，進而開發出相應的耐高溫針刺濾料產品[12]。水刺工藝的優點源于其使用的極細的高壓水針，其直徑比針刺工藝所用的金屬刺針要小很多，因此由水刺工藝制造的非織造材料表面比針刺氈更加光潔平整，并避免了針刺孔出現漏灰等現象[13]。水刺濾料結構簡單，可以達到很好的過濾性能，且可以節省10%～15%的纖維原料，在PM2.5和PM10過濾領域有較大的發展潛力[14]。

本文旨在對三聚氰胺熔噴材料與芳綸/芳砜綸混合針刺布進行復合，通過試驗比對針刺和預針刺+水刺兩種加固工藝制得的三聚氰胺熔噴/芳砜綸耐高溫復合濾料(簡稱“復合濾料”)的性能，以期研發出新型耐高溫過濾材料，使過濾材料具有小孔徑、高濾效等特性。

1 復合濾料的制備與性能測試

1.1 試驗原料

三聚氰胺熔噴材料：纖維平均直徑為2 μm，面密度為100.0 g/m2。芳綸和芳砜綸：規格都為1.67 dtex×51.0 mm，制備的芳綸/芳砜綸混合針刺布的面密度為210.0 g/m2?；迹壕鬯姆蚁?Poly tetra fluoroethylene，PTFE)扁纖維機織布，面密度為130.0 g/m2。

復合濾料總面密度設計為650.0 g/m2。

1.2 試驗儀器

本試驗使用儀器歸納于表1。

表1 試驗用儀器

1.3 復合濾料的制備工藝流程

本文共設計了兩種工藝制備復合濾料：一種為針刺工藝，另一種為預針刺+水刺工藝。

1.3.1 針刺工藝

采用三角截面(或其他截面)且棱邊帶倒鉤的刺針對纖網進行反復穿刺。倒鉤穿過纖網時，纖網表面和局部里層的纖維束被刺入纖網內部，纖維在運動過程中互相纏結，且纖維網受到壓縮。刺針退出纖網時，刺入的纖維束脫離倒鉤并留在纖網中，纖網不再恢復至原來的蓬松狀態。本文將采用三角截面刺針，經8道針刺后，將相當多的纖維束刺入纖網中，使纖維互相纏結，從而形成具有一定強力和厚度的復合濾料。本試驗欲探究采用三聚氰胺熔噴材料能否達到較高的過濾效率，起初計劃將三聚氰胺熔噴材料放在表層，以達到類似表面過濾的效果，但考慮到針刺工藝對三聚氰胺熔噴材料破壞太過劇烈，故本工藝鋪疊時未將三聚氰胺熔噴材料放在表層。

本工藝采用兩步法制作復合濾料：先將芳綸、芳砜綸按照質量分數各50%的比例混合制備纖維層并進行預針刺，得到面密度為210.0 g/m2的芳綸/芳砜綸混合針刺布；然后按照第一層迎風層為芳綸/芳砜綸混合針刺布、第二層為三聚氰胺熔噴材料、第三層為PTFE扁纖維機織布、第四層與第一層完全相同的方式鋪疊，再經過8道正反針刺后，制成復合濾料。制備復合濾料的針刺工藝路線如圖1所示，具體加工工藝參數如表2所示。

1、4——芳綸/芳砜綸混合針刺布；2——三聚氰胺熔噴材料；3——PTFE扁纖維機織布圖1 針刺工藝路線

表2 針刺加工工藝參數

1.3.2 預針刺+水刺工藝

該工藝采用1道預針刺+5道水刺的方式制作復合濾料。其中，芳綸/芳砜綸混合針刺布的制備同1.3.1節，后續工藝路線及鋪疊方式如圖2所示，三聚氰胺熔噴材料放在表層。預針刺加工工藝參數同表2中的“針刺1”，水刺加工工藝參數見表3。

表3 水刺加工工藝參數

1——三聚氰胺熔噴材料;2、4——芳綸/芳砜綸混合針刺布;3——PTFE扁纖維機織布圖2 預針刺+水刺工藝路線

水刺過程中，第1道為預濕預水刺，其使得三聚氰胺熔噴材料與芳綸/芳砜綸混合針刺布纏結，以利于后面主水刺水針能量的吸收。由于三聚氰胺熔噴材料僅放置于表層，且熔噴纖維細度小，自身黏合強度不高，考慮到反刺有可能將強力不高的熔噴纖維帶出纖維網，故本工藝只對材料正面進行水刺。

1.4 性能測試

采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)對制得的兩種復合濾料進行形貌表征，觀察纖維形態，掃描前對試樣進行噴金處理。

對復合濾料進行基本物理及力學性能(包括面密度、厚度及斷裂強力等)測試，測試方法參照GB/T 24218.1—2009、GB/T 24218.2—2009及GB/T 24218.3—2010標準；透氣性能(透氣度)用于表征空氣透過樣品的能力，測試方法依據GB/T 5453—1997標準；孔徑測試采用泡點法，通過計算氣體通過試樣時壓力和氣流的變化，分析和計算試樣的孔徑及其分布；動態過濾性能參照標準VDI 3926-1∶2004進行測試。

2 結果與分析

2.1 形貌表征

2.1.1 三聚氰胺熔噴材料表面電鏡照片

三聚氰胺熔噴材料的表面電鏡照片如圖3所示。從圖3可以看出，三聚氰胺熔噴材料中纖維呈隨機排列，纖維直徑離散性較大，材料具有孔隙率大、比表面積大等特性，適合用做空氣過濾材料。本文為定量表征纖維的細度，利用Image J軟件從圖3中隨機選取了100根纖維進行直徑測量，計算和統計結果顯示三聚氰胺熔噴材料中纖維的平均直徑在2 μm左右 。

圖3 三聚氰胺熔噴材料表面電鏡照片

2.1.2 針刺工藝所得復合濾料截面電鏡照片

圖4所示為針刺工藝所得復合濾料的截面電鏡照片,其中：a為三聚氰胺熔噴材料層；b為針刺工藝形成的纖維束“釘銷”式結構，其如一個個釘子般扎在復合濾料中，確保了復合濾料的強力與結構的穩定性。針刺后，纖維互相穿插并抱合緊密，各層之間纏結有效。

a——三聚氰胺熔噴材料；b——針刺痕跡圖4 針刺工藝所得復合濾料的截面電鏡照片

2.1.3 預針刺+水刺工藝所得復合濾料截面電鏡照片

圖5所示為預針刺+水刺工藝所得復合濾料截面電鏡照片，可以看出：經過預針刺+水刺工藝加工以后，材料截面有輕微針刺痕跡，上層纖維并未與下層纖維形成牢固纏結，各纖維網層之間未形成明顯的纖維束“釘銷”式結構，纖維損傷較少。

a——三聚氰胺熔噴材料；b——針刺痕跡圖5 預針刺+水刺工藝所得復合濾料的截面電鏡照片

2.1.4 針刺工藝掉落物分析

針刺過程中，材料表面會有白色粉末狀物體掉落，尤其是在針刺頻率較大的主針刺機附近。對針刺工藝掉落物分別進行50倍和500倍的電鏡掃描，結果如圖6所示。

圖6 針刺工藝掉落物電鏡照片

從圖6可以看出，纖維呈斷裂形態，其中紅色線圈標示的是典型的刺針刺鉤作用導致的彎勾狀纖維。當三明治結構的纖維網進入針刺機后，其中的熔噴纖維因單纖強力較低，在刺針的高頻率穿刺作用下很多熔噴纖維被刺斷并被帶出，從而出現了上述的掉落情況，只有少數刺斷的纖維被刺針帶入下層，與其他纖維形成纏結和抱合。

在整個復合濾料中，三聚氰胺熔噴材料是實現高效過濾的關鍵，因此，探索加固工藝對三聚氰胺熔噴材料形貌和三維結構的影響非常有必要。從上述兩種工藝得到的復合濾料的電鏡照片得出，與預針刺+水刺工藝相比，針刺工藝更易于在纖維網層之間形成牢固的交叉和纏結，但會致使三聚氰胺熔噴纖維被刺斷和帶出，出現掉落的情況，影響復合濾料的使用效果。

2.2 基本物理及力學性能

對兩種工藝制備的復合濾料樣品分別進行基本物理及力學性能測試，結果如表4所示。

表4 兩種工藝制備的復合濾料的基本物理及力學性能測試結果

從表4可以看出：

(1)針刺工藝制備的復合濾料的面密度、厚度比預針刺+水刺工藝制備的復合濾料低，原因是針刺工藝與預針刺+水刺工藝相比，前者對纖維損傷更大，針刺過程中部分芳砜綸與三聚氰胺熔噴纖維被刺斷，并被刺針從纖維網中帶出，從而導致纖維網面密度顯著降低，厚度也相應降低。

(2)從馬丁戴爾法測得的質量損失率來看，針刺工藝的質量損失率為0.13%，即每平方米質量減少了約0.69 g(即面密度×質量損失率)，預針刺+水刺工藝的質量損失率為2.28%，即每平方米質量減少了約15.26 g，可見針刺工藝制備的復合濾料的耐磨性更好。這主要歸因于在預針刺+水刺工藝制備的復合濾料中，一方面三聚氰胺熔噴材料為表層，其纖維細度小，材料柔軟，摩擦過程中材料與磨料接觸得更多，加之強力低，故自身耐磨性較差；另一方面，水刺對三聚氰胺熔噴材料層與芳綸/芳砜綸混合針刺布層的復合作用不大，層間纖維沒有形成有效纏結，摩擦測試時三聚氰胺熔噴材料容易被剝離，故質量損失較多。

(3)預針刺+水刺工藝制備的復合濾料的透氣率遠小于針刺工藝制備的復合濾料，這與預針刺+水刺工藝對復合濾料幾乎沒有破壞，而針刺工藝對復合濾料破壞較大有關。

(4)縱向斷裂強力方面，針刺工藝制備的復合濾料比預針刺+水刺工藝制備的復合濾料低，這與針刺工藝對纖維的損傷要遠遠大于預針刺+水刺工藝，同時刺針對PTFE扁纖維機織布有損傷有關。

2.3 過濾材料孔徑及其分布

泡點法測試纖維過濾材料孔徑特征的原理：試樣經已知表面張力的潤濕劑充分浸潤后放入試樣室，氣體在壓力作用下分別通過干態試樣和濕態試樣的毛細孔，計算氣體通過試樣時壓力和流量的變化，可得到試樣的孔徑及其分布。三聚氰胺熔噴材料及兩種工藝制備的復合濾料的孔徑測試結果如圖7和表5所示。

圖7 孔徑分布

表5 三聚氰胺熔噴材料及兩種工藝制備的復合濾料的孔徑狀況 (μm)

從圖7和表5可以看出：三聚氰胺熔噴材料孔徑分布不均勻，大部分孔徑在9.0～32.0 μm，這與其纖維直徑離散性較大有關；針刺工藝制備的復合濾料因刺針的反復運動會導致大量三聚氰胺熔噴纖維斷裂，形成“釘銷”式結構，故濾料孔徑較大，且分布均勻；水刺對纖維損傷小，且水刺能將部分三聚氰胺熔噴纖維帶入芳綸/芳砜綸混合針刺布的孔隙里，故孔徑較小，且分布較均勻。孔徑狀況的不同也是針刺工藝制備的復合濾料透氣性優于預針刺+水刺工藝制備的復合濾料的原因所在。

2.4 過濾性能

材料的動態過濾性能委托廣州纖維產品檢測研究院采用標準VDI 3926-1∶2004進行測試，測試條件如表6所示。對復合濾料進行吹灰和反沖洗，以模擬整個清灰過程，1次吹灰和1次反沖洗即為1次循環。先對復合濾料測試樣進行30次循環，測試過濾性能；然后對濾料進行人工老化(被測濾料脈沖清灰10 000次,每次間隔5 s)，再進行過濾性能測試。所得濾料的動態過濾性能測試結果如表7所示。

表6 動態過濾性能測試條件

過濾初期，過濾材料的過濾阻力較小。隨著使用時間的增加，細微顆粒物進入并停留在過濾材料內部形成粉塵層，對含塵空氣形成深層過濾，同時過濾阻力增大[15]。從表7可以看出：預針刺+水刺工藝制備的復合濾料比針刺工藝制備的復合濾料的過濾效率更高，粉塵排放濃度更小，這與前者孔徑更小、過濾性能更好有關，但相應的壓差更大。人工老化前，復合濾料的粉塵排放濃度均小于0.10 mg/m3。人工老化后，復合濾料質量有些許增加，這是灰塵殘留在復合濾料中導致的；壓差變大，粉塵排放濃度較人工老化前增加，過濾效率都降低到99.997 0%及以下，這是由于復合濾料經過反復使用后，灰塵在復合濾料表面形成濾餅，還有部分粉塵堵住了部分孔隙，影響了濾料原來的結構。但最終兩種工藝制得的復合濾料的粉塵排放濃度均小于0.20 mg/m3，遠遠小于國家排放標準。試驗表明，將三聚氰胺熔噴材料與芳綸/芳砜綸混合針刺布復合所制得的復合濾料，都可作為新型濾料用于實際生產中，且都具有很好的過濾效率。

表7 過濾性能測試結果

3 結論與展望

預針刺+水刺工藝作用力較柔和，對三聚氰胺熔噴材料損傷??；針刺工藝更易于在纖維網層之間形成牢固的交叉和纏結，但對三聚氰胺熔噴材料破壞較大，刺針會將熔噴纖維刺出纖維網，質量損失較大。兩種工藝制得的復合濾料的粉塵排放濃度均小于0.20 mg/m3，遠小于國家排放標準，過濾效率均達到99.998 0%以上,人工老化后的過濾效率仍可達99.996 0%以上，因此兩種工藝制備的復合濾料都可用于工業化生產，只是今后還需對綜合能耗等問題加以完善。