針刺密度對紡黏長絲針刺靜電棉過濾性能品質因子的影響

梁荷葉 陳致帆

1. 內蒙古浦景聚合材料科技有限公司,內蒙古 包頭 014060;2. 上海精發實業有限公司,上海 201505

在由呼吸道傳染病引起的全球突發性公共衛生事件背景下,健康的室內環境、空氣質量”已成為大眾不容忽視的問題,勤開窗通風已成為人們的日常生活習慣[1-3]。隨著經濟的發展,工業化污染越來越嚴重,空氣質量明顯下降,這給人們的生活和身體健康帶來不良影響。眾所周知,空氣中存在眾多細微物粉末及大量粉塵顆粒。這些粉塵顆粒質量小,在流動的室內空氣中處于漂浮狀態,影響人體健康,而人們平均每天在室內的時間占全天時間的80%以上,室內環境狀況對人體健康的影響不容忽視。使用個體防護裝備與室內空氣凈化過濾材料如針刺靜電棉等,可從物理層面降低室內空氣中粉塵顆粒物濃度,提高室內環境質量,為人們的健康增添一份保障[4-6]。國家生態環境部于2021年9月發布的《中國移動源環境管理年報》中提到,2020年,全國機動車4項污染物排放總量為1 593.0萬t,其中,一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、顆粒物(PM)排放量分別為769.7萬t、190.2萬t、626.3萬t、6.8萬t。汽車尾氣排放是污染物排放總量的主要來源,其排放的CO、HC、NOx和PM量超過90%。

滌綸、丙綸等纖維原料常用于制作填充保溫材料、隔熱材料、水族過濾材料,也用于制作口罩、室內空氣凈化設備用針刺靜電棉過濾材料[7-8]。與相同面密度的普通針刺棉相比,針刺靜電棉具有過濾效率和過濾精度更高,過濾阻力更小,容塵量更大,使用壽命更長的優點[9-10]。市面上常見的針刺靜電棉制備流程復雜,包含開包、初開松、混棉、精開松、梳理、鋪網、預刺、主刺、修面針刺和收卷等工序[11]。其主要技術難點涉及纖維前處理技術、帶靜電纖網加工技術、駐極技術和靜電荷保持技術等[12]。國外也僅有少數公司具備生產針刺靜電棉的能力,且產品價格高昂,強力低,拉扯易變形,嚴重影響下游廠商的上機適應性[13-14]。

目前有關長絲針刺靜電棉的研究報道甚少。基于此,本文采用聚丙烯樹脂摻配一定比例的靜電駐極母粒,選用熔融紡絲法制備紡黏長絲輕軋非織造基布,針刺過程中在打開輕軋點的同時加固基布,調整針刺工藝參數賦予產品一定的拉伸強力,再采用高壓駐極工序制備紡黏長絲針刺靜電棉。本文的紡黏長絲針刺靜電棉制備工藝流程短,效率高,操作性強,產品在具有低阻力的同時可獲得較高的過濾效果。研究對紡黏長絲針刺靜電棉的規模化生產具有一定的參考價值。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

聚丙烯樹脂顆粒,市售,負荷21.168 N、230 ℃下熔融指數為38 g/(10 min);國產靜電駐極母粒,市售,添加量(相對于聚丙烯樹脂顆粒的質量分數)為6%,其有效成分為納米級滑石粉。

1.2 紡黏長絲針刺靜電棉生產工藝

紡黏長絲針刺靜電棉生產工藝流程如圖1所示。

1—單螺桿擠出機;2—熔體過濾器;3—計量泵;4—紡絲組件;5—長絲纖網;6—軋機輥;7—刺針;8—剝毛輥;9—拖網板;10—駐極絲。

混合了靜電駐極母粒的聚丙烯樹脂顆粒由料斗喂入后,經單螺桿擠出機擠壓成均勻的熔體。熔體經熔體過濾器除雜后,由計量泵準確計量后流入紡絲組件,熔體出噴絲板形成初生長絲。在冷風箱體出風帶動下,初生長絲表面多余的熱量被帶走并受牽伸氣流拽曳而被抽長拉細,伴隨著網簾底部抽吸風作用,在成網機構上形成蓬松的紡黏長絲纖網。再由網簾向前輸送喂入熱軋機組,調節軋機上輥和下輥之間的間隙及上下軋輥溫度,使蓬松纖網內的大量空氣被擠出,纖網結構變得更密實,形成具有一定強力的紡黏長絲輕軋非織造布。紡黏長絲輕軋非織造布制備工藝參數如表1所示。

表1 紡黏長絲輕軋非織造布的制備工藝參數

在導布輥帶動下,紡黏長絲輕軋非織造布被喂入針刺機構,待刺紡黏長絲輕軋非織造布被夾持在剝毛輥和拖網板之間。調節夾持間隙使非織造布經針刺后可以順利從刺針上剝離,調節刺針的刺入深度使紡黏長絲輕軋非織造布的輕軋點在打開的同時,纖維在刺針刺鉤的帶入下在紡黏長絲輕軋非織造布中形成纖維銷釘,從而完成機械加固,賦予非織造布基布一定的強力。

針刺后的非織造布在導布輥傳動下繞到駐極絲下方的駐極架導輥上,調整高壓駐極發生器電壓和駐極距離,將電荷注入針刺非織造布中,再經分切收卷得到紡黏長絲針刺靜電棉。

1.3 不同針刺工藝參數試驗方案

如表2所示,選擇面密度分別為80、95和110 g/m2的紡黏長絲輕軋非織造布作為基布制備紡黏長絲針刺靜電棉,基布中長絲的平均直徑為17 μm。為探究相同基布面密度、纖網輸出速度與針刺深度條件下,針刺頻率對紡黏長絲針刺靜電棉過濾性能品質因子的影響,設計了1、2、3號試驗進行對比。同理,為探討針刺深度的影響,設計了2、4、5號試驗進行對比。為探討纖網輸出速度的影響,設計了3、6、7號試驗進行對比。為探討面密度的影響,設計了8、9、10號試驗進行對比。此外,每組試驗均探討了刺針型號對紡黏長絲針刺靜電棉性能的影響,方案編號中,“42#” “40#” “38#”分別表示采用42號、40號和38號刺針。具體針刺工藝參數設計如表2所示。各試驗方案在靜電駐極工序采用的駐極工藝參數相同,其中,駐極發生器電壓均為45 kV,駐極距離均為7.5 cm。

表2 針刺工藝參數設計

針刺過程涉及的工藝參數較多,為探討針刺頻率、纖網輸出速度等因素對紡黏長絲針刺靜電棉過濾性能的影響,更全面地評價針刺效果,本文引入針刺密度概念。針刺密度的計算式如式(1)。由式(1)可知,針刺頻率增大,針刺密度增加;纖網輸出速度增大,針刺密度減小。從式(1)還可以看出,紡黏長絲輕軋非織造基布的面密度與針刺深度并未涵蓋在計算式中,為此,需對這兩個因素單獨分析。

(1)

式中:D——針刺密度,次/cm2;

N——植針密度,枚/m;

n——針刺頻率,次/min;

v——纖網輸出速度,m/min。

眾所周知,紡黏長絲針刺靜電棉濾料在實際應用過程中需考核的核心指標是過濾性能,即期望其在具有低阻力的同時具備良好的顆粒物攔截效果(過濾效率)。這是針刺靜電棉產品優勢所在,亦是行業面臨的技術難點。為方便綜合評價紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能,引入濾料過濾性能品質因子用以表征過濾性能。

(2)

式中:f——過濾性能品質因子,Pa-1;

μ——過濾效率,%;

P——阻力,Pa。

1.4 性能參數測試

1.4.1 面密度

采用FA2004A型電子天平,依據GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第1部分:單位面積質量的測定》測試紡黏長絲輕軋非織造布的面密度。

1.4.2 過濾性能

采用美國TSI 8130A型自動濾料檢測儀測試,流速為32 L/min,氯化鈉氣溶膠粒子直徑為0.26 μm。根據GB 19083—2010《醫用防護口罩技術要求》測試紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能。

2 結果與分析

調整針刺工藝參數得到不同針刺密度下制備的紡黏長絲針刺靜電棉產品,其過濾性能測試結果與過濾性能品質因子計算結果見表3。

表3 紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能

2.1 針刺頻率的影響

針刺頻率對紡黏長絲針刺靜電棉過濾性能品質因子的影響如圖2所示。由圖2可以看出,采用42號和40號刺針,制備的紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能品質因子隨著針刺頻率的增大呈上升趨勢,且40號刺針的針刺效果明顯優于42號和38號刺針的。針刺頻率為667 次/min,采用40號刺針制備的紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能品質因子高達0.43 Pa-1,此時其過濾效率僅為79%(表3);而采用42號刺針,在針刺頻率為476 次/min時即可獲得過濾效率達83%的紡黏長絲針刺靜電棉,且由式(1)可知,在其他因素相同的情況下,針刺密度隨針刺頻率的增加而增加,選用40號和42號刺針,有助于提高靜電棉的過濾性能品質因子,且采用40號刺針,其產品的過濾性能品質因子增長率高于采用42號刺針的。紡黏長絲輕軋非織造基布表面留有軋點,隨著針刺頻率的增大,軋點在刺針的鉤帶作用下解開黏合點,鉤帶起的長絲從平面被壓實的狀態轉變為蓬松且雜亂態,增加了氣流通道的復雜度,從而提高了顆粒物碰撞截留的概率,進而使顆粒物易于被電荷吸附攔截,直觀表現為過濾效率增大。然而,針刺頻率過大會導致鉤刺穿插過度,纖網中的纖維斷裂增加,同時針痕空隙增大,產生的粉塵、碎屑導致紡黏長絲針刺靜電棉的過濾效率降低。由表3可以看出,針刺頻率的改變對紡黏長絲針刺靜電棉過濾效率的影響較大。綜合考量后認為,試驗方案2-40#較佳。

圖2 不同針刺頻率下紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能品質因子

2.2 針刺深度的影響

在針刺密度恒定為50 次/cm2條件下,探討針刺深度對紡黏長絲針刺靜電棉過濾性能品質因子的影響。不同針刺深度下紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能品質因子測試與計算結果如圖3所示。由圖3可以看出,3種型號刺針制備的紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能品質因子均呈現出先升后降的趨勢。針刺深度為4 mm時制備的紡黏長絲針刺靜電棉過濾性能品質因子較高,尤其是采用40號刺針制備的紡黏長絲針刺靜電棉。針刺動作的下行過程中,紡黏長絲輕軋非織造基布中的長絲在刺針刺鉤的鉤帶作用下彼此纏結,形成牢固的針刺點。然而,針刺深度過大易導致長絲移動困難,甚至被拉扯斷裂,從而造成紡黏長絲針刺靜電棉表面結構松散,刺針痕跡明顯,這不利于過濾效果的提升。由表3可知,不同針刺深度紡黏長絲針刺靜電棉的過濾效率在75%和83%的范圍內波動。綜合分析針刺深度對紡黏長絲針刺靜電棉過濾性能的影響可知,采用試驗方案2-40#制備的紡黏長絲針刺靜電棉的性能較佳,即采用40號刺針,在針刺深度為4 mm、針刺頻率為476次/min、纖網輸出速度為5 m/min條件下制備的紡黏長絲針刺靜電棉過濾性能較好,過濾性能品質因子高達0.39 Pa-1,過濾效率達81%。

圖3 不同針刺深度下紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能品質因子

2.3 纖網輸出速度的影響

纖網輸出速度對紡黏長絲針刺靜電棉過濾性能品質因子的影響如圖4所示。由圖4可以看出,3種型號刺針制備的紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能品質因子均呈現出逐漸下降的趨勢,但采用40號刺針制備的紡黏長絲針刺靜電棉,其過濾性能品質因子仍高于采用42號和38號刺針制備的。選用40號刺針,在其他因素不變的情況下,隨著纖網輸出速度的增加,針刺密度減小,紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能品質因子從0.43 Pa-1降低至0.28 Pa-1,但過濾效率變化不明顯,為79%～81%。由式(1)可知,針刺密度隨纖網輸出速度的增加而下降,意味著單位面積紡黏長絲輕軋非織造基布上,輕軋點被解開的概率減小,軋點解黏不徹底,沒有被充分拉扯開,軋點未解開處長絲被壓實,這相對于已解開呈蓬松狀態的紡黏長絲針刺靜電棉,無疑會增加濾料過濾時的阻力。在過濾效率相近的情況下,由式(2)可知,靜電棉的過濾性能品質因子下降。由表3可以看出,在其他參數相同的情況下,纖網輸出速度對過濾效率的影響不明顯。綜合分析纖網輸出速度對紡黏長絲針刺靜電棉過濾性能的影響可知,采用試驗方案6-40#較佳,由該方案制備的紡黏長絲針刺靜電棉的過濾效率為81%。

圖4 不同纖網輸出速度下紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能品質因子

2.4 面密度的影響

針刺密度恒定為50 次/cm2,將紡黏長絲輕軋非織造布基布面密度由80 g/m2增至110 g/m2,探討面密度對紡黏長絲針刺靜電棉過濾性能品質因子的影響。不同基布面密度的紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能品質因子如圖5所示。由圖5可以看出,隨著基布面密度的增大,紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能品質因子呈下降趨勢,從0.41 Pa-1降低至0.26 Pa-1。而由表3可知,隨著基布面密度增大,紡黏長絲針刺靜電棉的過濾效率逐漸增大,由83%增大至86%,增加不足4個百分點,而濾阻則從4.3 Pa增加至7.5 Pa,增加了近70%,表明基布面密度增大可在一定程度上提高紡黏長絲針刺靜電棉的過濾效率,但濾阻增速遠高于過濾效率的增速。相同條件下,單純依靠增加濾料面密度并不會增加氣流通道的復雜度,只能相對微弱地增加粒子縱向貫通行經路線的長度,對提升過濾效率有些許幫助,但由此造成的濾阻的顯著增加卻不利于濾料過濾性能品質因子的提高。綜合而言,增大紡黏長絲針刺靜電棉面密度,僅能夠在物理層面上增加濾料對顆粒物的布朗擴散、慣性沉積和重力沉降等攔截效應,對最終過濾效果的提升并不顯著。

圖5 不同基布面密度的紡黏長絲針刺靜電棉的過濾性能品質因子

3 結論

在聚丙烯樹脂顆粒中摻配一定比例的靜電駐極母粒,通過熔融紡絲法制備不同面密度紡黏長絲輕軋非織造布,再經針刺和駐極工序制備紡黏長絲針刺靜電棉。該制備方法具有工藝流程短、效率高、操作性強的特點,所得紡黏長絲針刺靜電棉在具有低阻力的同時具備較高的過濾效率。

綜合分析針刺密度對紡黏長絲針刺靜電棉過濾性能品質因子的影響可知,采用試驗方案2-40#制備的紡黏長絲針刺靜電棉性能較佳,即選用40號刺針,在針刺深度為4 mm、針刺頻率為476 次/min、纖網輸出速度為5 m/min、針刺密度為50次/cm2的條件下制備的紡黏長絲針刺靜電棉過濾性能較好,過濾性能品質因子高達0.39 Pa-1,過濾效率為81%。

紡黏長絲輕軋非織造基布面密度增大可在一定程度上提高紡黏長絲針刺靜電棉的過濾效率,但濾阻增速遠高于過濾效率的增加,過濾性能品質因子下降。