異面織物基布復合過濾材料的制備及性能研究

摘 要：基布作為過濾材料的支撐體，在不惡化過濾性能的前提下，還需具備良好的機械性能。本研究以異面織物作為濾料基布，制備了三種不同組織結構的基布復合過濾材料，并對復合過濾材料、基布與非織造布的力學性能、孔徑和過濾性能進行了對比分析。結果表明：機織復合過濾材料的斷裂強力較大，斷裂伸長率較小，而異面復合過濾材料首次斷裂的強力略低于機織復合過濾材料，但首次斷裂后仍能保持材料結構的完整性，這是其它幾種過濾材料不具備的；異面復合過濾材料的平均孔徑和透氣率較小，過濾效果較好。

關鍵詞：異面織物；過濾材料；力學性能；孔徑；過濾性能

中圖分類號：TS176.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095－414X（2023）06－0032－06

0" 引言

過濾是一種分離、捕集分散于氣體或液體中顆粒狀物質的過程[1-4]。工業濾料通常不具有良好的機械性能，且需要承受多種極端工作環境，所以在濾料中添加基布的復合過濾材料受到廣泛關注[5-6]。這些復合過濾材料在使用中若出現破損，會立即導致過濾效果的急劇下降或消失[7]，賦予安全生產的自由度較低。因此基布作為濾料的支撐體，不僅不能影響濾料的過濾性能，還要具備優良的機械性能。

前人對復合過濾材料的不同基布進行了大量研究。田菲[8-9]等制備了以緯編雙軸向無縫針織物為基布的過濾材料，并與以機織物為基布的工業濾料進行對比，結果表明，前者在過濾效率、孔隙率和孔徑等方面優于后者。吳佳怡[7]等對四種不同結構復合濾料的形貌、頂破強力和拉伸性能進行了分析，發現針刺提升了復合濾料的力學性能；其中針織雙軸向復合濾料的頂破和拉伸等力學性能最佳，但并未對其過濾性能進行測試。鄭幗[10]等人證明平紋織物作為基布的過濾材料，具備較好的強力、透氣和透濕性能。張惠芳[5，11]等人的研究表明，機織基布在復合過程中受損嚴重而不能充分發揮其結構穩定的優勢；針織物為基布的復合過濾材料的過濾效果好于機織物復合過濾材料。

上述研究[8，12，13]表明，機織物結構穩定，強力較高，但復合過程中易受損傷，針織物孔隙彎曲迂回，有利于提升過濾性能，但尺寸穩定性較差。若將機織和針織兩種結構結合起來，將會克服單一結構的缺陷，同時融合兩種結構的優點，可能獲得更好的過濾效果。

異面織物是一種融合機織和針織結構的織物，該織物將機織組織中緯組織點處緯紗按一定組織規律勾出形成線圈，并使線圈沿經向相互串套編織而成。該異面織物結構中，機織組織和針織組織按組織規律共享某些緯紗，形成的織物一面呈現機織外觀，另一面為針織效應（如圖1）。研究表明該異面織物的電磁屏蔽性能[14]和吸聲性能[12]優于機織物和針織物，其吸聲系數隨緯密和線圈長度的增大而增加[13]；該異面織物比常規的機織物和針織物具有更高的熱阻和濕阻，并且其兩面的熱阻和濕阻顯著不同[15]；該異面織物具有獨特的拉伸性能，可承受二次斷裂[16]。

為探索異面織物作為濾料基布的性能，本研究擬采用不同組織結構（機織物、針織物和異面織物）基布與非織造布針刺制備不同的復合過濾材料。通過對復合過濾材料、基布和非織造布的力學性能、孔徑和過濾性能進行對比分析，為異面織物在過濾材料領域的應用提供理論依據。

1" 實驗部分

1.1" 原料

本實驗采用的紗線均為20S/2的滌綸（賽華紡織制線廠）；非織造布為3dtex的滌綸纖維經針刺工藝制備而成，由鑫達紡織品提供。

1.2" 基布

本實驗中所有基布（機織物、針織物和異面織物）均在半自動小樣織機上織造[17]，結構參數如表1所示，基布結構如圖2所示。

1.3" 復合過濾材料的制備

本實驗涉及的復合過濾材料為“三明治”結構，具體制備方法為：將基布置于上下兩層非織造布之間，然后使用WL-ZGS-Z-Y-BOO型萬隆針刺機（太倉市雙鳳非織造布設備有限公司）對這三層織物進行針刺操作，正反面各針刺1次以保證上下兩層纖維勾取纏結的均勻性[7]。其中刺針型號為15×18×36×3.5 R222 Y4012，刺深為11mm，針刺密度為93刺/cm2，針刺速度為0.9m/min。

1.4" 測試方法

1.4.1" 基本性能

織物厚度根據標準GB/T 3820-1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》進行測試，使用YG141數字式織物厚度儀（武漢國量儀器有限公司），壓腳面積為200mm2、壓力設置為 1kPa、加壓時間為10s，每種樣品隨機測試10次并取平均值。

面密度的測試依據GB/T 4669-2008《紡織品機織物單位長度質量和單位面積質量的測定》，使用MAX-F電子計數稱（五鑫衡器有限公司），樣品尺寸為10cm×10cm，稱重后換算成平方米克重，每種樣品測試數量為5個。

1.4.2" 力學性能

（1）拉伸性能

根據GB/T 3923.1-2013《紡織品織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》，使用E44.104的微機控制電子萬能試驗機（美特斯工業系統有限公司）進行拉伸測試。將試樣裁剪為長25cm、寬5cm的矩形，夾具隔距為200mm，寬度為50mm，測試時拉伸速度為100mm/min，預加張力為5N，停止條件為織物斷裂，經向和緯向各測試5次，結果取平均值。

（2）剝離性能

根據FZ/T 8007.1-2006《使用粘合襯服裝剝離強力測試方法》，使用YG090L型電子剝離強力機（溫州際高檢測儀器有限公司）進行剝離測試。將試樣裁剪成長25cm、寬6cm的矩形，夾持長度為100mm，上、下夾具寬度均為6mm，拉伸速度為100mm/min，起拉力值為0.5N，經向和緯向各測試5次，結果取平均值。

1.4.3" 孔徑

使用MPC-15KβX型孔徑測試儀（寧波紡織儀器廠）進行孔徑測試。將試樣分別裁剪為直徑87mm的圓片，試驗液體為乙醇，氣壓為0.2-0.4kg/cm2每種樣品測試5次，結果取平均值。

1.4.4 過濾性能

（1）透氣率

根據GB/T 5453-1997《紡織品織物透氣性的測定》，使用YG461E-III型全自動透氣量儀（寧波紡織儀器廠）進行透氣性測試。試樣壓差為200Pa，試樣圓臺面積為20cm2，每種樣品測試10次，結果取平均值。

（2）過濾效率

使用LZC-H型濾料綜合性能測試臺（蘇州華達儀器設備有限公司）進行過濾性能測試。測試面積為100cm2，流量為60L/min，每種樣品測試5次，結果取平均值。測量過濾效率的原理為濾料上下風口粒子數，過濾效率采用如下公式計算 [8]：

式中為過濾效率（%），為濾料過濾上風口測得粒子數，為濾料過濾下風口測得粒子數。

2" 結果與討論

2.1" 基本性能

三種復合過濾材料的基本性能如表2所示。針刺復合后，復合過濾材料的面密度沒有顯著變化（p gt; 0.05），厚度小于兩層非織造布與基布的厚度之和。刺針的上下運動雖然對基布的結構有影響，但并不能改變單位面積織物的克重，因而面密度無顯著變化；在針刺過程中，刺針對織物施加擠壓作用，使得三層織物更緊密地結合在一起，降低了織物結構蓬松及毛羽等因素對厚度的影響，從而導致復合過濾材料的厚度有所降低。

2.2" 力學性能

2.2.1" 拉伸性能

試樣的拉伸性能如表3所示。復合過濾材料經向和緯向的斷裂強力稍高于基布和非織造布；機織復合過濾材料的斷裂強力略高于異面復合過濾材料；復合過濾材料經向和緯向斷裂伸長率小于非織造布，與基布差異不顯著（p gt; 0.05）；機織復合過濾材料的拉伸斷裂伸長率小于異面復合過濾材料。由于針織復合過濾材料的伸長過高，不具有實際應用價值，此處不做分析。

復合過濾材料經向和緯向的斷裂強力稍高于基布和非織造布，這是基布和非織造布共同作用的結果。復合過濾材料的斷裂強力由基布的強力、非織造布纖維間的抱合力及纖維與基布紗線間的摩擦力組成[18-19]。由測試結果可以看出，非織造布的斷裂強力遠低于基布，而其斷裂伸長遠高于基布，因此在復合過濾材料受到拉伸破壞時，承受拉伸斷裂的主體為基布，非織造布對強力的貢獻較低，因而復合過濾材料的斷裂強力稍高于基布和非織造布。

機織復合過濾材料的斷裂強力略高于異面復合過濾材料。如上文分析所述，承受拉伸斷裂的主體為基布，因此在一定程度上，基布的拉伸性能決定了復合過濾材料的拉伸性能。前人的研究表明[16]，異面織物的第一個斷裂峰為其中的機織結構所承受，由于針織結構的約束，異面織物下機后緯縮較小，因而其實際經密小于機織物經密，此外異面織物中機織與針織結構共享部分線圈紗，織物中經紗受到的控制較弱，導致異面織物機織結構的斷裂強力略低于機織物，所以機織復合過濾材料的斷裂強力略高于異面復合過濾材料。

機織復合過濾材料的拉伸斷裂伸長率小于異面復合過濾材料。機織物與異面織物中的機織結構拉伸性能接近，但是異面織物的機織結構遭到破壞后，其內的針織結構依然保持完整（見圖3），其伸長率與普通針織物類似，而異面復合過濾材料中的非織造布也具備較高的斷裂伸長率，沒有限制基布的伸長，因而異面復合過濾材料的總斷裂伸長遠高于機織復合過濾材料。該特性可賦予某些應用領域更大的安全空間。

2.2.2" 剝離性能

復合過濾材料的剝離性能測試數據（表4）顯示：機織復合過濾材料的剝離強力最大，異面復合過濾材料次之，針織復合過濾材料最低。由于異面復合過濾材料的針織面和機織面剝離強力差異不顯著（p gt; 0.05），因此表4中對應數據為兩個面的平均值。

在相同針刺工藝的基礎上，剝離強力主要由非織造布中的纖維與基布組織的結合牢度決定，此牢度受基布的緊密程度影響[20-21]。前人的研究表明[17]（如圖1），異面織物的針織面與針織物外觀相同，但受到機織結構經緯紗的控制，其線圈密度相較于針織物更高；異面織物的機織面與機織物外觀相同，但部分緯紗為針織結構的線圈紗，下機后的線圈紗相較普通緯紗更為松散，其與機織結構中的經紗和緯紗的相互控制作用較弱，此外異面織物的下機經密也稍低于機織物（參見上文斷裂強力部分），因而導致異面織物機織面的緊密程度低于普通機織物。基于上述特點，針刺過程中，異面織物機織面與非織造布纖維的結合將會稍弱于機織物，其針織面又會強于針織物。

2.3" 孔徑

所有基布與非織造布經針刺復合后，平均孔徑和最大孔徑均大幅降低；具有針織結構的復合過濾材料，其孔徑降幅較大，其中異面復合過濾材料的平均孔徑和最大孔徑最小（如圖4）。異面織物及其復合過濾材料的針織面和機織面差異不顯著（p gt; 0.05），此處取兩個面的平均值。

經針刺復合的過濾材料孔徑變小的原因在于針刺過程中，刺針對織物的擠壓以及針刺動作帶動部分纖維的轉移而填充孔隙，其密度也在一定程度上佐證了該原因（如表2）。而針織結構一般比機織結構具有更多較大的孔隙，針刺動作可大幅減少該部分孔隙，所以具有針織結構的針織復合過濾材料和異面復合過濾材料孔隙降低幅度大于機織復合過濾材料。此外，針織復合過濾材料的最大孔徑高于其他兩種過濾材料，這是因為針織復合過濾材料基布為緯編針織物，針織物下機后因解除張力而收縮，且線圈串套結構本就多孔迂回，與上下層非織造布針刺復合的部分與纖維相互糾纏，兩者間隙緊密，但中間芯層刺入的散纖維相對較少，因此該部分孔徑較大[9]。

2.4" 過濾性能

2.4.1" 透氣率

復合過濾材料的透氣率小于基布和非織造布；異面復合過濾材料的透氣率最小（如表5）。異面織物及其復合過濾材料的針織面和機織面差異不顯著（p gt; 0.05），因此測試結果取兩個面的平均值。復合過濾材料的透氣性基本符合上文的孔徑規律，因為織物的透氣性主要由織物內孔隙結構、尺寸和數量等決定[19，22]。其中針織復合過濾材料的透氣率略有不同，從其孔徑看，最大孔徑甚至超過了未經針刺的非織造布（原因參見上文孔徑部分），另外針織物結構較為松散，針刺后刺針留在織物中的孔隙不能在織物內應力（紗線和纖維間的擠壓）的作用下大幅減小或消失，從而最終導致透氣率較高。

為使各試樣的透氣性具有可比性，將各試樣的透氣率使用厚度和面密度進行標準化處理[12-13]，結果表明，在厚度和面密度相同的情況下，異面織物及其復合過濾材料也具有更小的透氣率。

2.4.2" 過濾效率

復合過濾材料的過濾效率高于基布和非織造布，異面復合過濾材料的過濾效率最高，如表6所示。異面織物及其復合過濾材料的針織面和機織面差異不顯著（p gt; 0.05），因此測試結果取兩個面的平均值。

復合過濾材料的過濾效率高于基布和非織造布，符合透氣率的測試結果。復合過濾材料的結構由上、中、下三層織物構成，內部纖維立體交錯排列，與基布相互纏結，孔隙不規則且孔道曲折，增加了顆粒的通過難度，因此前者的過濾效率高于基布和非織造布[23]。另外，針織復合過濾材料由于具有較大的最大孔徑，其對較小粒徑顆粒的過濾略低于機織復合過濾材料，但對較大粒徑顆粒的過濾效果與后者相差不大。

3" 結論

本文對針織、機織和異面復合過濾材料的性能進行了研究，發現異面復合過濾材料的多項性能均好于其他兩種材料。

復合過濾材料的斷裂強力高于基布和非織造布，并具有較好的尺寸穩定性；機織復合過濾材料的斷裂強力較大，斷裂伸長率較小；雖然異面復合過濾材料首次斷裂強力略低于機織復合過濾材料，但首次斷裂后仍能保持材料的完整性。

復合過濾材料的過濾效率高于基布和非織造布；異面復合過濾材料的平均孔徑和透氣率較小，過濾效果較好。

綜上所述，異面復合過濾材料不僅具有獨特的力學性能，還具備優異的過濾性能，在特種過濾領域可能具有較大的潛在應用價值，本文的研究可對此類應用提供理論參考。

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Research on the Preparation and Properties of Composite Filter Materials

with a Base of Bifacial Fabrics

BAI Meng-qianga， LI Yanga， ZHU Li-chenga， b

（a. National Local Joint Engineering Laboratory for Advanced Textile Processing and Clean Production;

b. Key Laboratory of Textile Fiber and Products， Ministry of Education， Wuhan Textile University， Wuhan Hubei 430200， China）

Abstract： As the support body of the filter material， the base fabric needs to have good mechanical properties without deteriorating the filtration performance. In this study， three kinds of composite filter materials with different structure were prepared by using bifacial fabrics as filter material base fabric， and the mechanical properties， pore size and filtration properties of composite filter materials， base fabric and nonwoven fabric were compared and analyzed. The results show that the woven composite filter material has larger breaking strength and smaller elongation at break， while the first breaking strength of the bifacial composite filter material is slightly lower， but the integrity of the material can still be maintained after the first breaking. The mean pore size and air permeability of bifacial composite filter material are smaller， and its filtration effect is better.

Key words： Bifacial fabrics; filter material;mechanical properties; pore size;filtration properties

（責任編輯：周莉）