汽車空調(diào)過濾用PET短纖熱軋／熔噴復(fù)合非織造布的研究

葉 婷，吳海波

（東華大學(xué)，上海 201620）

在汽車行駛過程中，從汽車空調(diào)通風(fēng)管道或是車窗外會進(jìn)入許多肉眼看不見的細(xì)小微粒等。當(dāng)車窗關(guān)閉，開啟空調(diào)系統(tǒng)時，沒有安裝空調(diào)過濾器的車輛車廂會進(jìn)入含有雜質(zhì)的空氣，這些雜質(zhì)不僅會使空調(diào)系統(tǒng)因發(fā)霉而產(chǎn)生異味，而且還會降低空調(diào)系統(tǒng)的工作效能，使用空調(diào)過濾器就會輕而易舉地解決上述問題［1］。

汽車空調(diào)過濾器趨向于開發(fā)吸收性良好的過濾材料，以濾去不同級別的粉塵顆粒，并吸收異味以及可揮發(fā)性的有機(jī)氣體。汽車空調(diào)過濾器屬于一次性產(chǎn)品，為不影響進(jìn)氣質(zhì)量，在駕駛通風(fēng)6個月后需要進(jìn)行更換，這就使得汽車空調(diào)過濾器銷量具有很大的市場空間。

我國汽車空調(diào)過濾器主要依靠進(jìn)口，國內(nèi)也有少量廠家生產(chǎn)，但大多規(guī)模小，生產(chǎn)能力低，產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性、性能及技術(shù)水平與世界上一些大生產(chǎn)廠家相比，還有較大的差距。有些廠家生產(chǎn)的過濾產(chǎn)品的過濾效率僅為2%～10%，幾乎起不到過濾的作用。因此研究出高效價廉的過濾材料是非常必要的。熔噴法非織造布的纖維細(xì)度可達(dá)到2～5μm，纖網(wǎng)呈三維孔徑，孔隙率高，常被用作高效過濾材料。但其強(qiáng)力低，難以單獨(dú)使用，所以在本研究中將熔噴布與短纖熱軋非織造布復(fù)合，以期同時滿足強(qiáng)力、過濾效率和阻力方面的要求。

1 熔噴法聚丙烯非織造布的過濾機(jī)理

熔噴非織造布的結(jié)構(gòu)蓬松，纖維間都是通過自粘合粘結(jié)的，因此可以把它的過濾作用視為許多孤立圓柱體過濾的綜合結(jié)果。對于熔噴過濾材料，推斷其過濾過程為：微粒首先被纖維捕集，隨著微粒數(shù)積聚增加后，累計微粒的尺寸逐漸增大，使纖維間的空隙阻塞。這時，微粒既會落在纖維上，又可能落到已有微粒積聚的纖維空隙處，兩種方式同時起過濾作用。

熔噴纖網(wǎng)對空氣的過濾過程主要是穩(wěn)定過濾過程。在該過程中過濾器對微粒的捕集效率阻力是不隨著時間變化的，主要由過濾器的固有結(jié)構(gòu)、微粒、氣流決定。在穩(wěn)定過濾過程中，纖維的過濾作用是重力沉積效應(yīng)、慣性沉積效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)、直接捕獲和靜電吸附的綜合作用的結(jié)果，如圖2所示［2］。

圖1 熔噴法非織造布過濾機(jī)理

2 影響熔噴非織造布過濾效率的主要因素

2.1 纖維直徑

纖維直徑是影響過濾材料的過濾效率和阻力的重要參數(shù)之一。當(dāng)纖網(wǎng)其他參數(shù)不變時，纖維直徑越小，其表面積越大，對微粒的阻截、吸附效果越好，過濾效率提高。

2.2 纖網(wǎng)孔徑

纖網(wǎng)孔徑大小和分布決定表面過濾效果的好壞。在一定的范圍內(nèi)，濾材過濾系數(shù)與孔徑成反比。因此，為了提高過濾效率，必須盡量降低濾材孔徑?？赏ㄟ^調(diào)整熔噴工藝參數(shù)得到超細(xì)纖維的熔噴非織造布，或?qū)Ψ强椩觳歼M(jìn)行熱軋加工從而降低濾材孔徑。但濾材孔徑太小時又會引起過濾阻力增加，因此應(yīng)綜合考慮其他參數(shù)設(shè)計［3］。

2.3 纖網(wǎng)厚度

纖網(wǎng)的厚度增加，則整體容塵量增加。但濾材厚度并非越厚越好，濾材太厚會引起壓損迅速增加，使得過濾器運(yùn)轉(zhuǎn)困難，得不償失。要合理設(shè)計濾材厚度，可以考慮運(yùn)用過濾過程模型來輔助設(shè)計，同時兼顧過濾器的使用場合和目的，在微粒、粉塵含量不高時，設(shè)計纖網(wǎng)厚度可考慮減小厚度。

3 熔噴實驗方案設(shè)計及結(jié)果分析

影響熔噴產(chǎn)品最終過濾性能的工藝參數(shù)很多，如原料的熔體指數(shù)MFI、模頭熔體擠出量、噴絲孔的形狀、熱空氣的壓力和接收距離等。這些參數(shù)之間有交互作用，因此熔噴工藝參數(shù)的研究是非常復(fù)雜的［4］。

3.1 試驗原料

熔噴實驗原料采用Y2600T 聚丙烯PP 材料，熔點(diǎn)為165℃，熔融指數(shù)MFI=35g／10min，灰份≤0.03%，等規(guī)指數(shù)≥96%。PP具有良好的力學(xué)性能，抗彎曲疲勞性很突出，耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性都很好。

3.2 生產(chǎn)過程

在實驗過程中，螺桿擠出機(jī)和模頭采用的工藝溫度見表1。

其他工藝參數(shù)：接收成型滾筒有效幅寬1m，噴嘴最高溫度為340℃；接收輥筒轉(zhuǎn)速：18rpm；螺桿變頻轉(zhuǎn)速：3.25rpm；噴絲板共187個孔，孔距：0.8 mm；接收滾筒橫動速度為329.9cm／min，來回一次所需時間約為100s。

表1 熔噴生產(chǎn)工藝溫度

3.3 試驗工藝參數(shù)設(shè)計

在本試驗中，對試樣的面密度、熔噴纖維直徑以及厚度等物理結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行測試，分析在熔噴過程中聚合物擠出量、拉伸熱空氣壓力、接收距離和平動次數(shù)這四個工藝參數(shù)對試樣物理結(jié)構(gòu)的影響，具體參數(shù)設(shè)計見表2。

表2 熔噴工藝參數(shù)設(shè)計

對上述單因子水平實驗進(jìn)行正交設(shè)計，其工藝參數(shù)因子水平表如表3所示。

表3 熔噴工藝參數(shù)因子水平表

在保證使用有代表性的樣本來最真實地反映總體情況的前提下根據(jù)正交實驗方法，對四因子三水平可以采用L9（34）表來設(shè)計實驗，正交實驗設(shè)計及熔噴產(chǎn)品性能測試如表4所示。

表4 正交實驗設(shè)計表

根據(jù)表4正交試驗表，運(yùn)用極差分析方法，得出以下結(jié)論：以面密度為評測指標(biāo)時，較佳工藝為A3B2C2D3，這樣生產(chǎn)出來的試樣面密度較大；以厚度為評測指標(biāo)時，較佳工藝為A3B3C1D3，這樣生產(chǎn)出來的試樣厚度較大；以纖維的平均直徑為評測指標(biāo)時，較佳工藝為A1B3C1D3，即拉伸空氣壓力為0.4 MPa，這樣出來的試樣熔噴纖維平均直徑比較小。

試驗結(jié)果表明，影響厚度和面密度大小的首要顯著性因子是平動次數(shù)。熔噴工藝參數(shù)對纖維直徑的影響表現(xiàn)為，隨著接收距離的減小，聚合物流量的降低以及空氣壓力的增大，纖維直徑呈下降趨勢，且分布更加集中。所得優(yōu)化參數(shù)：聚合物擠出量10g／min，空氣壓力0.4 MPa，接收距離300mm，平動次數(shù)3。

4 熱軋復(fù)合

熔噴非織造布強(qiáng)度低，硬挺度差，不能作為過濾材料單獨(dú)使用，所以我們通過把熔噴非織造布和PET 短纖熱軋布熱軋復(fù)合來彌補(bǔ)熔噴布的缺陷，使復(fù)合后的產(chǎn)品兼有高的強(qiáng)度及硬挺度，又有好的過濾性能和透氣性。

PET 短纖熱軋非織造布在過濾材料中作為基材，其基本性能參數(shù)如表5所示。

表5 PET短纖熱軋非織造布基本性能測試

4.1 熱軋復(fù)合方式

兩層65g／m2的PET 短纖熱軋非織造布的基布加一層熔噴布（樣品號A1～A9），熱軋／熔噴／熱軋，類似于SMS結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 熱軋／熔噴／熱軋結(jié)構(gòu)

第一層的熱軋非織造布能夠先過濾掉粒徑比較大的顆粒，減輕熔噴非織造布的過濾負(fù)擔(dān)，配合起到分級過濾效應(yīng)；第二層的熱軋非織造布主要起支撐保護(hù)作用，同時增加整個濾材的硬挺度、強(qiáng)力和耐磨性。既能達(dá)到高效過濾的目的，又可以更好地保護(hù)熔噴纖網(wǎng)，而且有利于后道打摺加工。

本文中熱軋粘合過程分為兩個階段。第一階段，對一個試樣改變熱軋工藝，找到最佳熱軋工藝條件；第二階段，在最佳熱軋工藝條件下，對9個試樣進(jìn)行熱軋，測試熱軋復(fù)合后材料的相關(guān)性能。

4.2 最佳熱軋工藝研究

以試樣A1為代表，選擇對材料性能產(chǎn)生影響的人為可調(diào)的熱軋溫度、熱軋壓力及熱軋時間三個工藝參數(shù)對A1熱軋，找出最佳熱軋工藝條件，工藝參數(shù)設(shè)計見表6。

表6 熱軋工藝參數(shù)設(shè)計

根據(jù)表6的實驗數(shù)據(jù)對照分析可知，在160℃熱軋溫度條件下，材料的平均孔徑比較小，對小粒徑微粒的攔截效果好，有利于提高過濾效果；但是，材料的透氣量相對較小，在800mm／s左右，透氣量越小，過濾阻力就會越大。對于汽車空調(diào)過濾材料來說，過濾阻力大就意味著發(fā)動機(jī)的能耗大，同時會影響到空調(diào)的制冷或制熱的工作效率，所以要綜合考慮材料的透氣性和孔徑大小。在90℃熱軋溫度條件下，材料的透氣性和孔徑方面也都沒有明顯的優(yōu)勢。熱軋溫度為115℃時，材料的透氣量有比較明顯的上升；熱軋時間從30s增大到60s時，孔徑變化不太明顯，但是透氣量下降了大約200 mm／s；熱軋壓力從1 MPa增大到1.5 MPa時，孔徑和透氣量都有所下降。綜合分析考慮，選擇的最佳熱軋工藝條件為：115℃，30s，1MPa。

4.3 熱軋后產(chǎn)品性能測試分析

在上一階段選擇的最佳熱軋工藝條件下（即115℃，30s，1 MPa），對9 個試樣A1～A9，分別進(jìn)行熱軋復(fù)合，并測試復(fù)合后各個試樣的面密度、厚度、拉伸強(qiáng)力、透氣量和孔徑大?。?］（見表7），然后對應(yīng)各試樣的熔噴工藝參數(shù)表征和分析復(fù)合材料的過濾性能。

結(jié)合表4中熔噴纖網(wǎng)的性能測試結(jié)果，對表7中復(fù)合后材料的性能進(jìn)行分析可知：

（1）復(fù)合后的過濾材料具有很好的拉伸強(qiáng)度和抗變形能力，彌補(bǔ)了熔噴過濾材料存在的力學(xué)性能和耐磨性能的不足。

（2）復(fù)合過濾材料保持了熔噴非織造布高效低阻的過濾特性，過濾效率均在40%～50%，基本滿足了設(shè)計需求，能夠過濾掉大半的粉塵微粒，但是對小粒徑微粒的過濾精度不高，仍需繼續(xù)改進(jìn)；此外，材料的平均孔徑越小，過濾效率就越高；透氣量越低，過濾阻力就越大。

表7 熱軋復(fù)合產(chǎn)品性能測試

（3）復(fù)合材料中所含的熔噴纖網(wǎng)的含量越高，纖網(wǎng)中纖維直徑越小，復(fù)合濾材的過濾效率越高。

5 結(jié)語

熔噴工藝中，影響厚度和面密度大小的首要顯著性因子是平動次數(shù)。隨著接收距離的減小、聚合物流量的降低以及空氣壓力的增大，纖維直徑都是呈下降趨勢，纖維直徑分布更加集中。

材料經(jīng)熱軋復(fù)合后，拉伸強(qiáng)力、透氣性和平均孔徑都發(fā)生改變。復(fù)合過濾材料既保持了熔噴非織造布高效低阻的過濾特性，又具有短纖熱軋非織造布較高的力學(xué)性能。測試結(jié)果表明：過濾效率隨著纖維直徑、纖網(wǎng)孔徑的減小而增大，隨著厚度的增大而提高，過濾阻力隨著纖維直徑、厚度的增大而提高。對于0.3μm 的粒子，短纖熱軋／熔噴／短纖熱軋的過濾效率可達(dá)到50%～60%，基本達(dá)到設(shè)計要求。

［1］錢程.汽車空調(diào)過濾器及其最新進(jìn)展［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2009，（3）：2.

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