纖維截面形狀對(duì)針刺濾料性能的影響

陳蘭蘭 張初陽(yáng) 殷保璞

東華大學(xué)紡織學(xué)院， 上海 201620

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纖維截面形狀對(duì)針刺濾料性能的影響

陳蘭蘭 張初陽(yáng) 殷保璞

東華大學(xué)紡織學(xué)院， 上海 201620

采用針刺加固法對(duì)不同截面形狀的纖維進(jìn)行加工制得非織造濾料，對(duì)針刺濾料的表面結(jié)構(gòu)、孔徑分布、孔隙率和過(guò)濾性能進(jìn)行試驗(yàn)。研究表明，在原料、面密度、加固工藝相同的條件下，由扁平截面纖維制得的濾料比圓形截面纖維制得的濾料具有更好的過(guò)濾性能，故扁平截面纖維針刺濾料具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。

扁平截面，圓形截面，針刺濾料，過(guò)濾性能

近年來(lái)，有關(guān)空氣污染的報(bào)道越來(lái)越多，引起了人們對(duì)生活環(huán)境的關(guān)注，相關(guān)的大氣污染標(biāo)準(zhǔn)也不斷更新提高。作為空氣凈化領(lǐng)域的主力，袋式除塵器的應(yīng)用越來(lái)越普遍，濾料的性能也在不斷提升[1]。目前，用于制造濾料的有機(jī)化學(xué)纖維有聚丙烯纖維、丙烯腈均聚體纖維、聚酯纖維、聚苯硫醚纖維、P84纖維、聚四氟乙烯纖維等，無(wú)機(jī)纖維包括玻璃纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、不銹鋼纖維等。其中，聚丙烯纖維以其質(zhì)輕、價(jià)廉、易加工等優(yōu)點(diǎn)，成為使用最廣泛的纖維。聚丙烯纖維制造濾料的加工工藝多種多樣，相應(yīng)產(chǎn)品的過(guò)濾效率也各不相同。

目前，對(duì)濾料的開(kāi)發(fā)接近一個(gè)至高點(diǎn)，因而濾料的研究需要尋找新的途徑和方向。本文用兩種不同截面形狀的纖維，采用相同的生產(chǎn)工藝制得針刺濾料，然后分析比較兩種濾料的過(guò)濾性能。

1 試驗(yàn)材料及濾料制備

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用的原料是扁平截面和圓形截面的聚丙烯纖維，其傅氏紅外光譜(FTIR)圖如圖1所示。圖1(a)為扁平纖維，其峰值為840.50、997.53 cm-1，圖1(b)為圓形纖維，其峰值為840.86、 997.60 cm-1，均為聚丙烯的特征峰值。兩者的平均直徑都為15～30 μm，圖2為兩種纖維的掃描電鏡(SEM)照片。

圖1 兩種纖維的FTIR圖

圖2 兩種纖維的SEM照片

1.2 濾料制備

針刺濾料的加工工藝流程：纖維抗靜電處理→開(kāi)松→混合→成網(wǎng)→預(yù)針刺→主針刺→后整理→成品。

2 濾料的物理和力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)針刺濾料進(jìn)行表觀(guān)形態(tài)、面密度、透氣性、孔徑及過(guò)濾效率的測(cè)試。

采用FA 2004 A 型電子天平測(cè)試試樣的質(zhì)量，然后計(jì)算得到面密度，參考GB/T 24218.1—2009；采用YG141N型數(shù)字式織物厚度儀測(cè)試厚度，載荷為0.5 kPa，參考GB/T 24218.2—2009；采用YG026B型電子織物強(qiáng)力機(jī)測(cè)試強(qiáng)度，試樣尺寸為200 mm×50 mm，參考GB/T 24218.3—2010；采用YG461E型電腦式透氣性測(cè)試儀測(cè)試透氣性，壓差定為200 Pa，測(cè)試面積為20 cm2，10號(hào)噴嘴，參考GB/T 5453—1997；采用Porous Materials 公司的CFP-110-AI型孔徑儀測(cè)試孔徑，參考ISO 4003—1977；采用TSI8130型自動(dòng)濾料檢測(cè)儀測(cè)試過(guò)濾效率，參考GB 2626—2006。

2.1 表觀(guān)形態(tài)

圖3為兩種濾料表面結(jié)構(gòu)的SEM照片。從圖3(a) 可以看出，經(jīng)過(guò)針刺后，部分纖維在縱向上發(fā)生了分裂，出現(xiàn)大量纖維原纖化。這是因?yàn)楸馄浇孛胬w維受到刺針的作用比較容易，被針刺的概率更大。在針刺過(guò)程中，刺針的作用頻率很高，而且刺針的針尖和針身的外側(cè)還附有很多鉤刺，當(dāng)這些針尖反復(fù)作用于扁平狀纖維時(shí)，刺穿纖維而沒(méi)有將纖維刺斷，使纖維出現(xiàn)縱向分裂形成更細(xì)的纖維，從而形成異纖度纖網(wǎng)，纖網(wǎng)疊實(shí)程度較圓形纖維濾料[圖3(b)]有了很大的改善。

圖3 兩種濾料的SEM照片

2.2 樣品的基本性能

透氣性是指在規(guī)定壓差、一定時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積濾料氣流的流量。透氣性反映的就是通過(guò)濾料氣流流速的大小，因此其單位為mm/s，在一定程度上也反映了孔隙率的大小[2]?？障堵士捎上率接?jì)算得到：

式中：n——空隙率，%;

M——纖網(wǎng)面密度， g/m2;

ρ——纖維密度， g/m3;

δ——纖網(wǎng)厚度，m。

兩種濾料的基本性能見(jiàn)表1。

表1 濾料的基本性能

有關(guān)文獻(xiàn)[3]表明，濾料的厚度對(duì)濾料的孔隙有著十分重要的影響。從表1可以看出，經(jīng)過(guò)同樣的針刺加固工藝，在面密度相近的情況下，由扁平截面纖維制得的纖網(wǎng)厚度大于由圓形截面纖維制得的纖網(wǎng)，纖網(wǎng)厚度在一定程度上影響濾料的過(guò)濾效率與過(guò)濾阻力。因?yàn)闉V料厚度增加，使得濾料的孔隙多呈彎曲狀不連續(xù)通道，細(xì)小顆粒隨著氣流通過(guò)濾料，必須要通過(guò)濾料的孔隙，濾料的孔隙彎曲和不連續(xù)加大了對(duì)顆粒的捕捉。所以在面密度相同的情況下，濾料的厚度是影響濾料過(guò)濾性能的一個(gè)十分重要的因素。由于扁平狀纖維的線(xiàn)密度分布較大，粗細(xì)纖維相互交叉，較粗的纖維支撐起纖網(wǎng)骨架，纖維不易疊實(shí)，因而纖網(wǎng)厚度比相同面密度的細(xì)纖維纖網(wǎng)大，結(jié)構(gòu)蓬松，顆粒通過(guò)纖網(wǎng)的路徑加長(zhǎng)，過(guò)濾效果相應(yīng)提高。

從表1中還可以看出，扁平截面纖維纖網(wǎng)的縱橫向強(qiáng)力相差169.7 N，而圓形截面纖維纖網(wǎng)的縱橫向強(qiáng)力幾乎相同。原因在于圓形截面纖維呈單一纖度，纖網(wǎng)顯示出高平整度，而扁平截面纖維由于針刺作用發(fā)生了原纖化，刺針作用于纖維時(shí)，纖維受到拉伸作用，開(kāi)纖后纖維在力的作用下多沿纖網(wǎng)方向排列, 纖網(wǎng)表現(xiàn)出較大的各向異性，因而扁平截面纖維纖網(wǎng)的縱橫強(qiáng)力差別較大。

3 濾料的過(guò)濾性能測(cè)試

3.1 孔徑測(cè)試及結(jié)果分析

非織造材料是通過(guò)纖維的相互穿插從而形成纖網(wǎng)，整體呈三維多孔結(jié)構(gòu)。非織造濾料的過(guò)濾性能取決于其多孔結(jié)構(gòu)，孔的形狀、大小及數(shù)量等都會(huì)影響濾料的性能[4]。一般來(lái)說(shuō)，濾料的孔徑越小、越不規(guī)則，顆粒通過(guò)孔隙時(shí)越容易被攔截，過(guò)濾效率越高，但是孔徑小又會(huì)帶來(lái)阻力大的問(wèn)題。一般要求濾料的過(guò)濾效率高而阻力小，因而孔徑的大小是影響濾料性能的一個(gè)重要因素。

兩種針刺濾料的孔徑見(jiàn)表2，孔徑分布見(jiàn)圖4。由表2可知，扁平截面纖維濾料的平均孔徑比圓形截面纖維濾料的平均孔徑小21.361 3 μm，由此可以看出，在針刺工藝中，扁平截面纖維有利于減小濾料的孔徑。原因在于，扁平截面纖維原纖化程度高，細(xì)小的纖維分布在三維立體狀纖網(wǎng)中，加大了纖網(wǎng)孔隙通道的曲折性，因而纖網(wǎng)的空隙多而平均孔徑較小。單位面積中扁平截面纖維纖網(wǎng)的孔隙數(shù)量大于圓形截面纖維纖網(wǎng)，而平均孔徑卻小于圓形截面纖維纖網(wǎng)。研究的意義就在于此，高孔隙率和小孔徑使空氣易通過(guò)，而顆粒則易被攔截，這就提高了濾料對(duì)顆粒物的阻擋率，而過(guò)濾阻力卻不會(huì)太大[5]。所以，扁平截面纖維更適合作為濾材原料。

表2 兩種濾料的孔徑對(duì)比

圖4 兩種濾料的孔徑分布

3.2 過(guò)濾效率及結(jié)果分析

過(guò)濾性能測(cè)試所采用的儀器為T(mén)SI8130 型自動(dòng)濾料檢測(cè)儀，使用NaCl氣溶膠，質(zhì)量中值直徑為0.260 μm， 數(shù)量中值直徑為0.075 μm,過(guò)濾效率測(cè)試范圍為0～99.999%，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 兩種濾料的過(guò)濾效率及阻力

兩個(gè)樣品均未經(jīng)溫度、濕度預(yù)處理，氣體流量為85 L/min。由表3可以看出，扁平截面纖維濾料的過(guò)濾效率比圓形截面纖維濾料高23.4%，而阻力卻小19.3 Pa。說(shuō)明扁平截面纖維濾料具有高效率、低阻力的效果，再次證明扁平截面纖維濾料的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

本文比較了扁平截面纖維針刺濾料和傳統(tǒng)圓形截面纖維針刺濾料的表觀(guān)性能、力學(xué)性能及過(guò)濾性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 扁平截面纖維經(jīng)針刺加工后，由于受到刺針的強(qiáng)烈作用，部分纖維原纖化，改變了濾料的結(jié)構(gòu)，濾料中較粗的纖維作為骨架，保證了纖網(wǎng)的厚度，而原纖化了的纖維比表面積大，更易捕捉細(xì)小顆粒，大大提高了濾料的過(guò)濾性能。

(2) 扁平截面纖維在刺針高頻的作用下被刺穿而非拉斷，因而原纖化的纖維受到刺針針鉤拉力的作用在纖網(wǎng)中隨機(jī)排列，使形成的纖網(wǎng)比單一直徑纖維形成的纖網(wǎng)更加雜亂，改善了纖網(wǎng)的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了濾料的過(guò)濾性能。

(3) 扁平截面纖維經(jīng)針刺后形成異纖度纖網(wǎng)，孔隙率大于圓形截面纖維纖網(wǎng)，孔隙率大而平均孔徑小，總體上透氣性較單一纖度的纖網(wǎng)有所提高。

[1] 張亮. 垃圾焚燒爐煙氣凈化用袋式除塵濾料的試驗(yàn)研究[D]. 上海: 東華大學(xué), 2006．

[2] 王同慶. 過(guò)濾材料主要性能參數(shù)關(guān)系[J]. 過(guò)濾與分離, 2000，10(1)：30-32．[3] BARHATE R S, RAMAKRISHNA S. Nanofibrous filter-ing media: Filtration problems and solutions from tiny materials[J]. Journal of Membrane Science，2007，296(1/2): 1-8.

[4] 楊旭紅. 非織造材料基本結(jié)構(gòu)特征的表達(dá)[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2004(4): 16-19．

[5] 劉呈坤, 馬建偉. 非織造布過(guò)濾材料的性能測(cè)試及產(chǎn)品應(yīng)用[J].非織造布，2005,13(1): 30-34．

Effect of fiber cross-section shape on filtration performance of needle-punched nonwovens

ChenLanlan,ZhangChuyang,YinBaopu

College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China

Nonwoven filter materials, made of fibers with different cross-section shapes, were prepared by the method of needle punching and the apparent structure, pore size distribution, porosity and other filtration performances of the filter materials were tested. The results show that the filtration efficiency of needle-punched filter medium with flat section fiber is higher than that of round section fiber at the conditions of same raw material, same surface density and same reinforced process, which will have a broad development prospect.

flat section, round section, needle punching nonwoven filter medium, filtration performance

2015-05-15

陳蘭蘭，女，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榉强椩炜諝膺^(guò)濾材料

殷保璞，E-mail：bpyin@dhu.edu.cn

TS174.6

A

1004-7093(2016)02-0031-04