聚四氟乙烯微孔膜/雙組分熔噴材料復(fù)合空氣濾材的制備與過(guò)濾性能

李 猛， 代子薦， 黃 晨， 柯勤飛, 2， 顧榴俊

(1. 東華大學(xué) 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620; 2. 上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200234; 3. 上海市凌橋環(huán)保設(shè)備廠有限公司，上海 200137)

隨著當(dāng)今健康意識(shí)的增強(qiáng)，人們對(duì)日常工作、居住環(huán)境的空氣質(zhì)量要求也在不斷提高。相對(duì)于源頭控制與通風(fēng)稀釋，空氣過(guò)濾是解決室內(nèi)空氣質(zhì)量問(wèn)題最有效的方法之一。在各類空氣過(guò)濾設(shè)備中，高效過(guò)濾材料是過(guò)濾裝置的主要部件，是決定空氣過(guò)濾器過(guò)濾效果的關(guān)鍵因素[1]。HEPA(high-efficiency particulate arrestance)濾網(wǎng)作為一種高效過(guò)濾材料常用于各類空氣過(guò)濾器。

美國(guó)能源部對(duì)HEPA定義為：對(duì)0.3 μm的顆粒物去除率達(dá)到或超過(guò)99.97%的濾材或過(guò)濾器。歐盟則將高效空氣凈化器按照過(guò)濾效率分為3個(gè)等級(jí)：E10～E12(efficient particulate air filters)，H13～H14(high efficiency particulate air filters)，U15～U17(ultra low penetration air filters)，其中H13級(jí)別以上的空氣凈化器對(duì)于0.3 μm顆粒物的過(guò)濾效率大于等于99.95%[2-3]。而在日常使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)使用地空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)選用合適濾材，家用高效空氣凈化器一般選擇E11～H13(95.00%～99.95%)級(jí)別的濾網(wǎng)。

聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜作為一種多微孔、高通量的有機(jī)薄膜，常用于空氣除塵領(lǐng)域，但由于其厚度薄，抗拉伸性等力學(xué)強(qiáng)度較差，實(shí)際應(yīng)用中須與支撐材料復(fù)合，形成PTFE微孔膜復(fù)合濾材。常用的支撐材料有針刺氈、編織物或紡黏非織造布等[4]。

非織造熔噴材料具有纖維直徑小、比表面積大、過(guò)濾阻力小等特點(diǎn)，是常用的空氣過(guò)濾材料。功能納米顆粒改性熔噴材料可應(yīng)用于有機(jī)物去除領(lǐng)域，也成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[5]。

PTFE覆膜濾材有兩種常見(jiàn)的復(fù)合工藝，即熱復(fù)合與黏合劑法復(fù)合[4]。在空氣凈化行業(yè)中，采用熱復(fù)合方式實(shí)現(xiàn)PTFE微孔膜與基材的結(jié)合，符合安全環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。

本文以PTFE微孔膜作為過(guò)濾層，聚酯/聚丙烯(PET/PP)雙組分熔噴材料作為支撐層，通過(guò)熱軋技術(shù)制備PTFE微孔膜復(fù)合濾材，探究過(guò)濾層(PTFE微孔膜)、支撐層(熔噴材料)和熱軋工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合濾材過(guò)濾性能的影響，為制備高效低阻、可長(zhǎng)期使用的過(guò)濾材料提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

PET/PP雙組分熔噴材料：PET與PP纖維的體積比為30/70(A1)、0/100(A2)，購(gòu)于浙江乾豐汽車零部件有限公司；PTFE微孔膜：平均孔徑分別為0.842 μm (B1)與2.522 μm(B2)，購(gòu)于上海金由氟材料股份有限公司。

1.2 PTFE微孔膜/(PET/PP)雙組分熔噴材料復(fù)合濾材的制備

采用無(wú)膠熱軋復(fù)合工藝制備PTFE微孔膜/(PET/PP)雙組分熔噴材料復(fù)合濾材，生產(chǎn)裝置示意圖如圖1所示。

1— PTFE微孔膜；2—熔噴材料；3—上加熱輥；4—下刻花輥；5—復(fù)合濾材圖1 復(fù)合濾材生產(chǎn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the production process of composite filter

PTFE微孔膜1均勻鋪設(shè)在由輸網(wǎng)簾輸送來(lái)的熔噴材料2之上，形成二層疊合體，隨后喂入非織造熱軋系統(tǒng)，通過(guò)上加熱輥3和下刻花輥4的壓力和熱作用，形成復(fù)合濾材5。

熱軋復(fù)合過(guò)程中，加熱輥與PTFE微孔膜的上表面接觸，熱量從加熱輥的表面經(jīng)由PTFE微孔膜傳遞至PET/PP雙組分熔噴材料上，在適當(dāng)?shù)臏囟取毫退俣瓤刂葡?，PET/PP雙組分熔噴材料的上層熱熔性纖維(PP纖維)微熔，與PTFE微孔膜粘連，成為一個(gè)整體，形成PTFE微孔膜/(PET/PP)雙組分熔噴材料復(fù)合濾材。

1.3 材料表征

濾材形貌：采用TM 3000型掃描電鏡觀察樣品的表觀形態(tài)。

孔徑測(cè)試：采用CFP-1100-AI型孔徑分析儀測(cè)試樣品的孔徑大小及其分布。

過(guò)濾性能測(cè)試：采用TSI 8130型自動(dòng)濾料測(cè)試設(shè)備測(cè)試樣品的過(guò)濾效率和阻力。測(cè)試中NaCl氣溶膠顆粒粒數(shù)中值直徑為0.3 μm，測(cè)試流量為32 L/min，測(cè)試面積為100cm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 支撐層與過(guò)濾層的結(jié)構(gòu)性能

熔噴材料(支撐層)的結(jié)構(gòu)性能如表1所示。由表1可知，PET/PP雙組分熔噴材料中纖維的平均直徑小于單組分熔噴材料中纖維的平均直徑。由于兩種聚合物熔體熱性能和流變性能的不同，PET/PP雙組分纖維多呈卷曲或扭曲的形態(tài)。

表1 熔噴材料的結(jié)構(gòu)性能Table 1 Physical properties of melt-blown nonwovens

PTFE微孔膜(過(guò)濾層)的結(jié)構(gòu)性能如表2所示.

表2 PTFE微孔膜的結(jié)構(gòu)性能Table 2 Physical properties of PTFE membrane

2.2 支撐層與過(guò)濾層對(duì)于復(fù)合濾材過(guò)濾性能的影響

PTFE微孔膜/(PET/PP)雙組分熔噴材料復(fù)合濾材的過(guò)濾效率和阻力如圖2所示。

(a) B1型PTFE微孔膜/熔噴材料復(fù)合濾材

(b) B2型PTFE微孔膜/熔噴材料復(fù)合濾材

由圖2可知，隨著PET/PP雙組分熔噴材料中PP纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，PTFE微孔膜/(PET/PP)雙組分熔噴材料復(fù)合濾材的過(guò)濾阻力增大，但過(guò)濾效率增加不顯著。這是由于復(fù)合濾材在過(guò)濾過(guò)程中主要依靠PTFE微孔膜的微孔攔截作用[6]，PP纖維的直徑遠(yuǎn)大于PTFE微孔膜的孔徑，PP纖維的熔融固化對(duì)縮小PTFE微孔膜的孔徑作用很小，因此不能大幅度提升復(fù)合濾材的過(guò)濾效率，而PP纖維的體積分?jǐn)?shù)越大，纖維熔融流動(dòng)的區(qū)域越大，PTFE微孔膜微孔阻塞區(qū)域越大，在相同流速下，濾材的有效過(guò)濾面積減少，使得濾阻有較大的增加。故為降低復(fù)合濾材的過(guò)濾阻力，應(yīng)選擇PET/PP雙組分熔噴材料。

PTFE微孔膜提供主要的過(guò)濾性能，因而使用不同孔徑的PTFE微孔膜可以制備不同過(guò)濾等級(jí)的復(fù)合濾材，滿足不同場(chǎng)所的過(guò)濾需求。

2.3 熱軋工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合濾材過(guò)濾性能的影響

熱軋復(fù)合工藝的技術(shù)要點(diǎn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，在保證濾材復(fù)合牢度的前提下，減少PTFE微孔膜阻塞的面積，降低復(fù)合濾材的過(guò)濾阻力；另一方面，在滿足過(guò)濾材料尺寸穩(wěn)定性的要求下，支撐層(熔噴材料)不會(huì)產(chǎn)生明顯的熔融與分層現(xiàn)象，利于功能整理的熔噴材料性能的實(shí)現(xiàn)。

熱軋復(fù)合工藝示意圖如圖3所示，加熱光輥O1提供纖維熱熔所需的熱量，刻花輥O2的表面溫度遠(yuǎn)低于纖維的熱熔溫度，通過(guò)低壓輕軋熔噴材料。

圖3 熱軋復(fù)合工藝示意圖Fig.3 Scheme of hot calendaring process

熱輥溫度、熱輥壓力和線速度[7]是影響PTFE微孔膜與PET/PP雙組分熔噴材料復(fù)合濾材性能的主要工藝參數(shù)。本節(jié)將分別討論這3個(gè)因素對(duì)復(fù)合濾材過(guò)濾性能的影響。

2.3.1 線速度對(duì)于濾材過(guò)濾性能的影響

在熱輥溫度為150℃和壓力為180 N/cm2時(shí)，不同線速度下復(fù)合濾材的濾阻-濾效曲線如圖4所示。

圖4 不同線速度下復(fù)合濾材的濾阻-濾效曲線圖Fig.4 Relationship between the resistance and efficiency of composite filter material in different linear velocity

由圖4可見(jiàn)，在溫度與壓力一定時(shí)，隨著線速度的增加，熔噴材料在受熱區(qū)的停留時(shí)間減少，上加熱輥通過(guò)PTFE微孔膜傳遞到熔噴材料的熱量減少，熔噴材料中的PP纖維的熔融效果變差，導(dǎo)致二者之間的黏合效果降低。由于作用在PP纖維表面的熱量不足，纖維熔融流動(dòng)和擴(kuò)散區(qū)域減少，PTFE微孔膜阻塞的面積減少，復(fù)合濾材的過(guò)濾阻力降低，透氣性變好，過(guò)濾效率也相應(yīng)略有降低。

2.3.2 熱輥溫度對(duì)于濾材過(guò)濾性能的影響

在線速度為8 m/min和壓力為180 N/cm2時(shí)，不同熱輥溫度下復(fù)合濾材的濾阻-濾效曲線如圖5所示。

圖5 不同熱輥溫度下復(fù)合濾材的濾阻-濾效曲線Fig.5 Relationship between the resistance and efficiency of composite filter in different bonding temperature

由圖5可見(jiàn)，在速度與壓力一定時(shí)，隨著熱輥溫度的升高，熔噴材料接收的熱量增加，表層熱熔纖維的熔融效果改善，纖維之間以及熔噴材料與PTFE微孔膜之間的黏合程度提升，熱熔纖維受熱熔融產(chǎn)生流動(dòng)和擴(kuò)散區(qū)域增大，使PTFE微孔膜阻塞的面積增加，復(fù)合濾材的過(guò)濾阻力增大，透氣性變差，過(guò)濾效率相應(yīng)提高。當(dāng)熱輥溫度超過(guò)工藝允許的最大值時(shí)，熱熔纖維結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著改變，熔噴材料成為結(jié)晶度和取向度很差的脆質(zhì)薄膜[8]。

高熱輥溫度下與低熱輥溫度下復(fù)合濾材的表面形態(tài)如圖6所示。

(a) 高熱輥溫度 (b) 低熱輥溫度

由圖6可知，當(dāng)熱輥溫度偏低時(shí)，PTFE微孔膜與熔噴材料之間的黏合不充分，導(dǎo)致濾材尺寸穩(wěn)定性較差，故熱輥溫度對(duì)于濾材的成型起決定性作用。

2.3.3 熱輥壓力對(duì)于濾材過(guò)濾性能的影響

在熱輥溫度為150℃和線速度為8 m/min時(shí)，不同壓力下復(fù)合濾材的濾阻-濾效曲線如圖7所示。

圖7 不同熱輥壓力下濾材的濾阻-濾效曲線圖Fig.7 Relationship between the resistance and efficiency of filter material in different pressure

由圖7可見(jiàn)，在熱輥溫度與線速度一定時(shí)，隨著熱輥壓力的增加，濾材的過(guò)濾阻力顯著增加，過(guò)濾效率也相應(yīng)提升。這是因?yàn)閴毫ι哂欣谲堓伵c濾材間熱量的傳遞。在壓力作用下，一方面，熔噴材料變薄變密，部分內(nèi)部氣體被擠壓排出，利于熱輥熱量的傳遞，變密的熔噴材料也使得纖維與纖維之間的接觸增多，易于熱量的傳遞以及熔融纖維的流動(dòng)和擴(kuò)散[9]；另一方面，PTFE微孔膜與非織造布表面的熱熔纖維接觸面積增多，增加了熔融纖維的數(shù)量。同時(shí)由于形變熱的作用，纖維高分子產(chǎn)生宏觀放熱效應(yīng)，也加劇了纖維之間的黏合作用[10]。黏合效果的增強(qiáng)導(dǎo)致PTFE微孔膜阻塞面積增加，復(fù)合濾材的過(guò)濾阻力增大，透氣性變差，過(guò)濾效率相應(yīng)提高。熱輥壓力偏低時(shí)，熔噴材料下層纖維之間無(wú)法產(chǎn)生有效的黏結(jié)，復(fù)合濾材上下分層，底層纖維易脫落。

低熱輥壓力下與高熱輥壓力下復(fù)合濾材的表面形態(tài)如圖8所示。

(a) 低熱輥壓力 (b) 高熱輥壓力

由圖8可知，熱輥壓力過(guò)高時(shí)，熔噴材料熔融過(guò)度，過(guò)濾阻力過(guò)高，復(fù)合濾材無(wú)法應(yīng)用，故熱輥壓力對(duì)濾材結(jié)構(gòu)起主要作用。

在實(shí)際應(yīng)用中PTFE微孔膜/(PET/PP)雙組分熔噴材料復(fù)合濾材的基材需要保持相應(yīng)的蓬松性，以便氣體的通過(guò)或凈化，因此熱輥壓力較低。

綜上可知，當(dāng)PET/PP雙組分熔噴材料中PET纖維與PP纖維體積比為30/70、熱輥溫度為150℃、 線速度為8 m/min、輥間壓力為180 N/cm2時(shí)，復(fù)合濾材的濾效達(dá)到最佳(99.95%)，濾阻為350 Pa。

2.4 復(fù)合濾材的形貌

PTFE微孔膜/(PET/PP)雙組分熔噴材料復(fù)合濾材的SEM圖如圖9所示。

(a) PTFE微孔膜的表面形態(tài)

(b) 復(fù)合濾材的截面形態(tài)

(c) 復(fù)合濾材的表面形態(tài)

由圖9(a)可知，過(guò)濾層PTFE微孔膜呈立體蛛網(wǎng)狀，微纖維之間形成孔隙，孔隙的大小決定了PTFE微孔膜孔徑的大小。PTFE微孔膜的孔徑大小可以通過(guò)拉伸和固化條件控制，以制備適用于不同場(chǎng)合的具有不同孔徑尺寸的微孔薄膜[11]。

由圖9(b)可知，熱軋復(fù)合工藝使得PET/PP雙組分熔噴材料表層的PP纖維發(fā)生熱熔，與PTFE微孔膜黏合為一整體，形成PTFE微孔膜/(PET/PP)雙組分熔噴材料復(fù)合濾材，而PET纖維以及下層的熔噴材料不發(fā)生熔融現(xiàn)象。

由圖9(c)可知，熱軋復(fù)合工藝使得熔融的PP纖維產(chǎn)生流動(dòng)擴(kuò)散，熔體在壓力作用下透過(guò)PTFE微孔膜，冷卻固化后在PTFE微孔膜表面留下纖維狀的阻塞區(qū)域，未阻塞的區(qū)域則保持PTFE微孔膜原有的形貌。

2.5 孔徑分析

試驗(yàn)樣品的孔徑分布柱狀圖如圖10所示。

(a) B1型PTFE微孔膜

(b) B1/A1(未加熱)型復(fù)合濾材

(c) B1/A1(加熱)型復(fù)合濾材

(d) 平均孔徑分布

由圖10(d)可知，熱軋復(fù)合過(guò)程中，濾材的孔徑不斷發(fā)生變化[12]。這主要是由兩種情況共同作用產(chǎn)生：熱輥壓力的作用使得熔噴材料向四周延展，與之貼合的PTFE微孔膜也隨著被拉伸，孔徑變大(如圖10(b)所示)；熱作用使得PTFE微孔膜的部分微孔被熔融的PP纖維阻塞，孔徑變小(如圖10(c)所示)。

3 空氣凈化器常用高效濾紙的性能比較

空氣凈化器中常用的玻纖濾紙[13](M2)、PP熔噴駐極復(fù)合濾材(M3)與試驗(yàn)制備的B1/A1型復(fù)合濾材(M1)的部分性能對(duì)比如表3所示，參考標(biāo)準(zhǔn)為EN 1822與GJB 1152—91[14]。不同風(fēng)速下濾材的過(guò)濾效率與過(guò)濾阻力如圖11所示。濾材的過(guò)濾效率與過(guò)濾阻力隨時(shí)間變化的曲線如圖12所示。

由表3可知，在過(guò)濾風(fēng)速為5.3cm/s的環(huán)境下，3種濾材對(duì)0.3 μm顆粒物的過(guò)濾效率均超過(guò)99.9%，其中，M3的過(guò)濾阻力較小，M1的抗張強(qiáng)度較小。因?yàn)镸3主要依靠靜電吸附力處理顆粒污染物，纖網(wǎng)孔徑大，透氣率高。M1是由PTFE微孔膜與PET/PP雙組分熔噴材料經(jīng)熱軋工藝復(fù)合而成，兩者的強(qiáng)力均較低。在HEPA過(guò)濾器中， 氣流穿過(guò)高效濾材的速度為1.0～4.0cm/s，在5.3cm/s 的風(fēng)速下，M1可以保持結(jié)構(gòu)的完整和性能的穩(wěn)定，因此M1的抗張強(qiáng)度雖較小，但仍滿足使用要求。

由圖11可知，隨著過(guò)濾風(fēng)速的增加，3種濾材的過(guò)濾阻力有顯著的提升，過(guò)濾效率也會(huì)相應(yīng)降低，M1的過(guò)濾效率在高風(fēng)速下比較穩(wěn)定。隨著過(guò)濾風(fēng)速的增加，氣流在濾材中滯留的時(shí)間變短，部分顆粒物沒(méi)有受到足夠的靜電吸附作用而穿透濾材，導(dǎo)致M3的過(guò)濾效率降低很快。 M2依靠致密纖維結(jié)構(gòu)阻截灰塵，風(fēng)速的變化對(duì)過(guò)濾效率影響較小。 M1的過(guò)濾性能主要依靠PTFE微孔膜的“篩濾”作用，因此隨著過(guò)濾風(fēng)速的增加，其過(guò)濾效率的變化較小。在高流速下，M1 與M2的過(guò)濾阻力與過(guò)濾風(fēng)速不再成線性關(guān)系，而是上揚(yáng)的曲線。

表3 3種高效濾材結(jié)構(gòu)性能的對(duì)比Table 3 Physical properties of three kinds of high-performance filter material

圖11 不同過(guò)濾風(fēng)速下濾材的濾阻-濾效圖Fig.11 Resistance and efficiency of filter material in different filtration velocity

圖12 不同過(guò)濾時(shí)間下濾材的濾阻-濾效圖(風(fēng)速5.3cm/s)Fig.12 Resistance and efficiency of filter material in different filtration time(filtration velocity 5.3cm/s)

由圖12可知，隨著過(guò)濾時(shí)間的增加，3種濾材的過(guò)濾阻力均有顯著的提升，M1與M2的過(guò)濾效率上升而M3的過(guò)濾效率下降。這是因?yàn)殡S著M2濾材吸附的顆粒物的增加，導(dǎo)致其變得“致密”，過(guò)濾阻力變大，過(guò)濾效率上升。 M3吸附的顆粒物越多，駐極纖維逐漸被顆粒物覆蓋，靜電吸附力下降，過(guò)濾阻力上升，過(guò)濾效率變差。 M1過(guò)濾顆粒物時(shí)，顆粒物會(huì)逐漸累積在膜表層，導(dǎo)致二次濾餅過(guò)濾，過(guò)濾阻力和過(guò)濾效率急速增加，因此在使用時(shí)，應(yīng)注意及時(shí)清洗更換。

4 結(jié) 論

(1) PTFE微孔膜與熔噴材料經(jīng)熱軋復(fù)合可制備過(guò)濾性能優(yōu)良的PTFE微孔膜/(PET/PP)雙組分熔噴材料復(fù)合濾材。隨著雙組分熔噴材料中聚丙烯(PP)纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合濾材的過(guò)濾阻力上升；復(fù)合濾材的過(guò)濾性能主要由PTFE微孔膜提供；熱軋工藝對(duì)復(fù)合濾材的結(jié)構(gòu)和過(guò)濾性能都有影響；當(dāng)PET/PP雙組分熔噴材料中PET纖維與PP纖維體積比為30/70、熱輥溫度為150℃、線速度為8 m/min、輥間壓力為180 N/cm2時(shí)，復(fù)合濾材的過(guò)濾效率達(dá)到99.95%，過(guò)濾阻力為350 Pa。

(2) 采用刻花輥的熱軋復(fù)合方式，既可以保證濾材的復(fù)合牢度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，又維持了支撐層的基本結(jié)構(gòu)。相較于復(fù)合前的PTFE微孔膜，熱軋復(fù)合后PTFE微孔膜的孔徑會(huì)縮小。

(3) 通過(guò)與商業(yè)化高效空氣濾材相比較，PTFE/(PET/PP)雙組分熔噴材料復(fù)合濾材的性能基本滿足使用需求，但因其容塵量較小，使用時(shí)應(yīng)注意及時(shí)清洗。

參 考 文 獻(xiàn)

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