空氣濾材透氣性與纖維纖度相關(guān)性的探討

邱長(zhǎng)利

（上海締榮紡織品有限公司，上海 200000）

關(guān)鍵字 空氣過(guò)濾材料；透氣率；纖維直徑；孔隙率

針刺過(guò)濾材料，主要使用的纖維包括滌綸、丙綸、亞克力纖維、PPS、P84、PTFE等，常溫狀態(tài)下空氣濾料多采用滌綸及丙綸化纖。材料的過(guò)濾能力通常受到多種因素的影響，并且空氣過(guò)濾的過(guò)程（濾阻、壓差等指標(biāo)）并非恒定不變的，會(huì)隨著過(guò)濾進(jìn)程在材料表面形成濾餅造成過(guò)濾指標(biāo)的變化。然而，對(duì)一款普通空氣過(guò)濾材料而言，設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)在理想狀態(tài)下，簡(jiǎn)化產(chǎn)品的過(guò)濾指標(biāo)與材料的孔隙率，進(jìn)而有針對(duì)性地選擇纖維來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。以滌綸為例，一方面，可以根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)際狀態(tài)找出過(guò)濾效率與纖維直徑的關(guān)系，另一方面，可以根據(jù)理論設(shè)定指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，從而驗(yàn)證關(guān)系式的正確性[1]。

1 滌綸濾料的纖維直徑與過(guò)濾效率

影響過(guò)濾材料過(guò)濾性能的宏觀因素包括：濾料表面積、濾料厚度、纖維尺寸及排列、濾料孔隙率和比表面積、帶電量和介電常數(shù)、化學(xué)成分。隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，濾料本身會(huì)產(chǎn)生表面過(guò)濾，過(guò)濾精度提高，濾阻增加，透氣性能下降。具體到某款過(guò)濾材料，由于產(chǎn)品完全由纖維構(gòu)成，在不考慮纖維化學(xué)性能、電性能等前提下，以相同設(shè)定工藝的理想狀態(tài)下，可以理論推斷產(chǎn)品的過(guò)濾性能僅與纖維的尺寸和孔隙率相關(guān)，由此進(jìn)行理論計(jì)算，可以在確定的透氣范圍內(nèi)推論適當(dāng)?shù)睦w維配比。

濾料的空隙尺寸可以用水力半徑描述平均空隙直徑來(lái)表示，通過(guò)纖維直徑、表面積等可以得出平均孔隙直徑。

1.1 纖維尺寸

在不考慮中空異形截面時(shí)，假定使用的纖維截面為圓型，在已知纖維規(guī)格的前提下可以推算纖維的直徑：

其中：dtex—纖維規(guī)格分特，10 000m長(zhǎng)的纖維重1g，1dtex；R—纖維直徑，mm；ρ—纖維密度，g/cm3。

1.2 平均孔隙直徑

采用水力半徑的概念，平均孔隙直徑定義為[2]：

其中： λ—平均孔隙直徑，mm；Vp—空隙體積，即濾料體積減去纖維理論體積，mm3；S—過(guò)濾纖維總表面積，mm2。

其中S可根據(jù)以下公式計(jì)算：

L—纖維的總長(zhǎng)度； M—單位產(chǎn)品的重量。

1.3 產(chǎn)品數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)以上公式分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)對(duì)比理論目標(biāo)及實(shí)際測(cè)量得到數(shù)據(jù)如表1。滌綸密度為1.38g/cm3。

表1 現(xiàn)有滌綸濾料透氣性能與纖維指標(biāo)

其中,平均分特?cái)?shù)值根據(jù)不同纖維所占比例計(jì)算所得。

1.4 滌綸濾料實(shí)測(cè)透氣性能與平均空隙直徑相關(guān)性分析及回歸方程

借助計(jì)算機(jī)SPSS軟件，根據(jù)滌綸濾料透氣性能與纖維指標(biāo)相關(guān)性分析:針對(duì)平均孔隙直徑(mm)與實(shí)測(cè)透氣結(jié)果相關(guān)性分析表明，平均孔隙直徑(mm) 和實(shí)測(cè)透氣率結(jié)果的 Pearson 相關(guān)系數(shù) 為0.974，P 值 = 0。

結(jié)論：由于P≤0.05，可以判斷平均孔隙直徑與透氣結(jié)果線性相關(guān) 。

根據(jù)滌綸濾料透氣性能與纖維指標(biāo)相關(guān)性分析:針對(duì)孔隙率與實(shí)測(cè)透氣結(jié)果相關(guān)性分析表明，孔隙率和實(shí)測(cè)透氣率結(jié)果的 Pearson 相關(guān)系數(shù) 為 0.788，P值 = 0。

結(jié)論：由于P≤0.05，可以判斷孔隙率與透氣結(jié)果線性相關(guān)。

對(duì)滌綸濾料實(shí)測(cè)透氣結(jié)果與平均孔隙直徑(mm)回歸分析: 回歸方程為：

方差分析見(jiàn)表2，擬合結(jié)果見(jiàn)圖1。

表2 方差分析數(shù)據(jù)

圖1 擬合線：實(shí)測(cè)結(jié)果與平均孔隙直徑

根據(jù)以上分析平均空隙直徑（孔隙率）與產(chǎn)品的透氣性能相關(guān)，可以用線性直線描述，由此可以做進(jìn)一步回歸分析，得到回歸方程，進(jìn)而得到纖維直徑與透氣性能間的關(guān)系函數(shù)。

1.5 滌綸濾料實(shí)測(cè)透氣性能與孔隙率的回歸分析及回歸方程

利用計(jì)算機(jī)SPSS軟件，根據(jù)滌綸濾料透氣性能與纖維指標(biāo)得出如下回歸方程：

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3、表4。

表3

表4 方差分析

觀測(cè)值孔隙率實(shí)測(cè)結(jié)果擬合值標(biāo)準(zhǔn)誤殘差，見(jiàn)圖2。

圖2 擬合線：實(shí)測(cè)透氣結(jié)果與孔隙率

從以上分析可以看出，平均空隙直徑與透氣的相關(guān)性曲線比孔隙率的相關(guān)曲線更為精確，這是因?yàn)槠骄紫吨睆浇Y(jié)合了纖維的直徑及表面積的綜合影響考慮。現(xiàn)有的纖維配比數(shù)據(jù)與預(yù)期的目標(biāo)值差異較大，特別是，PE-10及PE-50產(chǎn)品的目標(biāo)設(shè)定與產(chǎn)品的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)差異較大，需要調(diào)整纖維的纖度配比，以上數(shù)據(jù)的分析是基于產(chǎn)品的透氣值在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果[3]。

2 利用SPSS軟件得出回歸方程反向確定纖維配比

利用SPSS軟件得出透氣結(jié)果與平均空隙直徑的回歸方程如下：

所以，可以得到平均孔隙直徑公式：

進(jìn)而的得到纖維直徑與透氣率的公式如下：

根據(jù)上式將標(biāo)準(zhǔn)透氣中值代入透氣率結(jié)果，由此推論最佳纖維纖度及預(yù)測(cè)配比，如表5。

表5 根據(jù)透氣率指標(biāo)反向推斷纖維直徑列表

3 結(jié)論

通過(guò)從生產(chǎn)實(shí)際中匯總出大量的產(chǎn)品透氣與纖維狀態(tài)的數(shù)據(jù)，可以從中找出纖維狀態(tài)與產(chǎn)品指標(biāo)值之間的相關(guān)性，進(jìn)一步通過(guò)SPSS軟件分析，推斷數(shù)學(xué)關(guān)系可以反過(guò)來(lái)指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。通過(guò)上述實(shí)踐過(guò)程可以得出以下結(jié)論：

在現(xiàn)有生產(chǎn)工藝條件下，產(chǎn)品的透氣性在理想狀態(tài)下由纖維的纖度尺寸決定。纖維的纖度和厚度可以通過(guò)平均空隙直徑、孔隙率描述，平均孔隙直徑和孔隙率與產(chǎn)品透氣性能都表現(xiàn)出相關(guān)性，但平均孔隙直徑更符合曲線描述。從實(shí)驗(yàn)調(diào)整纖維配比后對(duì)所加工的濾料實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤表明，產(chǎn)品透氣數(shù)據(jù)改善明顯，與設(shè)計(jì)的方向一致。部分纖維由于受中空截面的影響，特別是PE-100的產(chǎn)品纖維為中空結(jié)構(gòu)，表面積大于理論計(jì)算，可能與實(shí)際結(jié)果有偏差。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于產(chǎn)品品質(zhì)的控制往往受多種因素的影響，不同的影響指標(biāo)其影響比例不盡相同。在生產(chǎn)實(shí)踐中，如果能夠使用好數(shù)據(jù)分析工具，可以幫助我們從繁雜的數(shù)據(jù)中找出關(guān)鍵因素，有助于生產(chǎn)調(diào)整。通過(guò)上述實(shí)例的分析希望幫助企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中做好數(shù)據(jù)整理和分析利用，用來(lái)解決實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題。