梯度結(jié)構(gòu)的PE/PP皮芯纖維空氣濾料性能研究

東華大學(xué)紡織學(xué)院， 上海 201620

PE(聚乙烯)/PP(聚丙烯)皮芯纖維屬熱熔纖維，非常適用于熱風(fēng)黏合的加固方式，所得產(chǎn)品具有蓬松、柔軟的特點，經(jīng)常被應(yīng)用于醫(yī)用衛(wèi)生材料或吸聲材料，同時因其皮層的PE具有疏水性，所以也被探究其駐極效果，以挖掘其在空氣過濾方面的發(fā)展空間[1]?？諝膺^濾材料(簡稱“空氣濾料”)的使用要求是高效低阻。通常，為了提高過濾材料(簡稱“濾料”)的過濾效率，一般使用超細纖維作為原材料，但同時濾料的過濾阻力也會增加。因此，對濾料進行電暈駐極處理，可以在保證低過濾阻力的情況下提高過濾效率。另外，利用梯度結(jié)構(gòu)的濾料(細纖維層作為過濾層、粗纖維層作為透氣層)，也具有高效低阻的使用性能。

本文以不同線密度的PE/PP皮芯纖維為原材料形成單層纖網(wǎng)，然后使用不同梯度結(jié)構(gòu)將2～3層單層纖網(wǎng)疊合形成復(fù)合纖網(wǎng)，再對復(fù)合纖網(wǎng)進行熱風(fēng)黏合加固及電暈駐極處理得到PE/PP皮芯纖維空氣濾料，探究其過濾、靜電衰減等性能，以期有效挖掘PE/PP皮芯纖維空氣濾料的應(yīng)用潛力。

1 試驗部分

1.1 原材料與工藝流程

采用PE為皮層、PP為芯層形成的PE/PP皮芯纖維(其截面如圖1所示)作為原材料，共4種：2.0 dtex PE/PP皮芯纖維(皮層和芯層添加抗靜電劑)，6.2 dtex PE/PP皮芯纖維(皮層和芯層添加抗靜電劑)，6.2 dtex PE/PP皮芯纖維(芯層添加抗靜電劑)，8.0 dtex PE/PP皮芯纖維(芯層添加抗靜電劑)。

靜電助劑：質(zhì)量比為3 ∶2的硬脂酸鋅與硬脂酸鋇的混合物。

工藝流程：手動混棉→梳理成網(wǎng)→多層纖網(wǎng)疊合→熱風(fēng)黏合加固→電暈駐極處理。

圖1 PE/PP皮芯纖維截面

1.2 熱風(fēng)黏合加固

PE/PP皮芯纖維的差式掃描量熱法(DSC)測試結(jié)果如圖2所示，外層(即皮層)PE的熔點為123.74 ℃，內(nèi)層(即芯層)PP的熔點為157.34 ℃。基于PE/PP皮芯纖維的內(nèi)外層組分熔點不同這一性能，本文采用熱風(fēng)黏合的加固方式，使PE/PP皮芯纖維空氣濾料在熱風(fēng)烘箱中快速熱熔黏合加固且不破壞纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，得到的樣品有比較好的硬挺度，手感粗糙。熱風(fēng)烘箱的溫度為140.00 ℃，烘燥時間1 min。

圖2 PE/PP皮芯纖維DSC測試結(jié)果

1.3 電暈駐極處理

電暈駐極處理如圖3所示，利用高壓電源通過放電針尖釋放電荷，使放電針尖與接收滾筒表面的樣品之間的空氣發(fā)生電離，載流子在電場作用下沉積到樣品表面，使樣品成為帶電體。在電暈駐極處理過程中，接收滾筒轉(zhuǎn)動并以一定的速度橫動，以保證處理后電荷在樣品上均勻分布。

電暈駐極處理條件：電壓12.5 kV，時間20 min，隔距1.5 cm。

圖3 電暈駐極處理示意

1.4 測試方法

1.4.1 孔隙率

孔隙率是指樣品中的孔隙體積占樣品體積的百分數(shù)，用以判斷樣品的透氣性與過濾阻力，可按式(1)[2]計算：

(1)

式中：n——孔隙率，%；

m——樣品面密度，g/m2；

ρ——纖維密度，g/m3；

δ——樣品厚度，m。

1.4.2 過濾效率

樣品的過濾效率使用8130型自動濾料檢測儀(美國TSI公司)進行測試，過濾粒子采用直徑為0.26 μm的Nacl氣溶膠，測試面積為10.0 cm×10.0 cm，儀器自動顯示樣品的過濾阻力與透過率。

為了選擇更適合作為駐極體的PE/PP皮芯纖維非織造纖網(wǎng)，本文分別用6.2 dtex PE/PP皮芯纖維(芯層添加抗靜電劑)、6.2 dtex PE/PP皮芯纖維(皮層與芯層添加抗靜電劑)、8.0 dtex PE/PP皮芯纖維(芯層添加抗靜電劑)進行預(yù)試驗，分別經(jīng)過梳理成網(wǎng)、熱風(fēng)黏合加固與電暈駐極處理，制備了3種樣品，依次編號為a、 b、 c，然后測試其在電暈駐極處理前后的過濾效率，結(jié)果見表1。

表1 預(yù)試驗測試結(jié)果

注：NaCl氣溶膠流量為32 L/min

從表1可以看出，利用芯層添加抗靜電劑的PE/PP皮芯纖維制備的樣品a和樣品c，電暈駐極處

理前、后的過濾效率差異很?。焕闷雍托緦泳砑涌轨o電劑的PE/PP皮芯纖維制備的樣品b，電暈駐極處理后的過濾效率較處理前大幅增加。因此，本試驗選用的原材料為皮層與芯層均添加抗靜電劑的2.0 dtex PE/PP皮芯纖維與6.2 dtex PE/PP皮芯纖維。

1.4.3 容塵量

在8130型自動濾料檢測儀持續(xù)測試40 min的過程中，NaCl氣溶膠在樣品上不斷沉積，使得測試前后樣品的質(zhì)量發(fā)生變化，記錄兩個質(zhì)量，其差值即為樣品的容塵量Δm：

Δm=m2-m1

(2)

式中：m2——測試40 min后樣品質(zhì)量，g；

m1——測試前樣品質(zhì)量，g。

1.4.4 表面電壓衰減

利用一定時間內(nèi)濾料的表面電壓衰減情況表征濾料的靜電衰減性能。采用542A-2-CE型靜電壓檢測儀(美國TREK公司)測試樣品的表面電壓。表面電壓測試如圖4所示，將電暈駐極處理后的樣品放置于絕緣體上，在樣品上標記一個固定點，通過探針測量樣品的表面電壓，其值由顯示器直接顯示。探針與樣品之間的距離為1.5 cm，每隔12 h重復(fù)測量并記錄樣品的表面電壓。

圖4 表面電壓測試示意

2 結(jié)果與討論

本試驗設(shè)計制備了3種梯度結(jié)構(gòu)的樣品，具體見表2。

表2 樣品設(shè)計表

注：表中百分數(shù)為質(zhì)量分數(shù)

為了減少不同線密度的纖維質(zhì)量分數(shù)不同所帶來的影響，每個樣品中6.2 dtex纖維質(zhì)量與2.0 dtex纖維質(zhì)量各占50%。樣品1每層纖網(wǎng)的面密度為60 g/m2，樣品2與樣品3每層纖網(wǎng)的面密度為40 g/m2。

2.1 過濾效率與過濾阻力

過濾效率與過濾阻力測試結(jié)果見表3。

表3 過濾效率與過濾阻力測試結(jié)果

注：NaCl氣溶膠流量為32 L/min

由表3可以看到，過濾效率的大小順序為樣品2>樣品1>樣品3，過濾阻力的大小順序為為樣品2>樣品1=樣品3。樣品2為3層纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其上、下表層的主體成分纖維線密度為2.0 dtex，中間層的主體成分纖維線密度為6.2 dtex，即“細-粗-細”梯度結(jié)構(gòu)，它的過濾效率最高，為65.60%；樣品1為2層纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其上表層由2.0 dtex PE/PP皮芯纖維構(gòu)成，下表層由6.2 dtex PE/PP皮芯纖維構(gòu)成，即“細-粗”梯度結(jié)構(gòu)，它的過濾效率居中，為57.70%；樣品3也是3層纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其上、下表層的主體成分纖維線密度為6.2 dtex，中間層的主體成分纖維線密度為2.0 dtex，即“粗-細-粗”梯度結(jié)構(gòu)，它的過濾效率最低，為54.00%。樣品2的過濾效率明顯高于樣品1與樣品3。

由此可知，上表層纖網(wǎng)中細旦纖維含量越高，PE/PP皮芯纖維空氣濾料的過濾效率提高越顯著。其原因一方面是同等面密度下，纖維越細，空氣濾料對細微顆粒的捕獲效率越高[3]；另一方面是纖維越細，纖維的比表面積越大，纖維與纖維之間的孔隙較小，分布在纖維上的電荷之間的相互作用增強，這有利于電暈駐極處理過程中空氣濾料對電荷的捕集。本試驗使用的電暈駐極處理，其放電形式是電暈放電，大部分電荷存在于纖維表面，樣品1與樣品2的上表層的細旦纖維含量較高，它們的電暈駐極處理效果更好，因此過濾效率較大[4]。樣品2在空氣過濾過程中，細微顆粒經(jīng)上表層的細旦纖網(wǎng)過濾后，會被下表層的細旦纖網(wǎng)再次捕集，因此它的過濾效率優(yōu)于樣品1與樣品3。

過濾阻力的測試結(jié)果與過濾效率基本類似，樣品2即“細-粗-細”梯度結(jié)構(gòu)的PE/PP皮芯纖維空氣濾料的過濾阻力最大，這意味著上表層的細旦纖維含量增加會提高PE/PP皮芯纖維空氣濾料的過濾阻力。

通過表3的測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，對PE/PP皮芯纖維空氣濾料的結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計，其過濾效率可得到有效的提升，同時過濾阻力發(fā)生變化，但過濾阻力非常小且變化范圍在3.0 Pa以內(nèi)。綜合地看，樣品2的過濾性能最優(yōu)。

2.2 厚度與孔隙率對過濾性能的影響

樣品的厚度利用YG141N型織物厚度儀(南通宏大實驗儀器有限公司)測試得到，再根據(jù)厚度計算得到孔隙率，結(jié)果如表4所示。

表4 厚度與孔隙率測試結(jié)果

如表4所示，樣品厚度的大小順序為樣品3>樣品1>樣品2，這意味著表層細旦纖維含量越高，PE/PP皮芯纖維空氣濾料的厚度越小。由于粗旦纖維的直徑較大，所以樣品2即“細-粗-細”梯度結(jié)構(gòu)的PE/PP皮芯纖維空氣濾料的厚度最小(1.68 mm)，樣品3即“粗-細-粗”梯度結(jié)構(gòu)的PE/PP皮芯纖維空氣濾料的厚度最大(1.84 mm)。結(jié)合過濾效率的大小順序(樣品2>樣品1>樣品3)分析，厚度的大小順序與過濾效率的大小順序完全相反。由此可見，厚度對過濾效率的影響很小，可以忽略不計；或者說，在同等面密度下，厚度對過濾效率的影響小于纖維線密度對過濾效率的影響。由于3個樣品的原材料和面密度均相同，所以孔隙率隨厚度不同而不同，即孔隙率與厚度成正比，孔隙率的大小順序也為樣品3>樣品1>樣品2。其根本原因是纖維線密度越大，孔隙率越大[5]。將孔隙率測試結(jié)果與過濾阻力的大小順序(樣品2>樣品1=樣品3)結(jié)合分析，符合孔隙率越大則過濾阻力越小的規(guī)律，因為孔隙率越大，PE/PP皮芯纖維空氣濾料的透氣性越好。

2.3 容塵量

本試驗在測試容塵量時，使用的NaCl氣溶膠流量為85 L/min，每隔1 min記錄樣品的過濾效率，得到樣品的過濾效率變化情況。容塵量測試結(jié)果見表5，過濾效率變化情況如圖5所示。

表5 容塵量測試結(jié)果

圖5 過濾效率變化情況

如表5所示，容塵量的大小順序為樣品2>樣品1>樣品3，即在相同的時間內(nèi)，上表層的細旦纖維含量增加，PE/PP皮芯纖維空氣濾料的容塵量增大，這是因為上表層的纖維線密度越小，越容易在濾料表面形成濾餅，而且電暈駐極處理效果更好，導(dǎo)致濾料對細微顆粒的吸附能力增強，有更多的NaCl氣溶膠粒子留在濾料中。

一般情況下，在持續(xù)測試過濾效率的過程中，濾料的過濾阻力上升5.0 Pa后，將濾料上的積塵量作為容塵量。本試驗選擇固定測試時間，這是因為在NaCl氣溶膠粒子的沉積過程中，樣品的過濾阻力變化不穩(wěn)定且差異較小，但過濾效率的變化趨勢明顯。如圖5所示，3個樣品的過濾效率都呈現(xiàn)出先顯著減小后趨于穩(wěn)定再緩慢增大的趨勢。剛開始測試時，有大量NaCl氣溶膠粒子被電荷吸引沉積在纖維表面，并在纖維表面形成一個屏蔽層，因此過濾效率快速下降。之后，NaCl氣溶膠粒子被電荷吸附的概率大大下降，故過濾效率逐漸趨于穩(wěn)定。隨著NaCl氣溶膠粒子在濾料表面沉積，漸漸形成一層濾餅，它也能起到過濾的作用，因此過濾效率又逐漸增大。此外，也可能是PAYATAKES等[6]提出的shadowing效應(yīng)，NaCl氣溶膠粒子可在纖維表面形成樹突，即后面的NaCl氣溶膠粒子會撞擊纖維表面覆蓋的NaCl氣溶膠粒子并附著在其上面，形成枝晶。ARDKAPANS[7]也提出，纖維表面形成的枝晶可能會增強濾料對細微顆粒的捕集能力，提高濾料的過濾效率。

從圖5還可以看出，當(dāng)過濾效率下降至最低點后，在其回升過程中，樣品2的回升速度最快，樣品1次之，樣品3最慢。這表明隨著空氣濾料表層的細旦纖維含量增加，過濾效率在后期的回升速度加快。在過濾效率的回升過程中，發(fā)生作用的過濾機理基本上是機械過濾。濾料上表層的細旦纖維可以有效增加形成濾餅的概率，從而提高過濾效率，而且如前文所述，在纖維表面形成枝晶也能提高過濾效率，而纖維線密度越小，電暈駐極處理效果越好，在纖維表面附著的NaCl氣溶膠粒子越多，容易形成更多的枝晶。

2.4 靜電衰減性能

由于電暈駐極處理剛完成時樣品的表面電壓太高，超過靜電壓計的測量量程，所以3個樣品都是在電暈駐極處理完成后放置70 h再進行靜電衰減性能的測試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 靜電衰減性能測試結(jié)果

如圖6所示，3個樣品的表面電壓都在前82 h內(nèi)出現(xiàn)迅速衰減，之后衰減速度變慢；達到214 h后，3個樣品的表面電壓都趨于穩(wěn)定，不再出現(xiàn)明顯衰減。由圖6中的局部放大圖可以看出，在118 h后，樣品1與樣品2的表面電壓的衰減速度基本穩(wěn)定，但樣品3的表面電壓依舊在迅速衰減。也就是說，樣品3的表面電壓的衰減幅度最大，樣品1與樣品2的表面電壓的衰減幅度基本類似，樣品1的表面電壓的衰減幅度略大于樣品2。由此可知，本試驗中，PE/PP皮芯纖維空氣濾料上表層的細旦纖維含量增加可以提高濾料儲存電荷的穩(wěn)定性。纖維的線密度越小，纖維與纖維之間能構(gòu)成更多的“陷阱”儲存電荷，樣品1的上表層為細旦纖網(wǎng)層，樣品2的上、下表層都有大量的細旦纖維，所以樣品1與樣品2釋放電荷的速度比較慢。

3 結(jié)論

首先將不同線密度的PE/PP皮芯纖維進行混合梳理形成單層纖網(wǎng)，再將單層纖網(wǎng)多層疊合形成復(fù)合纖網(wǎng)，最后經(jīng)熱風(fēng)黏合加固和電暈駐極處理制備出具有不同梯度結(jié)構(gòu)的PE/PP皮芯纖維空氣濾料，其中“細-粗-細”梯度結(jié)構(gòu)的空氣濾料的綜合性能最優(yōu)：

(1) 能夠有效提高電暈駐極處理效果，空氣濾料的過濾效率增大且過濾阻力較低。

(2) 表面能有效形成濾餅，空氣濾料的過濾效率提高，使用壽命延長。

(3) 表面電壓的衰減速度比較緩慢，儲存電荷的能力更好。

對PE/PP皮芯纖維空氣濾料的結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計，是改善其使用性能的有效手段。