水刺復合加工方法在過濾材料制造領域中的應用

孫 婷 唐子杰 張如全 劉雪強, 2

1. 武漢紡織大學，湖北 武漢430200；

2. 軍需工程技術研究所，北京100010

近幾十年來我國工業(yè)發(fā)展迅速，但隨之也帶來了工業(yè)廢氣、廢水和廢物等的處理問題，這使得對過濾材料的需求和要求日益提高。傳統(tǒng)機織過濾布經(jīng)緯紗線間的孔隙易被過濾的顆粒堵塞。傳統(tǒng)針刺過濾材料因加工工藝會對纖維和基布造成一定的損傷，故在過濾精度方面也存在不足。近年，許多專家學者將目光投向水刺非織造材料，且由于水刺復合過濾材料的過濾效率和過濾阻力均大于單層水刺非織造材料[1]，故水刺復合的加工方法成為了過濾材料制造領域的一個重要研究方向，例如采用水刺工藝將不同材料復合制造過濾材料，將水刺工藝與其他非織造加工工藝組合制造過濾材料，以及將含水刺非織造材料層壓復合制造過濾材料等，都有相關的報道。

1 不同材料的水刺復合工藝

傳統(tǒng)的過濾材料主要以機織布為主，其強度較高且價格低廉，是環(huán)保過濾企業(yè)的選用對象。目前在過濾材料領域，水刺復合工藝最常見的加工對象是非織造材料與機織布，其通過微細高壓水流對兩種或兩種以上的材料進行穿透，以獲得界面相結合的整體性材料，且無需化學黏合劑[2]。機織布與非織造材料水刺復合后，復合過濾材料的面密度和厚度明顯增加，過濾效率和過濾阻力均有提升[3]，這為企業(yè)生產(chǎn)過濾效率較高的機織復合產(chǎn)品提供了參考。例如：將機織布作為復合過濾材料中間的支撐層，利用水刺工藝將超細纖維層或高性能纖維層覆蓋并加固到機織布表面，可獲得強度高、過濾精度高的復合過濾材料；或者將機織布作為復合過濾材料的基布層，將過濾效率高的迎塵層或其他的疊加層等通過水刺工藝與基布層復合，可獲得既柔軟又密實的復合材料。

常用的過濾用機織物主要是玻纖機織物，其是一種膨體無堿玻纖紗線采用平紋織法制成的織物。上海博格工業(yè)用布有限公司曾采用水刺加固工藝將聚酰亞胺(P84)纖維層復合到玻纖濾布的迎塵面上[4]，其還同其他公司采用水刺加固工藝將由玻璃纖維與聚四氟乙烯(PTFE)短纖混合的纖維層復合到玻纖基布上[5]。

除了常用的玻纖機織物外，還有其他新型基布層，如PTFE基布[6]、含金屬纖維基布、聚苯硫醚(PPS)基布、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)基布等。不同材料的水刺復合擴大了產(chǎn)品的整體適用范圍。如江蘇藍天環(huán)保集團有限公司[7]利用水刺加固工藝，在由玄武巖纖維紗線和PTFE纖維紗線混合織成的基布兩側，復合了由玄武巖纖維、無堿玻纖、PTFE纖維混合而成的纖維網(wǎng)，制得了一種高溫耐酸玄武巖纖維水刺復合過濾氈。

2 水刺與其他非織造工藝組合的復合工藝

將水刺與其他非織造工藝組合，可生產(chǎn)出兼具多種工藝優(yōu)點的水刺復合材料，一次成型，且無材料轉移。

2.1 針刺-水刺復合工藝

針刺-水刺復合工藝是過濾材料制造業(yè)中最常用的一種復合方法，其不僅突破了傳統(tǒng)針刺過濾材料產(chǎn)品手感粗糙、過濾精度有限的局限性，還保留了針刺非織造材料一定的耐磨性和強度。例如，將P84/PPS纖維網(wǎng)水刺后作為迎塵面，與PPS基布針刺加固，得到復合過濾材料[8]。這種先對纖維網(wǎng)進行水刺的方法可減小纖維間孔隙，使纖維抱合更緊密，最終得到較為理想的過濾材料。

新型針刺-水刺復合工藝利用高速水流的沖擊作用，對經(jīng)過預針刺的纖維網(wǎng)進行水刺加固，使纖維纏結，以生產(chǎn)出高強力的過濾材料[9]。例如，將P84纖維層與金屬纖維進行預針刺，再進行水刺和熱定型處理，制得金屬纖維基特種耐高溫煙氣除塵過濾氈[10]。這種新型針刺-水刺復合工藝可降低纖維的使用量和生產(chǎn)成本，且制得的過濾材料既具有水刺工藝賦予的孔徑均勻的效果，又具有針刺工藝賦予的強度。

2.2 紡黏-水刺復合工藝

紡黏-水刺復合工藝將紡黏和水刺工藝組合為一整套工藝流程，縮減了生產(chǎn)流程，減少了交通運輸費用和原材料的浪費，且制得的產(chǎn)品兼具兩種工藝的優(yōu)點。

傳統(tǒng)的紡黏-水刺復合工藝主要是在紡黏工藝之后再進行水刺復合的，例如上海博格工業(yè)用布有限公司等[11]在PET紡黏長絲基布的表面水刺復合短纖維面層，得到厚度薄、強力高的復合水刺過濾氈產(chǎn)品；新型紡黏-水刺復合工藝在紡黏和水刺工藝之間增加了其他的加固工藝，例如浙江嚴牌過濾技術股份有限公司等[12]將聚酯(PET)/聚酰胺(PA)共混紡黏長絲纖維網(wǎng)，先通過針刺加固，再進行化學處理，最后水刺加固，制得了復合非織造過濾材料。

雙組分紡黏-水刺復合工藝采用雙組分復合纖維，且通過設計復合纖維的截面結構，可制備出適用于高效過濾領域的產(chǎn)品。所得產(chǎn)品不僅纖維截面特殊、纖維更細，而且過濾精度更高、手感更柔軟。其主要流程包括將兩種紡絲原料經(jīng)過獨立的螺桿擠出機和計量泵進行熔融、擠壓和過濾后，再由雙組分紡絲組件進行復合紡絲，拉伸、鋪網(wǎng)后再進行水刺和開纖等。常見的過濾材料用雙組分紡黏-水刺復合纖維的類型主要有橘瓣型和海島型等。例如：廣東寶泓新材料股份有限公司[13]將PET切片與水溶性PET切片采用雙組分紡黏-水刺復合工藝制備纖網(wǎng)后，再通過堿處理，使產(chǎn)品中的纖維呈中空多孔狀，所得產(chǎn)品過濾精度更高。

2.3 熔噴-水刺復合工藝

熔噴非織造材料纖維直徑小、比表面積大[14]、孔隙小，可攔截較小粉塵，常用于制作過濾材料。目前，國內常見的熔噴復合過濾材料主要采用熔噴-針刺復合工藝生產(chǎn)。但相對于針刺工藝，水刺工藝可減少對纖維的損傷，因此熔噴-水刺復合工藝可獲得更理想的產(chǎn)品。

熔噴-水刺復合工藝是將熔噴非織造材料與其他材料進行水刺加固的一種工藝。例如：上海博格工業(yè)用布有限公司將熔噴超細纖維網(wǎng)與干法成網(wǎng)的纖維網(wǎng)通過水刺進行復合制造了過濾氈[15]；其還將熔噴超細纖維覆合于針刺纖維基材上，再通過水刺加固制得了熔噴水刺高密度過濾氈[16]。

熔噴非織造材料纖維越細、過濾效率高，但也伴隨著過濾阻力增加的問題。駐極處理是一項能提高過濾效率、降低過濾阻力的技術。若對熔噴-水刺復合過濾材料進行駐極處理等后整理，則有望制備出更令人滿意的過濾材料產(chǎn)品。

2.4 氣流成網(wǎng)-水刺復合工藝

由氣流成網(wǎng)制備的纖維網(wǎng)，其纖維呈三維隨機排列的結構，這使得欲過濾的顆粒有更多的機會與纖維黏附，達到過濾的目的。因此，氣流成網(wǎng)制備的纖維網(wǎng)常被用于過濾材料的制造。

傳統(tǒng)的氣流成網(wǎng)工藝制造的非織造材料主要采用加熱或化學黏合的方法進行加固，這存在一定的弊端；氣流成網(wǎng)-水刺復合工藝無需熱熔纖維或添加黏合劑，這樣產(chǎn)品所含的功能性纖維可以更多，過濾效果可以更好。在過濾材料制造領域中，氣流成網(wǎng)的加工對象主要是PTFE短纖維、玄武巖短纖維等。王萍[17]針對芳綸1313與玄武巖纖維，對比了氣流成網(wǎng)與梳理成網(wǎng)兩種成網(wǎng)方式，發(fā)現(xiàn)氣流成網(wǎng)的成網(wǎng)效果更好。

氣流成網(wǎng)-水刺復合工藝可一次性完成，還可再結合其他材料進行水刺復合完成。例如，杭州華頂環(huán)?？萍加邢薰綶18]將PTFE短纖氣流成網(wǎng)，并作為迎塵層和疊加層，與其他基布一起進行水刺復合，制得了柔性過濾氈。

今后，可著重對氣流成網(wǎng)用纖維原料、基布用纖維原料及水刺加固工藝等進行探究，使制得的過濾材料具有過濾精度高、使用壽命長和多功能等特性。

3 含水刺非織造材料的層壓復合工藝

層壓復合主要是指將兩種或兩種以上的材料通過加壓黏合的方式結合為一體的工藝。應用該工藝制造的含水刺非織造材料的復合過濾材料，不僅具有水刺非織造材料強度佳的優(yōu)點，還具有復合層壓材料較高的過濾精度，且耐高(低)溫，耐酸堿，抗靜電，基體材料價格低廉，不會造成高性能纖維的浪費等。

3.1 含水刺非織造材料的梯度結構層壓復合

梯度過濾主要借助由不同線密度纖維或不同密度材料形成的梯度結構，實現(xiàn)過濾的目的。梯度結構可依次由迎塵層、疊加層、基布層和底層構成，每層都有不同的功效。如：迎塵層主要由超細纖維構成，可達到高過濾精度的目的；基布層主要由強力較高的材料組成，可起到支撐骨架的作用。常見的迎塵層主要由PTFE纖維、PPS纖維，以及橘瓣型、海島型超細纖維組成。例如：翁美玲[19]采用PTFE/PPS水刺非織造材料作為迎塵面，PPS粗纖維作為疊加層和底層，PPS基布作為基布層，開發(fā)出工業(yè)用過濾材料。

在過濾材料產(chǎn)業(yè)中，目前廣泛采用的層壓復合工藝是將不同的纖維網(wǎng)按梯度結構進行水刺復合。浙江互生非織造布有限公司[20]采用梯度結構層壓復合工藝制備出了纖維線密度由外到內依次增大的針刺-水刺復合過濾材料。該復合過濾材料過濾精度高，粉塵不易進入內部，可達到多梯度過濾的效果。

不同功能材料的優(yōu)良組合可賦予復合過濾材料多功能效果，且不同材料層的組合還可獲得更具理想效果的過濾材料產(chǎn)品。因此，不同材料的優(yōu)化組合和復合材料的結構設計，將是今后梯度結構過濾材料的重要研究方向。

3.2 水刺非織造材料與膜層壓復合

膜材料是當今比較熱門的復合用材料。若將纖網(wǎng)與膜材料進行復合，可使纖網(wǎng)獲得一定的防護和攔截等功能。有研究顯示，針刺、水刺和覆膜過濾材料的平均孔徑依次減小,孔徑分布依次變窄[21]。而較小的孔徑尺寸及均勻的孔徑分布能有效提高過濾材料的過濾效率，因此，三者中覆膜過濾材料的過濾效率更高。

目前在過濾材料領域，常用的膜材料有PTFE膜等。例如：凈華環(huán)境技術(上海)有限公司[22]在超細纖維層表面通過熱壓法黏附了一層PTFE微孔膜，制得了雙表面高精度過濾氈；王學彬[23]利用膠黏劑將PTFE微孔過濾膜與水刺非織造材料粘連，制得了一種高透氣防塵包裝材料。這類與PTFE膜復合的過濾材料可通過水沖洗的方式進行清洗，使其過濾性能恢復，實現(xiàn)重復使用并延長使用壽命的目標。

如今，有關超濾膜的研究日益增多，但超濾膜孔隙易被污染物堵塞，存在使用壽命短、重復使用性差等問題，且改性成本較高[24]，故超濾膜材料多為一次性。石勇等[25]以多孔濾紙為支撐層、聚乙烯醇(PVA)與氣相二氧化硅(SiO2)共混體為超薄皮層，制備了紙質復合超濾膜。常州大學[26]研發(fā)了一種納米結構復合超濾膜，其以靜電紡絲制得的纖維膜作為基層，并對其進行表面涂層，再與多孔功能性材料通過空氣噴壓工藝復合，然后在凝固浴中開孔浸漬，干燥后得到納米結構復合超濾膜。

目前，市面上還沒有水刺超濾材料。水刺非織造材料的強力比紙質高，成本比靜電紡纖維膜低。因此，利用水刺非織造材料作為基層，表面復合超濾膜，可成為下階段的研究方向。

3.3 水刺非織造材料與靜電紡材料的層壓復合

水刺非織造材料與靜電紡材料的層壓復合是通過加壓或黏合的方式將兩者合為一體的。靜電紡絲法可生產(chǎn)出納米級乃至微納米級的纖維，用其制成的過濾材料可進行超濾。但目前靜電紡絲法尚存在不能產(chǎn)業(yè)化的局限性，故水刺非織造材料與靜電紡材料的層壓復合工藝還處于科研探索階段。

陳程[27]利用兩層PET水刺非織造材料作為基材，與靜電紡二醋酸纖維膜采用三明治式結構進行復合，制得了復合過濾材料，還對比研究了含均勻納米纖維膜與含串珠纖維膜的復合過濾材料的過濾性能。研究表明：利用均勻納米纖維膜作為過濾功能層時,復合過濾材料的過濾效率好,但過濾阻力較大；利用串珠纖維膜作為過濾功能層時,復合過濾材料的過濾阻力較小，但相應的過濾效率也較低。因此，基于靜電紡絲法制得的不同形態(tài)纖維膜的過濾效果和過濾原理，采用不同的復合方法，可制造出具有梯度過濾或不同功能過濾的產(chǎn)品。例如，中國科學院城市環(huán)境研究所等[28]將靜電紡超細納米纖維層、串珠納米纖維層、微米纖維層和非織造基材復合，制得了四層復合微納米纖維過濾氈，且過濾效果卓越。

靜電紡過濾材料較常規(guī)過濾材料的過濾效率高，但強度差，產(chǎn)量低，且目前水刺非織造材料與靜電紡材料的復合工藝主要是層壓復合，因此，如何突破自身工藝的局限性，設計出其他復合工藝，是待以思考的問題。

4 結語

水刺復合過濾材料較針刺過濾材料的過濾精度更高，對纖維的損傷較小，因此在過濾材料制造領域，水刺工藝復合是極為重要的一種加工方法。采用水刺工藝復合的不同材料主要是非織造材料與機織物；水刺與其他非織造加工工藝的組合主要有針刺與水刺組合、紡黏與水刺組合、熔噴與水刺組合，以及氣流成網(wǎng)與水刺組合等；含水刺非織造材料的層壓復合工藝主要有梯度結構復合、水刺非織造材料與膜材料復合，以及靜電紡材料與水刺非織造材料復合等。水刺復合加工可生產(chǎn)出高性能和多功能的過濾材料，目前我國有關水刺復合加工方法制造過濾材料的生產(chǎn)技術還處于探索階段，今后可從原材料的選擇、工藝的條件和復合的方式等方面著手研究，以開發(fā)出令人滿意的水刺復合過濾材料產(chǎn)品。