賴 艷，張得昆

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著世界工業(yè)水平的發(fā)展,環(huán)境中的空氣品質不斷下降.為了提高空氣質量,國家與地方政府頒布實施了一系列嚴格的環(huán)保法規(guī),使空氣過濾成為世界過濾市場中增長最快的部分[1-2].空氣過濾材料在大氣環(huán)境治理中的應用前景將更加廣闊[3].非織造過濾材料呈三維結構,纖維在其中隨機排列,使得非織造布材料具有很高的過濾效率.此外,纖維的隨機排列還提高了載體相的流動速度,加快了過濾速度[4-5].非織造濾材因其在過濾效率、容塵能力等方面的突出優(yōu)勢,已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)紡織濾材并占據(jù)纖維類過濾介質領域的主導地位[6].文獻[7-8]研究了非織造布的孔徑分布及過濾效率,得出非織造布比機織布和針織布的過濾性能更加優(yōu)良；孔徑大小及分布對非織造過濾材料的過濾性能有著重要的影響,孔徑越大,孔徑大小分布分散程度越大,過濾效率越低.文獻[9-10]研究孔徑的大小及其分布會影響非織造布的透氣率,從而影響過濾效率.文獻[11]研究了芳綸纖維的物理性能與過濾性能,得出其透氣率更大,孔徑分布范圍更廣,動態(tài)濾塵性能好.而在不同針刺密度及熱軋?zhí)幚砗髮︶槾踢^濾氈孔徑的影響研究卻少之甚少.因此,本文采用滌綸、ES纖維為原料,通過梳理針刺工藝制備針刺過濾氈,探究不同工藝參數(shù)對針刺過濾氈孔徑及透氣性能的影響.

1 實 驗

1.1 原料

滌綸纖維(8 dtex×64 mm,南通羅萊化纖有限責任公司),ES纖維(4 dtex×54 mm,熔點110 ℃,廣州藝愛絲纖維有限公司).

1.2 儀器

WL型小型針刺生產(chǎn)線(太倉市雙鳳非織造布設備有限公司),YD141D型織物厚度儀(溫州大榮紡織儀器公司),FA100A型電子天平(上海皓莊儀器公司),YG461L型數(shù)字織物透氣量儀(萊州市電子儀器分公司),PSM-165孔徑測定儀(德國Topas公司).

1.3 樣品的制備

以滌綸纖維、ES纖維為原料,混合比例分別為30∶70,50∶50,70∶30,通過開松、混合、梳理、鋪網(wǎng)和針刺加固工藝,生產(chǎn)出針刺密度為100 刺/cm2,150 刺/cm2,200 刺/cm2,250 刺/cm2,300 刺/cm2的針刺過濾氈樣品,面密度設定為200 g/m2.纖維混合比為30∶70的樣品,分別編號為A1～A5;纖維混合比為50∶50的樣品,分別編號為B1～B5;纖維混合比為70∶30的樣品,分別編號為C1～C5.然后選擇滌綸與ES纖維配比為50∶50的樣品進行熱軋?zhí)幚?熱軋溫度為170 ℃,壓輥間隙為0.60 mm),樣品分別編號為D1～D5,選擇10種樣品進行測試分析.探究不同針刺密度和不同纖維混合比對孔徑及透氣性能的影響及熱軋后孔徑和透氣變化情況及規(guī)律.

1.4 性能測試

1.4.1 定量 取300 mm×300 mm的試樣10塊,根據(jù)GB/T 24218.1—2009《紡織品非織造布實驗方法第一部分:單位面積質量的測定》標準進行測試.

1.4.2 厚度 取300 mm×300 mm的試樣10塊,根據(jù)GB/T 24218—2009《紡織品非織造布測試方法 第二部分:厚度的測定》進行測試.

1.4.3 透氣性 取300 mm×300 mm的試樣10塊,實驗圓臺20 cm2,測量壓力為200 Pa.根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測試》標準進行測試.

1.4.4 孔徑大小及其分布 選用直徑為6 mm的綠色樣品夾具,測試液體為純凈水,樣品裁成直徑為30～40 mm的圓形,取樣時盡量選擇厚度和面密度相近的試樣.其測試標準為ASTM F316-03(2011)《通過起泡點和平均流動孔徑試驗描述膜過濾器的孔大小特征的試驗方法》.

2 結果與分析

2.1 面密度和厚度

樣品在不同工藝參數(shù)下的定量、厚度的測試結果如表1所示.

表 1 不同針刺密度下針刺氈的面密度和厚度

從表1可以看出,加工的針刺過濾氈樣品的面密度有一定的波動,在相同混合比例下,隨著針刺密度的增加,面密度略有降低的趨勢,這是因為在一定范圍內,針刺密度增加,纖網(wǎng)前進時受到托網(wǎng)板與刺針的阻力以及輸入與輸出的速比而造成牽伸,使得面密度略有降低趨勢,但總體上,實際面密度與設計值偏差不大,符合進一步測試分析要求.

同時，還可以看出,在相同纖維混合比下,樣品厚度隨著針刺密度增加略有降低的趨勢,這是因為在一定范圍內隨著針刺密度的增加,非織造布內部纖維相互纏結越來越多,結構排列得更加緊密;在相同針刺密度下,隨著ES纖維比例的提高樣品厚度有降低的趨勢,這是因為樣品中ES纖維細度較細,卷曲較少,隨著ES纖維比例的增加,纖維間的孔隙較小,樣品的蓬松度降低,造成了厚度有降低;對比熱軋前后的樣品,可以看出熱軋后的厚度明顯降低,這是由于熱軋后樣品的厚度主要取決于壓輥間隙和壓輥溫度,壓輥間隙越小,溫度越高,厚度越低.

2.2 針刺密度對孔徑的影響

孔徑及分布反映了過濾材料的內部結構,表示材料具有不同形狀大小的孔隙通道.是評價材料過濾性能的一項重要指標.平均孔徑反映材料整體過濾能力,最大孔徑值則反映濾材缺陷,孔徑分布反映各種尺寸孔徑的百分比,都可以用來評價材料阻止粉塵顆粒通過的能力[12-13].

實驗采用間接法中的泡點法測試孔徑,而泡點法與壓汞法相比,可以減小結構壓縮對測定結果的影響,更適用于纖維過濾材料孔徑特征的測定[14-15].其原理是在壓力作用下使氣體通過干、濕(被已知表面張力的液體飽和潤濕)試樣毛細孔,從氣體流量的變化來分析和計算孔徑分布和孔徑大小[16].通過對比分析不同工藝參數(shù)下的濾材試樣的孔徑,可以了解這些工藝對濾材的過濾性能的影響.

2.2.1 針刺后過濾氈的孔徑 為了分析不同針刺密度對孔徑的影響,選取滌綸纖維和ES纖維混合比為50∶50,針刺密度為100 刺/cm2,150 刺/cm2,200 刺/cm2,250 刺/cm2,300 刺/cm2的樣品進行測試分析,其測試結果如圖1所示.

從圖1中可以看出,在一定范圍內平均孔徑隨著針刺密度增加呈多項式關系下降,而最大孔徑值隨著針刺密度增加呈指數(shù)關系下降.其相關系數(shù)R2分別為0.92和0.888 7,表明孔徑與針刺密度相關性較高,總體上講孔徑隨著針刺密度變化幅度比較明顯.這是因為針刺密度在特定范圍內,隨著針刺密度的增加纖維之間的纏結會顯著增加,纖維間間隙會降低,使得孔徑有比較明顯的減小.

2.2.2 熱軋后針刺過濾氈的孔徑 選取滌綸纖維和ES纖維混合比為50∶50的針刺氈,經(jīng)過熱軋?zhí)幚?熱軋溫度為170 ℃,壓輥間隙為0.60 mm),測試其不同針刺密度下的孔徑變化情況,其結果如圖2所示.

圖 1 不同針刺密度針刺過濾氈的平均孔徑和最大孔徑 圖 2 熱軋后不同針刺密度針刺過濾氈的平均孔徑和最大孔徑 Fig.1 Average pore diameter and maximum pore Fig.2 Average pore diameter and maximum pore diameter of needle filtrated felt with different diameter of needle filtrated felt with different needling density needling density after hot rolling

從圖2可以看出,熱軋后樣品的平均孔徑隨著針刺密度增加呈多項式關系下降,而最大孔徑值隨著針刺密度增加有呈指數(shù)關系下降的趨勢.其相關系數(shù)R2分別為0.889 3和0.889 8,表明孔徑與針刺密度相關性較高,但與熱軋前相比,隨針刺密度的增加平均孔徑和最大孔徑的降低幅度都不大,這是因為在特定的熱軋輥溫度和壓力作用下,熱軋后樣品中ES纖維融化,使得樣品內部纖維之間更緊密地黏合在一起,纖維間的緊密程度和孔隙大小主要取決于熱軋溫度和壓力,針刺密度對樣品中纖維間的孔隙大小和黏合程度的影響已經(jīng)降為不顯著的因素.

表 2 不同纖維混合比下的孔徑

2.3 纖維混合比對孔徑的影響

為了分析纖維比例對孔徑的影響,選取針刺密度為200 刺/cm2,滌綸和ES纖維配比分別為30∶70,50∶50,70∶30的樣品進行測試,其結果如表2所示.

從表2可以看出,隨著滌綸纖維比例的減小,其最大孔徑和平均孔徑也隨之減小.原因可能是在本樣品中滌綸纖維細度較大,卷曲較多,因此滌綸比例越大,樣品越蓬松,纖維間隙也越大,孔徑就越大;反之,樣品中ES纖維的細度較細,卷曲少,隨著ES纖維比例的提高,樣品的蓬松降低,纖維之間孔隙變小,孔徑有所減小.因此,可以看出在樣品中隨著較細纖維含量的增加，樣品的平均孔徑和最大孔徑都會降低.

2.4 熱軋前后對透氣性能的影響

為了分析熱軋前后對針刺氈透氣性能的影響,選取滌綸纖維和ES纖維混合比為50∶50的樣品進行針刺加固和熱軋?zhí)幚?分別測試其透氣率,測試結果如圖3,4所示.

圖 3 熱軋前針刺過濾氈的透氣性能 圖 4 熱軋后針刺過濾氈的透氣性能 Fig.3 Permeability of needled filtrated felt before Fig.4 Permeability of needled filtrated felt hot rolling after hot rolling

從圖3,4可以看出，熱軋前后的透氣率與針刺密度都呈多項式下降關系,相關系數(shù)R2都在0.95以上,表明其相關性很高.從圖3中可以看出,熱軋前樣品的透氣率隨著針刺密度增加而下降,且下降幅度比較大,這是因為針刺密度在一定范圍內,隨著針刺密度的增加,樣品的纏結變得更為緊密,纖維間的空隙會顯著降低,樣品的孔徑也會明顯減小,因此隨著針刺密度的增加,透氣性會有明顯的減小.從圖4中可知,熱軋后樣品的透氣率也隨著針刺密度增加有下降的趨勢,但與熱軋前相比減小幅度不大,這是因為熱軋后樣品中纖維之間的緊密程度和黏合程度不僅取決于針刺密度,更取決于熱軋輥的溫度和壓力,在一定的熱軋溫度和熱軋壓力下,針刺密度對樣品中纖維間的孔隙大小和黏合程度的影響降成不顯著的影響因素．

對比圖3,4可以看出,熱軋后的透氣率明顯降低.其原因是在特定的熱軋溫度和壓力下,熱軋溫度和壓力變成了影響樣品內部纖維黏合和孔隙大小的決定性因素,經(jīng)過熱軋后ES纖維融化并與滌綸纖維更緊密地黏合在一起,使非織造布纖維間更加緊密,因此熱軋后的樣品中纖維間間隙會顯著降低,透氣率也會明顯下降．

3 結 論

(1) 熱軋前后樣品的平均孔徑都隨著針刺密度增加呈多項式關系下降.最大孔徑都隨著針刺密度增加,呈指數(shù)關系下降,但在熱軋前隨著針刺密度的增加孔徑降低的幅度較大,而熱軋后隨著針刺密度的增加孔徑降低的幅度較小.

(2) 熱軋前后樣品的透氣性隨著針刺密度的增加都呈現(xiàn)多項式下降關系;但在熱軋前隨著針刺密度的增加透氣性能降低的幅度較大,而熱軋后隨著針刺密度的增加透氣性降低的幅度較小.

(3) 在相同針刺密度下,樣品的平均孔徑和最大孔徑都隨著較細纖維比例的增加而減小.

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