云高杰 ,楊麗英 ,王 蕾，云獻(xiàn)立

（1.常州百朋紡織有限公司，江蘇常州 213165；2.江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122）

隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和煤炭、石油等能源的不斷消耗，工業(yè)集聚地的持續(xù)增多以及化肥農(nóng)藥的廣泛施用，污染物不斷排放到環(huán)境中。根據(jù)國(guó)家生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和國(guó)家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在2020年6月發(fā)布的《第二次全國(guó)污染普查公報(bào)》顯示，2017年，全國(guó)大氣污染物排放量為二氧化硫6.96×106t，氮氧化物17.85×106t，顆粒物16.84×106t[1]，其中，工業(yè)污染源排放量占比最大。大氣污染物威脅著農(nóng)產(chǎn)品的安全和人類(lèi)的健康。

現(xiàn)階段，主要依靠多孔過(guò)濾材料從氣固兩相流中捕集大氣污染物，達(dá)到凈化空氣的效果，提高空氣的潔凈程度[2]。靜電棉是用靜電纖維制備而成的非織造過(guò)濾材料，它利用靜電荷對(duì)空氣中的微小灰塵進(jìn)行捕捉和吸附[3]，不但具有針刺棉的超低風(fēng)阻，亦具有靜電荷吸附微細(xì)顆粒[4]，從而具有較好的空氣過(guò)濾效果。周全考慮過(guò)濾效率與風(fēng)阻二者的矛盾十分重要，靜電棉主要用于口罩及室內(nèi)空氣凈化器等，尤其作為防疫口罩的原材料，已受到人們的普遍關(guān)注。

本研究針對(duì)靜電棉過(guò)濾效率和阻力的性能，設(shè)置不同針刺工藝參數(shù)，如改變針刺頻率、針刺深度和輸出速度，研究針刺工藝參數(shù)對(duì)靜電棉過(guò)濾效率和阻力的影響，以及過(guò)濾效率和阻力之間的關(guān)系，試為高過(guò)濾效率、低阻力靜電棉的制備提供理論參考。

1 靜電棉生產(chǎn)工藝

靜電棉針刺生產(chǎn)工藝流程主要包括開(kāi)包、初開(kāi)松、混棉、精開(kāi)松、梳理、鋪網(wǎng)、預(yù)刺、主刺、修面針刺、收卷。

首先，將特種化學(xué)靜電纖維定重，進(jìn)行初步松解，使大的纖維團(tuán)開(kāi)松，纖維均勻混合；然后進(jìn)行精開(kāi)松，進(jìn)一步使纖維松解，整個(gè)過(guò)程應(yīng)避免對(duì)纖維造成損傷。再將經(jīng)過(guò)開(kāi)松與充分混合的纖維放入氣壓棉箱，做好梳理前的準(zhǔn)備。當(dāng)纖維進(jìn)入梳理機(jī)，剝輥與錫林對(duì)纖維進(jìn)行梳理，然后通過(guò)道夫輸出形成輕薄的纖維網(wǎng)。進(jìn)入鋪網(wǎng)工序，齒形帶傳動(dòng)纖維網(wǎng)進(jìn)行折疊形成多層纖網(wǎng)，進(jìn)而多層纖網(wǎng)進(jìn)入針刺工序。在針刺工序中，采用預(yù)刺、主刺和成型刺3道工序，通過(guò)大量帶有刺鉤的刺針對(duì)多層纖網(wǎng)反復(fù)穿刺，增加纖維之間的摩擦力，使原本蓬松的多層纖網(wǎng)逐步產(chǎn)生擠壓，達(dá)到提高強(qiáng)力的效果[5]。最終通過(guò)卷取工序制成非織造卷裝材料。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

試樣平方米克重選用90g/m2，由常州百朋紡織有限公司生產(chǎn)。

2.2 針刺工藝參數(shù)調(diào)節(jié)

針刺工藝參數(shù)主要包括預(yù)刺頻率、主刺頻率、成型刺頻率、預(yù)刺深度、主刺深度、成型刺深度、預(yù)刺輸出速度、主刺輸出速度和成型刺輸出速度，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

為了達(dá)到提高棉網(wǎng)強(qiáng)力的目的，從預(yù)刺、主刺到成型刺的頻率逐漸加快；成型刺的深度也較前兩道針刺工序的深；各道針刺輸出速度逐漸變大，有利于形成輕薄型針刺材料，降低平方米克重。

2.3 性能測(cè)試方法

本研究采用YG141型厚度儀，依據(jù)GB/T24218.2-2009測(cè)量試樣厚度；采用圓型取樣器，依據(jù)GB/T 24218.1-2009測(cè)量試樣平方米克重；采用TSI8130自動(dòng)濾料測(cè)試儀，依據(jù)GB 19083測(cè)量試樣過(guò)濾效率和阻力。

表1 針刺工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與分析

對(duì)試樣進(jìn)行過(guò)濾性能測(cè)試，其過(guò)濾效率和阻力的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2數(shù)據(jù)通過(guò)TSI 8130型自動(dòng)濾料檢測(cè)儀測(cè)得，用0.3μm作為檢測(cè)過(guò)濾效率的顆粒物的粒徑指標(biāo)[5]，在32L/min濃度和流量條件下，試樣大小為100cm2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為4次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值。從表2可以看出，針刺頻率、針刺深度和輸出速度對(duì)靜電棉過(guò)濾效率和阻力有一定影響，8組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的過(guò)濾效率與阻力之間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.87，說(shuō)明過(guò)濾效率與阻力的變化趨勢(shì)一致。

3.1 針刺頻率對(duì)靜電棉性能的影響

表1中，序號(hào)1～4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以用于分析針刺頻率對(duì)靜電棉性能的影響，序號(hào)2試樣各道針刺工序的針刺頻率依次比序號(hào)1試樣的高200刺/min，序號(hào)3試樣的針刺頻率比序號(hào)2的高200刺/min，序號(hào)4試樣的針刺頻率比序號(hào)3的高200刺/min。從表2的過(guò)濾效率結(jié)果可以看出，序號(hào)2試樣的過(guò)濾效率比序號(hào)1試樣提高6.6%，序號(hào)3試樣的過(guò)濾效率比序號(hào)2試樣降低9.8%，序號(hào)4試樣的過(guò)濾效率比序號(hào)3的降低18.7%。從阻力的測(cè)試結(jié)果可以看出，序號(hào)2試樣的阻力比序號(hào)1試樣高0.8 Pa，序號(hào)3試樣的阻力比序號(hào)2試樣低0.9 Pa，序號(hào)4試樣的阻力比序號(hào)3試樣低0.5 Pa，證明了當(dāng)采用序號(hào)2的針刺工藝時(shí)，過(guò)濾效率可顯著提高，相應(yīng)阻力提升程度較低。

因此，當(dāng)預(yù)刺頻率為600刺/min、主刺頻率為730刺/min、成型刺頻率為780刺/min時(shí)，所制備靜電棉的過(guò)濾效率較好，相應(yīng)阻力也較大。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)針刺頻率達(dá)到900刺/min以上時(shí)，被刺斷的短纖維逐漸增多，隨著短纖維的積累，碎屑比例增多，導(dǎo)致粉塵產(chǎn)生，這樣不但不會(huì)提高過(guò)濾效率，反而使之過(guò)濾效果變差，針刺頻率工藝變化對(duì)阻力的影響與對(duì)過(guò)濾效率影響的規(guī)律一致。

3.2 針刺深度對(duì)靜電棉性能的影響

序號(hào)1、5和6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了針刺深度對(duì)靜電棉性能的影響規(guī)律。序號(hào)1、5和6的預(yù)刺深度、主刺深度和成型刺深度依次增加1mm，從表2中可以看出，3種工藝條件下的過(guò)濾效率依次為89.1%、90.5%和90.6%，呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；3種工藝條件下的阻力分別為1.1 Pa、1.3 Pa和1.4 Pa，所呈現(xiàn)的規(guī)律與過(guò)濾效率一致。說(shuō)明了針刺深度越深，加強(qiáng)了纖維與纖維之間的摩擦效果，使纖維網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，密度更大。但針刺深度過(guò)大，其過(guò)濾性能沒(méi)有改善，其單位面積上的刺針密度與針刺力度急劇增大，其布面針痕的程度會(huì)加大，外觀效果不佳。

3.3 輸出速度對(duì)靜電棉性能的影響

序號(hào)1、7和8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了棉網(wǎng)輸出速度對(duì)靜電棉性能的影響規(guī)律。序號(hào)1、7和8的預(yù)刺輸出速度、主刺輸出速度、成型刺輸出速度依次增加1mm，從表2中可以看出，3種工藝條件下的過(guò)濾效率依次為89.1%、88.6%和88.3%，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；3種工藝條件下的阻力分別為1.1 Pa、1.1Pa和1.0Pa，呈現(xiàn)出先不變后減小的趨勢(shì)。說(shuō)明了棉網(wǎng)輸出速度越快，針刺作用使纖維間摩擦越不充分，降低了纖維網(wǎng)的強(qiáng)力，使纖維網(wǎng)不夠致密。值得注意的是，當(dāng)棉網(wǎng)輸出速度過(guò)小，棉網(wǎng)收到針刺作用程度越大，會(huì)造成棉網(wǎng)堵積在針刺板上，導(dǎo)致刺針過(guò)度，不利于過(guò)濾效率的提升；當(dāng)棉網(wǎng)輸出速度過(guò)大，則容易因拉扯導(dǎo)致刺針彎曲，從而產(chǎn)生斷針。

4 結(jié)語(yǔ)

在新冠肺炎疫情防控工作絲毫不松懈的當(dāng)下，應(yīng)用于防護(hù)口罩生產(chǎn)的靜電棉的質(zhì)量和性能受到了高度關(guān)注，通過(guò)研究不同針刺工藝對(duì)靜電棉過(guò)濾效率和阻力影響的因素，將有利于提升過(guò)濾材料的質(zhì)量，更有效地保護(hù)人們的生命安全。研究結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，過(guò)濾效率隨著針刺頻率變大呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，隨著針刺深度加深而提升，隨著棉網(wǎng)輸出速度降低而提升；此外，過(guò)濾效率與阻力變化規(guī)律一致。