(東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)推動(dòng)了水泥、鋼鐵、電力等工業(yè)的發(fā)展，但也給環(huán)境帶來(lái)了巨大的負(fù)擔(dān)［1］。開(kāi)發(fā)應(yīng)用高性能濾料，尤其是適合于上述工業(yè)生產(chǎn)工況作業(yè)的耐高溫濾料，是緩解環(huán)境壓力的重要措施。利用濾料制成的過(guò)濾元件捕集含塵氣體中固體顆粒物，可有效凈化空氣。隨著國(guó)家對(duì)煙塵的粉塵排放濃度控制要求的提高，耐高溫濾料的應(yīng)用領(lǐng)域必將進(jìn)一步擴(kuò)大［2］。

國(guó)內(nèi)外高性能材料發(fā)展迅猛，目前在耐高溫濾料中應(yīng)用的耐高溫纖維有芳綸、聚苯硫醚(PPS)纖維、聚酰亞胺(PI)纖維、聚四氟乙烯(PTFE)纖維和玻纖等，這些纖維各具優(yōu)缺點(diǎn)。在比較了常用耐高溫纖維及濾料的性能后，本課題選用PI和PTFE為原料，研制了PI纖維/PTFE基布復(fù)合水刺氈濾料。該濾料系采用2層PI纖網(wǎng)與PTFE基布按“三明治”形式水刺加固而成，結(jié)合了兩種纖維的特性，使濾料的優(yōu)勢(shì)達(dá)最大化。

1 耐高溫濾料過(guò)濾性能的影響因素分析

1.1 纖維原料

不同纖維原料對(duì)濾料的過(guò)濾性能有直接的影響。例如:直徑較細(xì)的纖維形成的濾料微孔尺寸小，可以提高濾料的過(guò)濾精度［3］;三葉形或四葉形纖維的凹槽可以捕捉更多的顆粒，由其制成的濾料過(guò)濾效率比用圓形或兩葉形纖維制成的濾料更好;由卷曲纖維制成的濾料比用非卷曲纖維制成的濾料具有更高的過(guò)濾效率，同時(shí)可以減少過(guò)濾阻力［3］。

相同線密度的PI纖維與PPS纖維相比，表面積約大65%，其制成的濾料過(guò)濾精度高［3］。

本課題選用的PI纖維線密度為2.39 dtex，且具有均勻的長(zhǎng)度。圖1是在顯微鏡下觀察到的PI纖維截面和表面形態(tài)，三葉形的截面可大大提高過(guò)濾效率。PI纖維的卷曲度為4.47%，有利于水刺加固，可使纖維得到有效的纏結(jié)，保證材料的纏結(jié)性能和表面均勻性，從而使材料的孔隙率高，孔徑分布均勻。

圖1 PI纖維形態(tài)

表1是用于煙氣過(guò)濾濾料的纖維原料性能［4］。由表1可知，PI纖維具有較好的穩(wěn)定性能和耐高溫性能;作為增強(qiáng)材料的PTFE長(zhǎng)絲基布，耐高溫性好，且能彌補(bǔ)PI纖維不耐堿的劣勢(shì)。PI纖維/PTFE基布復(fù)合水刺濾料中PI纖維表層密實(shí)，粉塵難以進(jìn)入氈的內(nèi)部，有利于過(guò)濾和清灰［5］;同時(shí)，PI纖維層可保護(hù)PTFE基布，提高濾料的耐磨性，使用壽命長(zhǎng)。

表1 用于煙氣過(guò)濾濾料的纖維原料性能

1.2 濾料加固方式

在水刺工藝中，纖維總是在水力的作用下順著水流方向發(fā)生位移，在材料中呈三維交錯(cuò)隨機(jī)排列。水刺的柔性纏結(jié)復(fù)合技術(shù)有效地減少了普通針刺工藝中帶鉤的鋼針對(duì)基布長(zhǎng)絲的損傷，保持纖維形態(tài)完整，可提高材料的強(qiáng)度，并保證有效阻止塵粒。吳麗麗［3］對(duì)原料相同、規(guī)格相同的水刺和針刺濾料孔徑分布進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明:水刺耐高溫濾料孔徑集中分布在50 μm以下，微小孔徑較多;而針刺濾料的孔徑分布較分散，微小孔徑較少。這一結(jié)果說(shuō)明，水刺耐高溫材料在最初過(guò)濾時(shí)對(duì)細(xì)小顆粒具有較好的阻擋性，過(guò)濾性能較優(yōu)。

3.3 濾料結(jié)構(gòu)特性

在非織造濾料中，過(guò)濾性能與材料的厚度有很大關(guān)系，而濾料的厚度與其面密度及緊度之間有一定的關(guān)系。保持緊度基本不變，增加濾料的厚度，濾餅過(guò)濾通道減少，透氣度降低，流體阻力增大，其平均孔徑基本沒(méi)有變化，而最大孔徑有所減小。在保證過(guò)濾精度和材料強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減小濾料的厚度［3］。

2 試驗(yàn)部分

2.1 原料

PI纖維，長(zhǎng) 57.4 mm，線密度 2.39 dtex，橫截面呈不規(guī)則的葉片狀;

膜裂 PTFE基布，面密度 120 g/m2，經(jīng)密184根/(10 cm)，緯密136根/(10 cm)。

2.2 樣品制備

2.2.1 梳理成網(wǎng)

采用AS181A梳棉試樣機(jī)進(jìn)行梳理成網(wǎng)。復(fù)合纖網(wǎng)由上下兩層PI纖網(wǎng)與一層PTFE基布組成。上、下層PI纖網(wǎng)的面密度均為150 g/m2，PTFE基布的面密度為120 g/m2，復(fù)合纖網(wǎng)的設(shè)計(jì)面密度為420 g/m2。

2.2.2 水刺

采用德國(guó)水刺試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行水刺加工。水刺加固部分噴水板的孔密度為 16個(gè)/cm，孔徑為0.12 mm。由于較快的輸網(wǎng)速度不利于高面密度、高密度纖網(wǎng)的水刺加固，因而本課題底簾速度采用2 m/min。

本課題主要是研究水刺道數(shù)和水刺壓力與產(chǎn)品力學(xué)及過(guò)濾性能的關(guān)系，從而選擇合理的水刺工藝來(lái)生產(chǎn)PI纖維/PTFE基布復(fù)合濾料。各試樣采用的水刺工藝參數(shù)見(jiàn)表2。試樣1～試樣4是研究水刺道數(shù)對(duì)產(chǎn)品性能的影響，試樣5～試樣8是研究水刺壓力對(duì)產(chǎn)品性能的影響。

表2 水刺工藝參數(shù)

2.3 產(chǎn)品性能測(cè)試

面密度測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 6003—1991，測(cè)試儀器為FA2004A電子天平;厚度測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 6004—1991，測(cè)試儀器為YG141N數(shù)字式織物厚度儀;縱橫向強(qiáng)力測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 6005—1991，測(cè)試儀器為HD026N+織物強(qiáng)力儀;透氣性測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5453—1997，測(cè)試儀器為YG461E數(shù)字式透氣量?jī)x;試樣孔徑大小及分布測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn) ISO 4003—1977，測(cè)試儀器為 CFP-1100-AI孔徑儀。

纏結(jié)系數(shù)反映纖維纏結(jié)性，數(shù)值由(橫向強(qiáng)力+縱向強(qiáng)力)/面密度計(jì)算而得。

水刺能量是指每千克纖網(wǎng)受到的高壓水針穿刺所耗用的能量，不包括本身的能量損失，計(jì)算公式［6］如下;

式中:Em——材料接受水注射總能量(kW·h/kg);

Pi——第 i只水刺頭水壓(105Pa);

Vi——第i只水刺頭水針?biāo)俣?m/min);

Ai——第i只水刺頭噴水孔面積(m2);

v——輸送簾的纖網(wǎng)速度(m/min);

m——水刺后纖網(wǎng)面密度(g/m2);

WB——纖網(wǎng)寬度(m)。

孔隙率是指孔隙體積與總體積的比值，計(jì)算公式［7］如下:

式中:n——孔隙率(%);

ρ——原材料密度(g/m3);

δ——材料厚度(m)。

3 結(jié)果與討論

3.1 水刺道數(shù)與產(chǎn)品基本性能的關(guān)系

3.1.1 面密度和厚度

由表3可見(jiàn)，隨著水刺道數(shù)的增加，產(chǎn)品的面密度下降，而厚度變化不大，略有波動(dòng)。

表3 水刺道數(shù)與面密度和厚度的關(guān)系

高壓水針對(duì)纖網(wǎng)沖擊會(huì)使纖維脫落，隨著水刺道數(shù)的增加，纖維受到作用力的次數(shù)增加，纖維脫落概率增加，產(chǎn)品面密度下降;但達(dá)到一定水刺道數(shù)后，纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)緊密，纖維與纖維的纏結(jié)增加，脫落機(jī)會(huì)減少，從而使產(chǎn)品面密度下降趨勢(shì)變緩。在經(jīng)過(guò)前面幾道水刺后，纖網(wǎng)已具有一定的緊密性，而多道水刺對(duì)纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)略有破壞，會(huì)使纖網(wǎng)回彈，因此產(chǎn)品厚度稍有波動(dòng)。

3.1.2 縱橫向拉伸強(qiáng)力

圖2示出了水刺道數(shù)對(duì)產(chǎn)品縱橫向強(qiáng)力的影響。隨著水刺道數(shù)增加，纖維間以及纖維與基布的纏結(jié)增多，樣品縱向強(qiáng)力增加;而6道和7道水刺的樣品橫向強(qiáng)力略有下降，這是因?yàn)樗痰罃?shù)過(guò)多破壞了橫向纖維間的纏結(jié)，致使結(jié)構(gòu)不勻而強(qiáng)力下降。每塊樣品的PI纖網(wǎng)層中纖維都沿縱向平行排列，且與PTFE基布縱向重合，PTFE基布縱向強(qiáng)力大于橫向，故而材料的縱向強(qiáng)力明顯大于橫向強(qiáng)力。試驗(yàn)表明，當(dāng)水刺壓力為20 MPa時(shí)，增加水刺道數(shù)，產(chǎn)品的強(qiáng)力呈增大趨勢(shì)，但水刺道數(shù)過(guò)多會(huì)降低材料強(qiáng)力，也會(huì)使能量損耗增加。因此，有必要選擇合適的水刺道數(shù)。

圖2 水刺道數(shù)對(duì)產(chǎn)品縱橫向強(qiáng)力的影響

3.1.3 水刺能量與產(chǎn)品纏結(jié)系數(shù)的關(guān)系

水刺非織造材料中纖維的纏結(jié)效果以及材料的性能和表觀狀態(tài)都與纖網(wǎng)接受的水刺能量有關(guān)。

在水刺壓力不變的情況下，增加水刺道數(shù)，水刺能量也將提高。圖3示出的產(chǎn)品纏結(jié)系數(shù)與水刺能量的關(guān)系中，并沒(méi)有呈現(xiàn)水刺能量隨著水刺道數(shù)的增加而遞增的規(guī)律。本試驗(yàn)中，部分纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)在進(jìn)行第6道水刺時(shí)被水刺能量破壞，纖維間纏結(jié)系數(shù)下降;而第7道水刺是在第6道水刺的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，對(duì)纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)也存在一定的破壞，但第7道水刺進(jìn)一步帶動(dòng)了纖維的位移、穿插以及相互纏結(jié)抱合，其產(chǎn)品纏結(jié)系數(shù)比6道水刺產(chǎn)品高，厚度也比6道水刺產(chǎn)品小(見(jiàn)表3)。圖3顯示，7道水刺產(chǎn)品與5道水刺產(chǎn)品相比，其纏結(jié)系數(shù)提高幅度不大，但水刺能量消耗增加很多。從成效與能耗角度綜合考慮，應(yīng)優(yōu)先選用5道主水刺工藝。

圖3 不同水刺道數(shù)時(shí)產(chǎn)品纏結(jié)系數(shù)與水刺能量的關(guān)系

3.2 水刺道數(shù)與產(chǎn)品過(guò)濾性能的關(guān)系

水刺非織造材料的透氣性主要取決于材料中纖維間孔隙的大小、數(shù)量以及纖維纏結(jié)狀況。

隨著產(chǎn)品纏結(jié)系數(shù)的增大，纖維間的纏結(jié)越來(lái)越緊密，孔隙越來(lái)越小，空氣透過(guò)的阻力變得越來(lái)越大，故透氣性越來(lái)越差［8］。但是，從表4中1號(hào)～4號(hào)試樣的纏結(jié)系數(shù)和透氣量數(shù)據(jù)來(lái)看，并沒(méi)有遵循上述規(guī)律，而是纏結(jié)系數(shù)較高的產(chǎn)品透氣量也較大，其原因可能是纏結(jié)系數(shù)高的產(chǎn)品纏結(jié)比較均勻，材料表面性能一致性高，透氣阻力也均勻，故透氣性好。本課題中2號(hào)樣品的透氣性最好，其纏結(jié)系數(shù)也較高(見(jiàn)圖3)，因此認(rèn)為2號(hào)樣品的水刺道數(shù)最為合適，即宜采用5道主水刺工藝。

表4 不同水刺道數(shù)產(chǎn)品的過(guò)濾性能

3.3 水刺壓力與產(chǎn)品基本性能的關(guān)系

3.3.1 面密度和厚度

由表5可見(jiàn):隨著水刺壓力的增加，產(chǎn)品的面密度降低，這是因?yàn)樵谒槢_擊纖網(wǎng)時(shí)，隨著水刺壓力的增加，纖維受到的作用力增大，脫落概率增加;同時(shí)，纖網(wǎng)中纖維受水流的雙重作用發(fā)生位移、穿插和纏結(jié)，纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐漸緊密，厚度減小;當(dāng)水刺壓力達(dá)20和22 MPa時(shí)，水刺能量不能完全被纖網(wǎng)吸收，纖網(wǎng)厚度減小趨勢(shì)不明顯。

表5 水刺壓力與面密度和厚度的關(guān)系

3.3.2 縱橫向拉伸強(qiáng)力

圖4示出了水刺壓力對(duì)產(chǎn)品縱橫向強(qiáng)力的影響。隨著水刺壓力增加，材料縱向強(qiáng)度先增加后減小，橫向強(qiáng)度則高低波動(dòng)。過(guò)大的水刺壓力會(huì)破壞纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，纖維纏結(jié)緊密度下降，也會(huì)損傷單纖維或基布，因此在20和22 MPa水刺壓力下產(chǎn)品的縱橫向強(qiáng)力下降，也會(huì)消耗過(guò)多的能量。因此，有必要選擇合適的水刺壓力。

圖4 水刺壓力對(duì)產(chǎn)品縱橫向強(qiáng)力的影響

3.3.3 水刺能量與纏結(jié)系數(shù)的關(guān)系

圖5顯示，隨著水刺壓力的增加，水刺能量也增大，而產(chǎn)品的纏結(jié)系數(shù)是先增大后減小。試驗(yàn)表明:在一個(gè)合理的水刺道數(shù)下，水刺壓力增加，纖維間的有效纏結(jié)也增加，產(chǎn)品強(qiáng)力增大;但當(dāng)水刺壓力超過(guò)了一定值時(shí)，每一道水刺的水針對(duì)纖網(wǎng)作用力過(guò)大，纖網(wǎng)無(wú)法完全吸收水刺能量，導(dǎo)致纖維分布不均勻，部分纖維或集聚緊密或比較分散，纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)遭到破壞，纖維間有效纏結(jié)減少，材料纏結(jié)系數(shù)下降。本課題從能耗方面考慮，認(rèn)為選用18 MPa水刺壓力是較為適宜的工藝條件。

圖5 不同水刺壓力時(shí)纏結(jié)系數(shù)與水刺能量的關(guān)系

3.4 水刺壓力與產(chǎn)品過(guò)濾性能的關(guān)系

從表6中5號(hào)～8號(hào)試樣的數(shù)據(jù)來(lái)看，遵循了纏結(jié)系數(shù)越小，透氣量越高的規(guī)律［8］。隨著水刺壓力增加，產(chǎn)品的孔徑、孔隙率和透氣量先降低再變大。這是因?yàn)樵黾铀虊毫墒估w維纏結(jié)緊密，材料厚度降低而密度提高，纖網(wǎng)的孔隙大小及孔徑分布范圍變小，透氣量也隨之減小;但是當(dāng)水刺壓力超過(guò)20 MPa時(shí)，水刺能量過(guò)大，破壞了纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致部分纖維集聚緊密，而另一部分纖維比較分散，不均勻的結(jié)構(gòu)會(huì)使透氣量變大。結(jié)合對(duì)材料強(qiáng)力的要求，綜合考慮產(chǎn)品纏結(jié)系數(shù)和透氣性效果，本課題認(rèn)為6號(hào)樣品的水刺壓力最為適宜，即宜采用18 MPa水刺壓力。

表6 不同水刺壓力時(shí)產(chǎn)品的過(guò)濾性能

3.5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

圖6是PI纖維/PTFE基布復(fù)合水刺濾料的電鏡照片。由圖6(a)可見(jiàn)材料表面纖維間密集纏結(jié)在一起，而在圖6(b)中可見(jiàn)表面有縱向溝槽的纖維為PI纖維，扁平狀的纖維為PTFE長(zhǎng)絲，纖維間以及纖維與基布長(zhǎng)絲間有效纏結(jié)，能保證材料的強(qiáng)力。從1號(hào)～8號(hào)試樣測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，具有較優(yōu)性能的材料其厚度都較小，也印證了“在保證過(guò)濾精度和材料強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減小濾料的厚度［3］”的理論。

圖6 PI纖維/PTFE基布復(fù)合水刺濾料的電鏡照片

4 結(jié)論

(1)采用耐高溫性能優(yōu)異的PI纖維與PTFE長(zhǎng)絲基布水刺復(fù)合，可使兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，控制材料的厚度，能制得具有優(yōu)異過(guò)濾精度的耐高溫濾料。

(2)在采用5道主水刺，第2道～第4道水刺壓力控制為18 MPa的工藝條件下，可以制得力學(xué)性能較優(yōu)、過(guò)濾性能好的PI纖維/PTFE基布復(fù)合水刺耐高溫濾料，且能耗較低。

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