田 偉，雷 新，從明芳，祝成炎

(1.浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018;2.浙江理工大學(xué)“紡織纖維材料與加工技術(shù)”國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

工業(yè)的迅速發(fā)展，導(dǎo)致空氣中帶有大量的懸浮顆粒，這些細(xì)小顆粒的存在已嚴(yán)重危害了人們的身體健康。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，人們?nèi)找嬷匾晫?duì)環(huán)境的保護(hù)，空氣過(guò)濾在人們的生活和生產(chǎn)中扮演著極其重要的角色，空氣過(guò)濾理論也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展［1－3］。目前，被人們廣泛使用的纖維過(guò)濾材料［4］主要有機(jī)織過(guò)濾材料和非織造布過(guò)濾材料2大類(lèi)。非織造布過(guò)濾材料是三維纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，過(guò)濾效率優(yōu)于機(jī)織過(guò)濾材料。過(guò)濾材料的結(jié)構(gòu)(包括材料厚度、面密度、纖維直徑、孔隙率)對(duì)其透氣性和過(guò)濾性能起著決定作用，而決定過(guò)濾材料結(jié)構(gòu)的是其生產(chǎn)工藝參數(shù)。

紡粘非織造布［5］是將聚合物擠出、拉伸，形成連續(xù)長(zhǎng)絲后鋪設(shè)成網(wǎng)，纖網(wǎng)再經(jīng)過(guò)熱粘合而形成的，嚴(yán)玉蓉等［6］申請(qǐng)了PPS紡粘非織造布制備方法的專(zhuān)利。相比于針刺、水刺及針刺與水刺復(fù)合加工工藝，紡粘法非織造布的工藝流程更短、產(chǎn)品力學(xué)性更加優(yōu)良［7］，適用于做過(guò)濾材料。本文以聚丙烯為原料，采用紡粘生產(chǎn)工藝，設(shè)置多種工藝參數(shù)，制備紡粘非織造布試樣。通過(guò)測(cè)試紡粘非織造布的結(jié)構(gòu)參數(shù)和透氣率，并對(duì)試樣的表觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，計(jì)算其孔隙率，分析工藝參數(shù)與紡粘非織造布結(jié)構(gòu)及性能之間的關(guān)系。

1 紡粘非織造布的制備

1.1 原料

聚丙烯原料由紹興超特合纖有限公司提供，熔融指數(shù)為30g/10 min。

1.2 工藝流程

非織造布試樣制備工藝流程為:切片烘干→切片喂入→熔融擠壓→紡絲→冷卻牽伸→分絲鋪網(wǎng)→纖維加固。

1.3 工藝參數(shù)

制備了30種不同工藝參數(shù)的紡粘非織造布試樣，制備過(guò)程中，側(cè)風(fēng)溫度為20℃，側(cè)吹風(fēng)頻率為28 Hz，網(wǎng)下吸風(fēng)頻率為42 Hz。紡粘熱軋工藝中，上輥熱軋溫度為120℃，下輥熱軋溫度為115℃，熱軋壓力7996.8 N，熱軋時(shí)間1h。螺桿擠出機(jī)5個(gè)區(qū)的溫度分別為200、210、220、220、220 ℃;濾網(wǎng)、紡絲箱體和紡絲組件的溫度均為220℃;計(jì)量泵頻率分別為 20、22、24、26、28、30 Hz，并在每種計(jì)量泵頻率下分別將網(wǎng)簾頻率設(shè)置為5、6、7、8、9 Hz(網(wǎng)簾頻率和計(jì)量泵頻率分別是指控制網(wǎng)簾移動(dòng)和計(jì)量泵的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)。

試樣照片如圖1所示。觀察圖1可知，制得的紡粘非織造布經(jīng)過(guò)熱軋工序后表面有軋點(diǎn)，存在凹凸不平的結(jié)構(gòu)，主要是因?yàn)樵撎幚w維融化將周?chē)w維黏合，未黏合處保持纖維原有的性狀，這種結(jié)構(gòu)使織物具有很好的柔軟性、透氣性和彈性。

圖1 紡粘非織造布試樣照片F(xiàn)ig.1 Picture of nonwoven sample

2 性能測(cè)試

2.1 厚度和面密度測(cè)試

厚度測(cè)試參考FZ/T 60004—1991《非織造布厚度的測(cè)定》，選用YG141N數(shù)字式厚度測(cè)試儀測(cè)試;面密度測(cè)試參考GB/T 4669—2008《紡織品機(jī)織物單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測(cè)定》，選用XY系列電子天平測(cè)試。

為了減小試樣厚度和面密度不均勻造成的測(cè)試誤差，對(duì)每個(gè)試樣均進(jìn)行10次不同位置的測(cè)量，再通過(guò)計(jì)算獲得平均厚度和平均面密度。

2.2 形貌觀察

選用JSM－5610LV掃描電鏡。測(cè)試過(guò)程中真空度為0.133～13.33 Pa，電壓為0.5～2.0 kV，采用離子濺射法鍍金3～10 min，操作、調(diào)像在真空系統(tǒng)中進(jìn)行。

2.3 纖維直徑測(cè)試

纖維直徑的大小及其分布直接影響非織造布孔徑大小和孔徑分布，從而影響材料的過(guò)濾性能(過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力)。纖維直徑很難直接測(cè)量，本文采用Smile－view軟件對(duì)非織造布掃描電鏡拍攝的纖維進(jìn)行直徑測(cè)量，得到纖維直徑的大小及其分布。首先對(duì)每個(gè)試樣中50個(gè)不同位置處的纖維直徑進(jìn)行測(cè)量，取平均值以減小測(cè)試誤差。

2.4 孔隙率的計(jì)算

織物的孔隙率愈大，則所含孔隙體積愈多，滲透系數(shù)愈大，通透性愈好［8－9］?？紫堵蕦?duì)濾材的滲透性能［10］有極大的影響?？紫堵实挠?jì)算公式為

式中:n為孔隙率，%;M為單位面積質(zhì)量，g/m2;ρ為原材料體密度，g/m3，已知丙綸的體密度為0.91 g/cm3;δ為材料厚度，m。

2.5 透氣性測(cè)試

非織造布的透氣性能取決于很多因素，包括孔隙結(jié)構(gòu)和流體特性等，一般來(lái)說(shuō)，孔徑尺寸越大，孔隙率越高，透氣性越好。本文參考GB/T 13764—1992《土工布透氣性的測(cè)試方法》，采用YG461E－III全自動(dòng)透氣量?jī)x測(cè)定織物的透氣性。對(duì)每個(gè)試樣均進(jìn)行10次測(cè)試，取平均值以減小實(shí)驗(yàn)誤差。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 工藝參數(shù)對(duì)厚度及面密度的影響

測(cè)試紡粘非織造布的厚度和面密度，結(jié)果見(jiàn)圖 2、3。

圖2 紡粘非織造布厚度Fig.2 Thicknesses of nonwovens

圖3 紡粘非織造布面密度Fig.3 Planar densities of nonwovens

由圖2、3可以看出，當(dāng)計(jì)量泵頻率一定時(shí)，網(wǎng)簾頻率增加，織物厚度和面密度減小。當(dāng)網(wǎng)簾頻率一定時(shí)，計(jì)量泵頻率增加，織物厚度和面密度呈變大的趨勢(shì)。因?yàn)楫?dāng)計(jì)量泵頻率一定時(shí)，隨網(wǎng)簾頻率增加，纖維鋪疊層數(shù)減小，所以厚度、面密度減小。而當(dāng)網(wǎng)簾頻率一定時(shí)，隨著計(jì)量泵頻率的增加，單位時(shí)間內(nèi)熔體擠出量增加，纖維鋪疊層數(shù)增加，所以厚度和面密度變大。

3.2 計(jì)量泵頻率對(duì)纖維直徑的影響

纖維直徑的大小直接影響織物孔徑的大小與分布，纖維直徑越大，織物孔徑分布越不均勻，過(guò)濾效率相應(yīng)降低。當(dāng)網(wǎng)簾頻率一定時(shí)，計(jì)量泵頻率與纖維直徑之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 計(jì)量泵頻率與纖維直徑的關(guān)系Fig.4 Relationship between frequency of metering pump and fiber diameter

由圖4可以看出，在網(wǎng)簾頻率一定的條件下，計(jì)量泵頻率增加，纖維直徑總體上呈增大趨勢(shì)，但當(dāng)計(jì)量泵頻率大于22 Hz后，這種變化趨勢(shì)并不明顯，甚至發(fā)生波動(dòng)。說(shuō)明當(dāng)計(jì)量泵頻率增加到一定程度時(shí)，熔體輸出量對(duì)纖維直徑的影響不顯著。

3.3 工藝參數(shù)對(duì)孔隙率的影響

圖5示出紡粘非織造布孔隙率對(duì)工藝參數(shù)的變化曲線(xiàn)。

圖5 紡粘非織造布孔隙率變化Fig.5 Porosity changing of nonwovens

從圖5可以看出，計(jì)量泵頻率一定時(shí)，隨網(wǎng)簾頻率增加，紡粘非織造布孔隙率呈增大趨勢(shì)，當(dāng)網(wǎng)簾頻率一定時(shí)，隨計(jì)量泵頻率的增加，孔隙率呈減小趨勢(shì)。因?yàn)楫?dāng)計(jì)量泵頻率一定時(shí)，隨網(wǎng)簾頻率增加，單位體積內(nèi)纖維數(shù)量減少，孔隙率相應(yīng)增加。而當(dāng)網(wǎng)簾頻率一定時(shí)，隨計(jì)量泵頻率的增加，單位時(shí)間內(nèi)熔體擠出量增加，單位體積內(nèi)纖維數(shù)量增加，孔隙率相應(yīng)減小。

3.4 孔隙率與透氣性能的關(guān)系

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，得出紡粘非織造布孔隙率與透氣性能之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 平均透氣率與孔隙率關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Relationship between air permeability and porosity

由圖6可以看出，紡粘非織造布的透氣率隨試樣孔隙率的增加而增加，且二者呈冪函數(shù)關(guān)系?；诩徴撤强椩觳伎紫堵逝c工藝參數(shù)及透氣率的關(guān)系，為了在一定程度上提高紡粘非織造布產(chǎn)品的透氣性能，可以嘗試改變工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)當(dāng)計(jì)量泵頻率一定時(shí)，網(wǎng)簾頻率增加，織物厚度、面密度減小;當(dāng)網(wǎng)簾頻率一定時(shí)，計(jì)量泵頻率增加，織物厚度和面密度呈增加的趨勢(shì)。

2)當(dāng)計(jì)量泵頻率增加到一定程度時(shí)，熔體輸出量將不再對(duì)纖維直徑變化產(chǎn)生顯著影響。

3)計(jì)量泵頻率一定時(shí)，隨網(wǎng)簾頻率增加，紡粘非織造布孔隙率呈增大趨勢(shì);當(dāng)網(wǎng)簾頻率一定時(shí)，隨計(jì)量泵頻率的增加，孔隙率呈減小趨勢(shì)。

4)紡粘非織造布的透氣率隨試樣孔隙率的增加而增加，且二者呈冪函數(shù)關(guān)系。

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