云高杰 ,楊麗英 ,王 蕾，云獻立

（1.常州百朋紡織有限公司，江蘇常州 213165；2.江南大學紡織科學與工程學院，江蘇無錫 214122）

隨著經(jīng)濟持續(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)國家生態(tài)環(huán)境部、國家統(tǒng)計局和國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在2020年6月發(fā)布的《第二次全國污染普查公報》顯示，2017年，全國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)品的安全和人類的健康。

現(xiàn)階段，主要依靠多孔過濾材料從氣固兩相流中捕集大氣污染物，達到凈化空氣的效果，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濾材料，它利用靜電荷對空氣中的微小灰塵進行捕捉和吸附[3]，不但具有針刺棉的超低風阻，亦具有靜電荷吸附微細顆粒[4]，從而具有較好的空氣過濾效果。周全考慮過濾效率與風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。

本研究針對靜電棉過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)對靜電棉過濾效率和阻力的影響，以及過濾效率和阻力之間的關(guān)系，試為高過濾效率、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包、初開松、混棉、精開松、梳理、鋪網(wǎng)、預(yù)刺、主刺、修面針刺、收卷。

首先，將特種化學靜電纖維定重，進行初步松解，使大的纖維團開松，纖維均勻混合；然后進行精開松，進一步使纖維松解，整個過程應(yīng)避免對纖維造成損傷。再將經(jīng)過開松與充分混合的纖維放入氣壓棉箱，做好梳理前的準備。當纖維進入梳理機，剝輥與錫林對纖維進行梳理，然后通過道夫輸出形成輕薄的纖維網(wǎng)。進入鋪網(wǎng)工序，齒形帶傳動纖維網(wǎng)進行折疊形成多層纖網(wǎng)，進而多層纖網(wǎng)進入針刺工序。在針刺工序中，采用預(yù)刺、主刺和成型刺3道工序，通過大量帶有刺鉤的刺針對多層纖網(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，達到提高強力的效果[5]。最終通過卷取工序制成非織造卷裝材料。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗材料

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，實驗設(shè)計如表1所示。

為了達到提高棉網(wǎng)強力的目的，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 性能測試方法

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

表1 針刺工藝參數(shù)設(shè)計

3 結(jié)果與分析

對試樣進行過濾性能測試，其過濾效率和阻力的測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實驗結(jié)果

表2數(shù)據(jù)通過TSI 8130型自動濾料檢測儀測得，用0.3μm作為檢測過濾效率的顆粒物的粒徑指標[5]，在32L/min濃度和流量條件下，試樣大小為100cm2，實驗結(jié)果為4次重復(fù)實驗的平均值。從表2可以看出，針刺頻率、針刺深度和輸出速度對靜電棉過濾效率和阻力有一定影響，8組實驗結(jié)果的過濾效率與阻力之間相關(guān)系數(shù)達到0.87，說明過濾效率與阻力的變化趨勢一致。

3.1 針刺頻率對靜電棉性能的影響

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

因此，當預(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，所制備靜電棉的過濾效率較好，相應(yīng)阻力也較大。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當針刺頻率達到900刺/min以上時，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，導致粉塵產(chǎn)生，這樣不但不會提高過濾效率，反而使之過濾效果變差，針刺頻率工藝變化對阻力的影響與對過濾效率影響的規(guī)律一致。

3.2 針刺深度對靜電棉性能的影響

序號1、5和6的實驗結(jié)果反映了針刺深度對靜電棉性能的影響規(guī)律。序號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種工藝條件下的過濾效率依次為89.1%、90.5%和90.6%，呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；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)律與過濾效率一致。說明了針刺深度越深，加強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。但針刺深度過大，其過濾性能沒有改善，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加大，外觀效果不佳。

3.3 輸出速度對靜電棉性能的影響

序號1、7和8的實驗結(jié)果反映了棉網(wǎng)輸出速度對靜電棉性能的影響規(guī)律。序號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種工藝條件下的過濾效率依次為89.1%、88.6%和88.3%，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢；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。說明了棉網(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)的強力，使纖維網(wǎng)不夠致密。值得注意的是，當棉網(wǎng)輸出速度過小，棉網(wǎng)收到針刺作用程度越大，會造成棉網(wǎng)堵積在針刺板上，導致刺針過度，不利于過濾效率的提升；當棉網(wǎng)輸出速度過大，則容易因拉扯導致刺針彎曲，從而產(chǎn)生斷針。

4 結(jié)語

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