張 恒， 甄 琪， 王俊南， 錢(qián)曉明， 劉永勝

(1. 浙江金三發(fā)非織造布有限公司， 浙江 湖州 313100； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387；3. 江蘇藍(lán)天環(huán)保集團(tuán)有限公司， 江蘇 鹽城 224400)

梯度結(jié)構(gòu)耐高溫纖維過(guò)濾材料的結(jié)構(gòu)與性能

張 恒1， 甄 琪1， 王俊南1， 錢(qián)曉明2， 劉永勝3

(1. 浙江金三發(fā)非織造布有限公司， 浙江 湖州 313100； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387；3. 江蘇藍(lán)天環(huán)保集團(tuán)有限公司， 江蘇 鹽城 224400)

為探究梯度結(jié)構(gòu)纖維過(guò)濾材料的制備工藝對(duì)過(guò)濾材料結(jié)構(gòu)、性能的影響，制備了聚苯硫醚纖維-聚四氟乙烯超細(xì)纖維(PPS-PTFE)濾料，并分析了制備工藝(超細(xì)纖維層面密度和水針能量)對(duì)結(jié)構(gòu)和過(guò)濾性能的影響，建立了對(duì)應(yīng)的二次方模型。結(jié)果表明：超細(xì)纖維層的面密度對(duì)孔徑大小和過(guò)濾效率均有顯著的影響，隨著超細(xì)纖維層面密度從(49±3.8)g/m2增大到(181±12.5)g/m2，試樣的模態(tài)孔徑從20.22 μm降低到12.52 μm，而對(duì)2.05 μm顆粒物的過(guò)濾效率從63.41%提高到91.87%；水針能量在3 738～8 755 J/g范圍內(nèi)，過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力均隨著水針能量的增大而增大；建立的二次方模型的置信度高，表明模型適用于梯度結(jié)構(gòu)的耐高溫纖維過(guò)濾材料的工藝設(shè)計(jì)。

非織造過(guò)濾材料； 耐高溫纖維； 梯度結(jié)構(gòu)； 工藝設(shè)計(jì)； 二次方模型

耐高溫纖維過(guò)濾材料是利用耐高溫的特種纖維(聚苯硫醚(PPS)纖維、聚四氟乙烯(PTFE)纖維、芳綸、芳砜綸纖維和玻璃纖維等)通過(guò)摩擦、抱合等方式組合而成的纖維集合體，如：芳砜綸針刺氈[1]和PPS水刺氈[2]等，其作為目前重要的工業(yè)用耐高溫除塵材料，在鋼鐵、水泥、燃煤發(fā)電行業(yè)的高溫尾氣處理領(lǐng)域有大量的應(yīng)用[3-4]。水刺加固技術(shù)作為常用的非織造成型加工技術(shù)之一，由于其獨(dú)特的柔性固網(wǎng)特點(diǎn)，被大量地用于制備耐高溫纖維過(guò)濾材料。

現(xiàn)有研究表明，水刺工藝所制備的濾料具有更優(yōu)的過(guò)濾性能，如Patanaik等[5]制備了多種類(lèi)型的水刺過(guò)濾氈，并分析了水刺過(guò)濾氈的過(guò)濾效率、過(guò)濾阻力和容塵量與濾料孔徑的關(guān)系，其研究結(jié)果表明水刺過(guò)濾氈作為一種高效低阻的過(guò)濾材料，可以很好地應(yīng)用于各類(lèi)工業(yè)領(lǐng)域。此后學(xué)者們?yōu)榱双@得長(zhǎng)效低阻的耐高溫過(guò)濾材料提出了“梯度結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)理念，即：依據(jù)纖維的特性和加工方式的不同將過(guò)濾材料制備成由多個(gè)結(jié)構(gòu)和孔徑不同的纖維層組成的多層纖維氈[6]。但是，現(xiàn)有研究著重于梯度濾料制備技術(shù)的探究，而對(duì)其制備工藝與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和過(guò)濾性能的關(guān)系研究較少，因此，本文探究了基于梯度結(jié)構(gòu)的耐高溫纖維過(guò)濾材料的水刺工藝(水針能量和超細(xì)纖維層厚度)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)特征和過(guò)濾性能(過(guò)濾阻力和過(guò)濾效率)的影響，并通過(guò)響應(yīng)面分析方法獲得工藝與過(guò)濾性能的二次元模型。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料的制備

圖1為梯度結(jié)構(gòu)的過(guò)濾材料示意圖。梯度結(jié)構(gòu)使得濾料的孔隙沿著厚度方向呈前窄后寬的彎曲喇叭狀，離迎塵面越遠(yuǎn)，孔徑越大，過(guò)濾材料的孔隙不易被細(xì)小顆粒物堵塞，進(jìn)而延長(zhǎng)濾料的使用壽命[7-8]。

耐高溫纖維過(guò)濾材料的制備工藝如圖2所示，PPS纖維和PTFE超細(xì)纖維分別經(jīng)開(kāi)松、混后并梳理成纖網(wǎng)，PPS纖維網(wǎng)經(jīng)交叉鋪網(wǎng)后與玻璃纖維基布一并針刺成型；此后PTFE超細(xì)纖維網(wǎng)疊放到PPS纖維氈上層并進(jìn)行水刺復(fù)合加固成具有梯度結(jié)構(gòu)的耐高溫纖維過(guò)濾材料。PPS纖維、PTFE超細(xì)纖維特性見(jiàn)表1。

表1 PPS纖維和PTFE纖維特征參數(shù)Tab.1 Parameters for PPS fibers and PTFE fibers

本文制備的PPS纖維氈面密度為(498±12.2)g/m2，針刺深度為6 mm，預(yù)針刺密度為175刺/cm2。為了探究非織造耐高溫過(guò)濾材料的工藝(超細(xì)纖維層厚度和水針能量)對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能的影響，本文設(shè)計(jì)了不同面密度(49～181 g/m2)的PTFE超細(xì)纖維層和不同水刺壓力(4～27 MPa)的工藝配置。其水針能量計(jì)算公式[9]為

式中：Es為水針能量，J/kg；Cv為流速系數(shù)，0.98；Cq為流量系數(shù)，0.98；ρ為水的密度，998 kg/m3；W為纖網(wǎng)面密度，998 g/m2；S為纖網(wǎng)前進(jìn)速度，m/s；di為第i個(gè)水刺頭的水針孔徑，m；Pi為第i個(gè)水刺頭的水針壓力，Pa；Ni為第i個(gè)水刺頭的水針板排列密度，1 670孔/m。

1.2 性能測(cè)試

依據(jù)GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分：厚度的測(cè)定》，使用YG141型織物厚度儀測(cè)試試樣的厚度。利用德國(guó)Topas PSM165型孔徑測(cè)試儀分析試樣的模態(tài)孔徑大小，模態(tài)孔徑是指纖維材料中出現(xiàn)概率最大的孔徑的大??；測(cè)試液表面張力為20.1 mN/m。參考EU 779—2002《一般通風(fēng)用空氣過(guò)濾器-過(guò)濾性能的測(cè)定》，使用Topas AFC 131 濾料測(cè)試平臺(tái)分析試樣對(duì)氣溶膠癸二酸二異辛酯(DEHS)的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同工藝方案對(duì)結(jié)構(gòu)和性能的影響

2.1.1 對(duì)結(jié)構(gòu)特征的影響

圖3示出基于水刺工藝復(fù)合的耐高溫纖維過(guò)濾材料的表面形態(tài)及形成機(jī)制?？梢钥闯?，纖維在高壓水射流的作用下相互糾纏、抱和而形成具有致密結(jié)構(gòu)的纖維氈；另外，纖維氈的表面在托網(wǎng)輥筒和高壓水射流的相互作用下形成清晰的水針痕。水針痕的形成主要是由于纖維在受到高壓水射流的沖擊作用時(shí)，與高壓水射流接觸的纖維產(chǎn)生平行和豎直方向上的位移。高壓水射流穿透纖維網(wǎng)后遇到托網(wǎng)輥筒而產(chǎn)生的高速反射水流也會(huì)導(dǎo)致纖維產(chǎn)生相對(duì)滑移[11-12]。

圖4示出耐高溫纖維過(guò)濾材料的電鏡照片?？梢钥闯?，PPS纖維層和致密的PTFE超細(xì)纖維層復(fù)合成梯度結(jié)構(gòu)，且PTFE超細(xì)纖維層結(jié)構(gòu)較為致密，對(duì)過(guò)濾材料的孔徑大小有顯著的影響。

為進(jìn)一步闡述超細(xì)纖維層對(duì)孔徑大小的影響，利用PSM165孔徑測(cè)試儀分析過(guò)濾材料的孔徑大小，其特征參數(shù)如表2所示。

表2 樣品的特征參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters for samples

從表2可以發(fā)現(xiàn)，樣品的模態(tài)孔徑和厚度均受到水針能量和超細(xì)纖維層面密度的顯著影響。其中試樣的模態(tài)孔徑隨著超細(xì)纖維層面密度的增大而減小。這主要是因?yàn)?，?duì)于由PPS纖維層和PTFE超細(xì)纖維層組成的梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，材料的孔徑大小主要取決于PTFE超細(xì)纖維層。而超細(xì)纖維層面密度的增大導(dǎo)致厚度方向上堆疊的纖維數(shù)量增多，使得纖維間彎曲的孔隙相互貫通的概率減小，所以試樣的模態(tài)孔徑隨著超細(xì)纖維層面密度的增大而減小[10]。同時(shí)，水針能量的增大使得纖維間的纏結(jié)、抱和更加緊密，纖維間的孔隙減小，纖維氈結(jié)構(gòu)更加致密；此外，水針能量的增大還使得PPS纖維層和PTFE超細(xì)纖維層之間具有更多相互穿插的纖維而形成更加復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)，因而材料的孔徑在一定范圍內(nèi)隨著水針能量的增大而減小。

2.1.2 對(duì)力學(xué)性能的影響

表3示出樣品的力學(xué)性能?？煽闯?，過(guò)濾材料的力學(xué)特性與超細(xì)纖維層面密度和水針能量有關(guān)。其中樣品的斷裂強(qiáng)力隨著超細(xì)纖維層面密度的增大而增大，這主要是因?yàn)槔w維材料的強(qiáng)力與厚度方向上相互纏結(jié)的纖維數(shù)量和纏結(jié)程度有關(guān)。在水刺能量一定的情況下，厚度方向上相互纏結(jié)的纖維數(shù)量隨著超細(xì)纖維層面密度的增大而增大，因此，受高壓水射流沖擊作用而移動(dòng)、貫穿、相互纏結(jié)的纖維數(shù)量增加。但是一定能量的高壓水射流所能沖擊移動(dòng)的纖維是有限的，因此，隨著超細(xì)纖維層面密度超過(guò)一定范圍繼續(xù)增加時(shí)，高壓水射流能擊中的纖維基本不變，此時(shí)斷裂強(qiáng)力則隨超細(xì)纖維層面密度的增加而變化較小，斷裂伸長(zhǎng)率也趨于平穩(wěn)。從表3還可看出，在樣品面密度一定時(shí)，樣品斷裂強(qiáng)力隨水針能量增大而增大。其原因可能是隨著水針能量的增大，水射流對(duì)纖維的沖擊力度也增大，可移動(dòng)纖維的數(shù)量和纖維的移動(dòng)量以及纖維數(shù)間的糾纏程度也隨之增大，進(jìn)而樣品的斷裂強(qiáng)力也增大。

表3 樣品的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of samples

2.1.3 對(duì)過(guò)濾性能的影響

圖5、6分別示出超細(xì)纖維層面密度和水針能量對(duì)過(guò)濾效率(空氣流量為3.4 m3/h)和過(guò)濾阻力的影響。從圖5可看出：超細(xì)纖維層面密度和水針能量都會(huì)影響材料的過(guò)濾效率；其次，隨著超細(xì)纖維層面密度的增大，材料的對(duì)不同直徑的細(xì)小顆粒物的過(guò)濾效率都有所增大。這主要是因?yàn)樵诶w維直徑和孔隙率變化不大的情況下，超細(xì)纖維層厚度隨著面密度的增加而增大，超細(xì)纖維層厚度的增大使得超細(xì)纖維層沿著厚度方向上的數(shù)量增多。纖維數(shù)量的增多一方面使得纖維間貫通孔的數(shù)量減小，增大了材料對(duì)細(xì)小顆粒物的攔截能力[12]；另一方面纖維數(shù)量的增多使得細(xì)小顆粒物通過(guò)材料時(shí)被纖維碰撞和黏附的概率增加，進(jìn)而加大了材料對(duì)細(xì)小顆粒物的過(guò)濾精度。另外，在一定范圍(3 738～9 752 J/g)內(nèi)，隨著水針能量的增大，材料對(duì)細(xì)小顆粒物的過(guò)濾效率也有一定的提高[10,13]。這主要是由于隨著水針能量的增大，材料的結(jié)構(gòu)更加致密，從而提高了對(duì)細(xì)小顆粒物的攔截能力。同時(shí)超細(xì)纖維層結(jié)構(gòu)的致密性和面密度的增大也使得材料的過(guò)濾阻力增大。

從圖5、6也可看出，工藝為(49±3.8)g/m2PTFE超細(xì)纖維層的試樣對(duì)2.05 μm顆粒物的過(guò)濾效率為63.41%，工藝為(147±7.5)g/m2PTFE超細(xì)纖維層的試樣對(duì)2.05 μm顆粒物的過(guò)濾效率增大到83.23%，而過(guò)濾阻力也從45.4 Pa增大到85.6 Pa。在其他工藝條件不變((147±7.5)g/m2PTFE超細(xì)纖維層)的情況下，水針能量從3 738 J/g增大到8 755 J/g，試樣對(duì)2.05 μm顆粒物的過(guò)濾效率從76.95%增大到83.23%，過(guò)濾阻力從75.6Pa增大到92.8Pa。

2.2 工藝與過(guò)濾性能的關(guān)系模型

2.2.1 二次方模型的建立

通過(guò)上述分析可知，基于梯度結(jié)構(gòu)的耐高溫過(guò)濾材料的超細(xì)纖維層面密度和水針能量對(duì)過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力有顯著性的影響，因此，本文以過(guò)濾效率、過(guò)濾阻力和質(zhì)量因子為響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到超細(xì)纖維層面密度和水針能量對(duì)過(guò)濾效率、過(guò)濾阻力、質(zhì)量因子的二次多項(xiàng)回歸方程。

回歸分析表明：過(guò)濾效率的二次多項(xiàng)回歸方程決定系數(shù)R2=0.970 1，過(guò)濾阻力的二次多項(xiàng)回歸方程決定系數(shù)R2=0.990 8，質(zhì)量因子的二次多項(xiàng)回歸方程決定系數(shù)R2=0.917 6。這表明二次多項(xiàng)回歸方程的擬合度和可信度均較高，可用于預(yù)測(cè)基于梯度結(jié)構(gòu)的耐高溫過(guò)濾材料的超細(xì)纖維層面密度和水針能量對(duì)過(guò)濾效率、過(guò)濾阻力、質(zhì)量因子的影響。

2.2.2 二次方模型的分析

圖7示出過(guò)濾效率、過(guò)濾阻力與耐高溫過(guò)濾材料的超細(xì)纖維層面密度和水針能量之間的相應(yīng)曲面?？煽闯?，其他工藝不變的情況下，隨著超細(xì)纖維層面密度和水針能量(3 738～9 752 J/g)的增加，過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力均呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。這與實(shí)驗(yàn)值相符。

圖8示出質(zhì)量因子與超細(xì)纖維層面密度和水針能量的響應(yīng)曲面?？梢钥闯觯哼^(guò)濾材料的質(zhì)量因子受超細(xì)纖維層面密度和水針能量的影響；當(dāng)超細(xì)纖維層面密度從(49±3.8)g/m2增大到(181±12.5)g/m2的區(qū)間內(nèi)，質(zhì)量因子呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。同時(shí)，質(zhì)量因子在水針能量為8 023 J/g時(shí)達(dá)到最大水平，此后繼續(xù)增大水針能量，質(zhì)量因子呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

1) 基于梯度結(jié)構(gòu)的耐高溫纖維質(zhì)過(guò)濾材料的水刺復(fù)合工藝(超細(xì)纖維層面密度和水針能量)對(duì)材料結(jié)構(gòu)和過(guò)濾性能有顯著的影響。

2) 在其他工藝不變的情況下，超細(xì)纖維層面密度對(duì)材料的模態(tài)孔徑有顯著影響，且表現(xiàn)為模態(tài)孔徑隨著超細(xì)纖維層面密度的增大而減小。此外，隨著超細(xì)纖維層面密度的增大，材料對(duì)不同直徑的細(xì)小顆粒物的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力都有所增大。工藝為(49±3.8)g/m2PTFE超細(xì)纖維層的試樣對(duì)2.05 μm顆粒物的過(guò)濾效率為63.41%，隨著PTFE超細(xì)纖維層面密度增大到(181±12.5)g/m2，試樣對(duì)2.05 μm顆粒物過(guò)濾效率增大到91.87%。

3) 在一定范圍(3 738～9 752 J/g)內(nèi)，隨著水針能量的增大，材料對(duì)細(xì)小顆粒物的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力也有一定的提高。

4) 所建立的二次方模型的置信度高，質(zhì)量因子在水針能量為8 023 J/g時(shí)達(dá)到最大水平，此后繼續(xù)增大水針能量，質(zhì)量因子呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。

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Structure and performance of high temperature resistant fibrous filters with
gradient structure

ZHANG Heng1， ZHEN Qi1， WANG Junnan1， QIAN Xiaoming2， LIU Yongsheng3

(1.ZhejiangKingsafeNonwovenFabricGroupCo.,Ltd.,Huzhou,Zhejiang313100,China; 2.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 3.JiangsuBlueSkyEnvironmentalProtectionGroupCo.,Ltd.,Yancheng,Jiangsu224400,China)

In order to study effect of the preparation process on structure characteristics and filtration performance, the samples of gradient filters comprising PPS fibers and PTFE microfibers were made. The relationships between the process (gram weight of microfiber layers and the hydroentangling energy) and structure characteristics were discussed, and the quadratic models also were established. The results show that the gram weight of PTFE microfiber layers has a significant influence on structure and filtration performance of the samples. The model pores size of samples is 20.22 μm, the filtration efficiency is 63.41% for 2.05 μm when the PTFE microfiber layers gram weight is (49±3.8)g/m2. As the PTFE microfiber layers gram weight increased to (181±12.5)g/m2, the model pores size reduced to 12.52 μm, and filtering efficiency of the 2.05 μm particle increased to 91.87%. In addition, it is also found that the filtration efficiency and filtration resistance increased with the hydroentangling energy in the range of 3 738-8 755 J/g. Furthermore, quadratic models have high degree of confidence intervals, which means that the models is good for the process design of the high temperature resistant fibrous filters with a gradient structure.

nonwoven filter; high temperature resistant fiber; gradient structure; process design; quadratic model

10.13475/j.fzxb.20150404006

2015-04-23

2015-12-27

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(15JCZDJC38500)

張恒(1986—)，男，博士。研究方向?yàn)楣δ苄屠w維質(zhì)材料。錢(qián)曉明，通信作者，E-mail：qxm@tjpu.edu.cn。

TS 176

A