针织气体过滤材料的应用与开发*

李筱一 缪旭红

(江南大学教育部针织技术工程研究中心，无锡，214000)



针织气体过滤材料的应用与开发*

李筱一 缪旭红

(江南大学教育部针织技术工程研究中心，无锡，214000)

针织物的特殊结构使针织过滤材料的市场价值和发展潜力逐渐凸显。介绍了影响针织气体过滤材料过滤性能的主要因素，原料纤维的特点和选择原则，以及作为气体过滤材料用的网格织物、毛绒织物、弹性毛圈织物和间隔结构织物等不同结构针织物的优缺点和应用领域。

针织物，气体过滤材料，应用，开发

随着全球工业时代的来临，人类的生存环境也遭到破坏，频繁出现的沙尘暴和雾霾等天气极大地威胁着人们的健康。与此同时，随着空调的使用量增加，室内密闭性加强，粉尘颗粒物、挥发性气体和细菌增多，严重影响了室内空气的质量。空气中的粉尘颗粒物会沉积在人体中，其所携带的各种有害物质和不可溶颗粒物会引起各类呼吸系统疾病。据统计，全球每年约有210万人死于因PM2.5等颗粒物浓度上升而引起的疾病[1]。空气质量的下降使气体过滤显得尤为重要，因此气体过滤材料的研究和开发得到了空前的重视。

气体过滤材料不仅应用在工业废气排放处理上，而且应用在常温下滤去微小粒子的室内空气净化处理上，如家用或者工业用空调过滤器等。

气体过滤材料按织物结构可分为机织、针织和非织造过滤材料，以非织造布和机织物为主。机织过滤材料的组织有单层简单组织和双层复杂组织，具有良好的力学性能、易清灰和孔隙大小可控等优点，但很难形成滤饼。非织造过滤材料具有生产流程短、自动化程度高、原料范围广和容尘量大等特点，但其强力较低、耐久性差，在高负荷或高压场合往往需要加筋或复合增强[2]，产品使用周期短。针织过滤材料通道弯曲迁回，能阻挡很小的颗粒，达到更高的过滤效率，且强力较高，但其尺寸稳定性差、过滤效率不稳定。针织物以线圈为基本单元相互钩接，结构变化多样，设计灵活[3]，使用特殊材料与相应结构设计的针织物可以在一定程度上克服其稳定性差等缺点。尤其是随着近年来无缝加工等技术的出现和应用，针织过滤材料的市场价值和发展潜力也在逐渐凸显。

1 针织气体过滤材料的材质

针织过滤材料常用的纤维原料主要分为传统纤维和高技术纤维两类。传统纤维有棉、涤纶等；高技术纤维又分为高性能纤维、功能性纤维和精细加工纤维。高性能纤维包括聚苯硫醚(PPS)纤维、聚四氟乙烯(PTFE)纤维等；功能性纤维包括阻燃纤维、驻极体纤维等；精细加工纤维包括超细纤维、纳米纤维和异形截面纤维等。影响过滤材料性能的因素主要包括纤维的种类、特性，纱线的捻度和纤维的分布等。

针织气体过滤材料材质的选择应从实际需要出发，综合考虑各种因素。

1.1 纤维种类

纤维种类的选择需要从过滤材料的用途出发。

对于特殊用途的过滤材料可以使用高性能纤维，如PPS纤维和PTFE纤维。PPS纤维是一种耐高温纤维，具有优异的耐热性、阻燃性，力学性能优良，尺寸稳定性好，在冶金工业等领域应用广泛，适宜于高温气体过滤；PTFE纤维具有极好的耐高温性能、极强的耐腐蚀性和耐水解能力，在冶金、化学和水泥工业具有乐观的应用前景。但是，这类高性能纤维往往刚性较大，韧性不足，进行针织编织时易磨损纤维并损伤成圈机件，因此在进行针织编织时可以对纱线作特殊处理或改进机器。

对于普通用途的过滤材料可以选择精细加工纤维，如超细纤维和纳米纤维。超细纤维直径小，比表面积大，虽然其单丝强力不高，但是纱线的总强度较高，柔软性较好，适宜针织加工[4]。由超细纤维制成的绒类针织过滤材料空隙率高、孔径均匀，可应用于家用和产业用空调过滤器上。纳米纤维制成的过滤材料具有高性能，可以有效地过滤纳米级的尘粒。纳米技术目前还处于研究阶段，相信纳米纤维凭借其独特的性能必然会在将来的过滤材料领域得到广泛应用。

1.2 纤维性能

纤维性能的选择需要从多方面考虑。

(1)一般纤维越细，其制成的过滤材料过滤效率越高。但是，针织用纱需要具有一定强力，纤维太细不利于针织加工且易遭到损伤而影响产品质量[5]，同时全部由细纤维制成的织物纳污容量小、流体阻力大，不适宜作为过滤材料使用。

(2)用外表面光滑的纤维制成的过滤材料比用表面粗糙的纤维制成的过滤材料的流体阻力小，过滤效果好，同时表面粗糙的纱线经过成圈机件时会产生较大的纱线张力，造成线圈结构不匀，成圈过程中与多种机件接触摩擦，会磨损机件。

(3)用纤维横截面叶片越多的纤维制成的过滤材料，其过滤效率越高。

(4)用卷曲纤维制成的过滤材料比用非卷曲纤维制成的过滤材料的过滤效果好[6]。

1.3 纱线捻度

纱线的捻度对过滤效率也有影响。捻度过高会使纱线的柔软性变差，织造时易造成疵点，也会使针织物线圈歪斜，影响过滤材料的质量；捻度过低会使纱线强度不够，增加织造难度，影响生产效率。高捻度纱制成的过滤材料的空气阻力较低捻度纱制成的过滤材料低，但是捻度增大会使织物间隙变大，过滤效率也会有所下降。

1.4 纤维分布

加工过滤材料时可以采用密度梯度法，或使用不同线密度的纤维，将细纤维尽量分布在滤饼的形成面，以提高过滤效率和防止过滤材料阻塞。

2 针织气体过滤材料的结构

2.1 网格织物

网格织物是在成圈纱中织入衬经纱和衬纬纱，兼有机织和针织过滤材料的特点。网格织物既有类似机织物的结构，尺寸稳定性得到改善，又可使经纱、纬纱没有因交织产生的织缩，具有良好的颗粒分离特性，其过滤效果远远优于普通种类的针织物，且生产效率高。纬编网格织物可直接按照过滤材料所要求的直径尺寸进行编织，省去缝纫工序，操作方便；经编网格织物生产速度快，尺寸稳定性更好，过滤效率更为稳定。使用耐高温纤维(如PPS纤维)的网格织物过滤材料能在高温下保持体积弹性，耐热冲击和机械振动，可用于冶金行业等高温环境。网格织物过滤材料中使用较为广泛的是衬经衬纬圆筒过滤织物，见图1。

图1 衬经衬纬织物

2.2 毛绒织物

针织绒类织物可以通过多种方法形成。纬编形成毛绒织物的方法主要有毛条喂入和毛纱割圈两种方法。毛条喂入式织物毛高较大，但其产品弹性较大，需经底部上浆和定型；毛纱割圈织物毛高较小，而尺寸稳定性有所改善。经编形成绒类织物方法主要有起绒、剖幅和剪绒等方法。起绒织物可获得较长的绒毛，透气性好，且结构稳定，有良好的弹性和延伸性；双针床剖幅织物绒毛不倒伏、抗压性强，抗静电效果好；剪绒织物可以根据需要获得平整或凹凸的绒面。

针织绒类织物表面的绒毛层可使织物的孔隙不是呈简单的直通状态，尤其是使用超细纤维等特殊材料时，绒毛层的存在使绒类过滤材料的过滤效率和清灰性能优于普通针织过滤材料，孔径减小可以有效拦截流体中直径小于孔隙的尘粒。过滤时流体中的尘粒在通过绒毛层的弯曲通道时会受到扩散、惯性和拦截等作用而沉积下来，部分尘粒被阻挡在底部组织附近形成粉尘层，依靠粉尘层的作用，过滤效率(尤其是过滤初期)提高。毛绒织物过滤材料的空隙度大、透气性能好、过滤阻力低、容尘量大，同时绒毛层表面清除粉尘更为容易，清灰性能好。对于针织绒类织物，一般密度越大、空隙越小，则其过滤阻力越大、过滤效率越高；绒毛平均长度越长、过滤孔隙平均直径越小，则过滤效率和过滤阻力越高、容尘量越大，同时也更易受到过滤风速和尘粒浓度变化的影响，过滤稳定性不好[7]。

与机织物和非织造布相比，针织绒类织物尺寸稳定性差，因此限制了该类过滤材料的发展。随着针织技术的不断发展，织造和后整理技术的不断完善，针织绒类织物必将在过滤材料领域迅猛发展。

目前作为过滤材料使用最为广泛的绒类织物是针织长毛绒织物。该织物以添纱组织为地组织形成衬垫组织，面纱和地纱一起成圈，形成添纱组织，衬垫纱在织物的某些线圈上形成不封闭的悬弧，在另一些线圈背面形成浮线，并经过起绒工艺，表面形成均匀的绒毛层，见图2。

图2 针织长毛绒织物

2.3 弹性毛圈织物

针织弹性织物可分单向弹性织物和双向弹性织物，也可分为经编弹性织物和纬编弹性织物。单向弹性织物仅在纵向或横向有弹力，结合使用普通纤维，可充分发挥高弹性纤维的特点，适宜作为过滤材料使用；双向弹性织物纵横向均具有弹性，但是弹性过大使其孔隙尺寸不够稳定，无法作为过滤材料使用。经编弹性织物比纬编弹性织物的延伸性小，织物的尺寸稳定性好，但纬编织物可使用的原料范围更广。该过滤材料一般使用氨纶等高弹性纤维编织线圈，使用普通化学纤维编织毛圈，与普通结构的过滤材料相比其孔径和透过率更小，阻拦能力更高。由于两种纤维弹性不同，在进行气体过滤时，气体从毛圈一侧流过，过滤材料表面的毛圈在气体的压力下紧贴过滤材料表面，降低了透过性，使过滤材料的透气率减少，阻拦能力提高。当气体出现回流现象时，过滤材料在纵横向受到拉伸，高弹性化学纤维编织的线圈伸长，普通化学纤维编织的毛圈部分随之伸直，使得过滤孔隙变大，有利于过滤材料表面沉积的尘粒脱落[8]。

通常作为过滤材料使用的是单面弹性织物，是单向弹性织物的一种，其反面分布毛圈，正面分布线圈，见图3。

图3 弹性毛圈织物

2.4 三维间隔织物

三维间隔织物分为经编间隔织物和纬编间隔织物，见图4。经编间隔织物可以由经编双针床机器编织，纬编间隔织物可以在纬编横机和圆机上织成。与普通二维织物不同，三维间隔织物由上下两个表面层和中间一个间隔层组成。该特殊的三维立体结构使得间隔层中的纤维呈空间曲折分布，形成具有无数微小孔隙的纤维三维网状结构，因此尘粒必须沿着过滤材料内间隔层的曲折网状路径进行过滤，随时都有可能与纤维发生碰撞而被截留。过滤材料可以对尘粒进行拦截、惯性、扩散和筛滤等各种效应的表面和内部分离，有效拦截比过滤材料孔径更小的尘粒。间隔层的存在还可以提高流体的流动速度，加快过滤过程，具有阻力小、透气性能好等优点。但是也同样由于上述原因，使得过滤不仅仅发生在过滤材料的表面，也发生在其内部孔隙之中，易造成过滤材料阻塞，使清灰工作难以进行，从而加大压力损失。相信随着纺织加工技术的进步，可以通过使用特种纤维或者特殊整理的方法解决三维间隔织物易阻塞和清灰困难的问题。

图4 三维间隔织物

3 结语

空气质量的日渐下降使气体过滤显得至关重要，气体过滤已经成为全球过滤领域中发展最快的部分，因此气体过滤材料在产业用纺织品领域中具有极大发展潜力。目前针织过滤材料在某些产业中已经得到应用。随着针织技术的进步和各种高性能纤维的广泛应用，加上针织物本身具有的原料适应性广、结构变化性强等优点，将使针织过滤材料在未来的气体过滤材料领域具有极大的竞争力。

[1] 施慧,王天培,董琛,等.关于PM2.5的影响因素和解决办法[J].科技创新导报,2015(5):103-106.

[2] 杨丽芳.纺织品过滤材料在产业用纺织品中的地位[J].非织造布,1995(3):40-42.

[3] 缪旭红,韩玉梅,赵帅权.针织结构在产业用纺织品上的应用[J].纺织导报,2014(7):33-36.

[4] 邱佩琼,陈继红,王东,等.超细纤维在针织面料上的应用[J].武汉科技学院学报,2007(8):9-11.

[5] 陈明宏.纺织过滤材料浅谈[J].产业用纺织品,1990,8(3):26-32.

[6] 吴丽丽.水刺耐高温过滤材料的关键技术与产品性能研究[D].上海：东华大学,2010.

[7] 杨磊,范晓伟,张勍,等.卷烟车间空调回风过滤用毛绒滤料的过滤性能[J].烟草科技,2014(10):9-14.

[8] 马会英.纺织过滤材料[J].天津纺织科技,2000(3):13-15，33，27.

The application and development of knitted gas filter material

LiXiaoyi,MiaoXuhong

(Engineering Research Center of Knitting Technology, Ministry of Education, Jiangnan University)

The market value and the potential development of the knitted filter material gradually were emerged due to its special structure. The main factors influencing properties of knitted gas filter material, the characteristics and selection principle of fiber raw material, as well as the advantages, disadvantages and applications of different structure knitted fabric, such as mesh fabric, plush fabric, elastic looped fabric, spacer fabric and so on, were introduced.

knitted fabric, gas filter material, application, development

*国家科技支撑项目(2012BAF13B03)；江苏省产学研联合创新资金-前瞻性联合研究项目(BY2013015-14)

2014-12-26；修改稿：2015-03-15

李筱一，女，1994年生，在读本科生。主要研究方向是纺织材料与纺织品设计。

缪旭红，E-mail：miaoxuhong@163.com

TS186.6+2

A

1004-7093(2015)07-0034-04