纤维截面形状对针刺滤料性能的影响

陈兰兰 张初阳 殷保璞

东华大学纺织学院， 上海 201620



纤维截面形状对针刺滤料性能的影响

陈兰兰 张初阳 殷保璞

东华大学纺织学院， 上海 201620

采用针刺加固法对不同截面形状的纤维进行加工制得非织造滤料，对针刺滤料的表面结构、孔径分布、孔隙率和过滤性能进行试验。研究表明，在原料、面密度、加固工艺相同的条件下，由扁平截面纤维制得的滤料比圆形截面纤维制得的滤料具有更好的过滤性能，故扁平截面纤维针刺滤料具有广阔的开发前景。

扁平截面，圆形截面，针刺滤料，过滤性能

近年来，有关空气污染的报道越来越多，引起了人们对生活环境的关注，相关的大气污染标准也不断更新提高。作为空气净化领域的主力，袋式除尘器的应用越来越普遍，滤料的性能也在不断提升[1]。目前，用于制造滤料的有机化学纤维有聚丙烯纤维、丙烯腈均聚体纤维、聚酯纤维、聚苯硫醚纤维、P84纤维、聚四氟乙烯纤维等，无机纤维包括玻璃纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、不锈钢纤维等。其中，聚丙烯纤维以其质轻、价廉、易加工等优点，成为使用最广泛的纤维。聚丙烯纤维制造滤料的加工工艺多种多样，相应产品的过滤效率也各不相同。

目前，对滤料的开发接近一个至高点，因而滤料的研究需要寻找新的途径和方向。本文用两种不同截面形状的纤维，采用相同的生产工艺制得针刺滤料，然后分析比较两种滤料的过滤性能。

1 试验材料及滤料制备

1.1 试验材料

本试验选用的原料是扁平截面和圆形截面的聚丙烯纤维，其傅氏红外光谱(FTIR)图如图1所示。图1(a)为扁平纤维，其峰值为840.50、997.53 cm-1，图1(b)为圆形纤维，其峰值为840.86、 997.60 cm-1，均为聚丙烯的特征峰值。两者的平均直径都为15～30 μm，图2为两种纤维的扫描电镜(SEM)照片。

图1 两种纤维的FTIR图

图2 两种纤维的SEM照片

1.2 滤料制备

针刺滤料的加工工艺流程：纤维抗静电处理→开松→混合→成网→预针刺→主针刺→后整理→成品。

2 滤料的物理和力学性能测试

对针刺滤料进行表观形态、面密度、透气性、孔径及过滤效率的测试。

采用FA 2004 A 型电子天平测试试样的质量，然后计算得到面密度，参考GB/T 24218.1—2009；采用YG141N型数字式织物厚度仪测试厚度，载荷为0.5 kPa，参考GB/T 24218.2—2009；采用YG026B型电子织物强力机测试强度，试样尺寸为200 mm×50 mm，参考GB/T 24218.3—2010；采用YG461E型电脑式透气性测试仪测试透气性，压差定为200 Pa，测试面积为20 cm2，10号喷嘴，参考GB/T 5453—1997；采用Porous Materials 公司的CFP-110-AI型孔径仪测试孔径，参考ISO 4003—1977；采用TSI8130型自动滤料检测仪测试过滤效率，参考GB 2626—2006。

2.1 表观形态

图3为两种滤料表面结构的SEM照片。从图3(a) 可以看出，经过针刺后，部分纤维在纵向上发生了分裂，出现大量纤维原纤化。这是因为扁平截面纤维受到刺针的作用比较容易，被针刺的概率更大。在针刺过程中，刺针的作用频率很高，而且刺针的针尖和针身的外侧还附有很多钩刺，当这些针尖反复作用于扁平状纤维时，刺穿纤维而没有将纤维刺断，使纤维出现纵向分裂形成更细的纤维，从而形成异纤度纤网，纤网叠实程度较圆形纤维滤料[图3(b)]有了很大的改善。

图3 两种滤料的SEM照片

2.2 样品的基本性能

透气性是指在规定压差、一定时间内垂直通过单位面积滤料气流的流量。透气性反映的就是通过滤料气流流速的大小，因此其单位为mm/s，在一定程度上也反映了孔隙率的大小[2]。空隙率可由下式计算得到：

式中：n——空隙率，%;

M——纤网面密度， g/m2;

ρ——纤维密度， g/m3;

δ——纤网厚度，m。

两种滤料的基本性能见表1。

表1 滤料的基本性能

有关文献[3]表明，滤料的厚度对滤料的孔隙有着十分重要的影响。从表1可以看出，经过同样的针刺加固工艺，在面密度相近的情况下，由扁平截面纤维制得的纤网厚度大于由圆形截面纤维制得的纤网，纤网厚度在一定程度上影响滤料的过滤效率与过滤阻力。因为滤料厚度增加，使得滤料的孔隙多呈弯曲状不连续通道，细小颗粒随着气流通过滤料，必须要通过滤料的孔隙，滤料的孔隙弯曲和不连续加大了对颗粒的捕捉。所以在面密度相同的情况下，滤料的厚度是影响滤料过滤性能的一个十分重要的因素。由于扁平状纤维的线密度分布较大，粗细纤维相互交叉，较粗的纤维支撑起纤网骨架，纤维不易叠实，因而纤网厚度比相同面密度的细纤维纤网大，结构蓬松，颗粒通过纤网的路径加长，过滤效果相应提高。

从表1中还可以看出，扁平截面纤维纤网的纵横向强力相差169.7 N，而圆形截面纤维纤网的纵横向强力几乎相同。原因在于圆形截面纤维呈单一纤度，纤网显示出高平整度，而扁平截面纤维由于针刺作用发生了原纤化，刺针作用于纤维时，纤维受到拉伸作用，开纤后纤维在力的作用下多沿纤网方向排列, 纤网表现出较大的各向异性，因而扁平截面纤维纤网的纵横强力差别较大。

3 滤料的过滤性能测试

3.1 孔径测试及结果分析

非织造材料是通过纤维的相互穿插从而形成纤网，整体呈三维多孔结构。非织造滤料的过滤性能取决于其多孔结构，孔的形状、大小及数量等都会影响滤料的性能[4]。一般来说，滤料的孔径越小、越不规则，颗粒通过孔隙时越容易被拦截，过滤效率越高，但是孔径小又会带来阻力大的问题。一般要求滤料的过滤效率高而阻力小，因而孔径的大小是影响滤料性能的一个重要因素。

两种针刺滤料的孔径见表2，孔径分布见图4。由表2可知，扁平截面纤维滤料的平均孔径比圆形截面纤维滤料的平均孔径小21.361 3 μm，由此可以看出，在针刺工艺中，扁平截面纤维有利于减小滤料的孔径。原因在于，扁平截面纤维原纤化程度高，细小的纤维分布在三维立体状纤网中，加大了纤网孔隙通道的曲折性，因而纤网的空隙多而平均孔径较小。单位面积中扁平截面纤维纤网的孔隙数量大于圆形截面纤维纤网，而平均孔径却小于圆形截面纤维纤网。研究的意义就在于此，高孔隙率和小孔径使空气易通过，而颗粒则易被拦截，这就提高了滤料对颗粒物的阻挡率，而过滤阻力却不会太大[5]。所以，扁平截面纤维更适合作为滤材原料。

表2 两种滤料的孔径对比

图4 两种滤料的孔径分布

3.2 过滤效率及结果分析

过滤性能测试所采用的仪器为TSI8130 型自动滤料检测仪，使用NaCl气溶胶，质量中值直径为0.260 μm， 数量中值直径为0.075 μm,过滤效率测试范围为0～99.999%，测试结果见表3。

表3 两种滤料的过滤效率及阻力

两个样品均未经温度、湿度预处理，气体流量为85 L/min。由表3可以看出，扁平截面纤维滤料的过滤效率比圆形截面纤维滤料高23.4%，而阻力却小19.3 Pa。说明扁平截面纤维滤料具有高效率、低阻力的效果，再次证明扁平截面纤维滤料的优越性。

4 结论

本文比较了扁平截面纤维针刺滤料和传统圆形截面纤维针刺滤料的表观性能、力学性能及过滤性能。试验结果表明：

(1) 扁平截面纤维经针刺加工后，由于受到刺针的强烈作用，部分纤维原纤化，改变了滤料的结构，滤料中较粗的纤维作为骨架，保证了纤网的厚度，而原纤化了的纤维比表面积大，更易捕捉细小颗粒，大大提高了滤料的过滤性能。

(2) 扁平截面纤维在刺针高频的作用下被刺穿而非拉断，因而原纤化的纤维受到刺针针钩拉力的作用在纤网中随机排列，使形成的纤网比单一直径纤维形成的纤网更加杂乱，改善了纤网的孔隙结构，提高了滤料的过滤性能。

(3) 扁平截面纤维经针刺后形成异纤度纤网，孔隙率大于圆形截面纤维纤网，孔隙率大而平均孔径小，总体上透气性较单一纤度的纤网有所提高。

[1] 张亮. 垃圾焚烧炉烟气净化用袋式除尘滤料的试验研究[D]. 上海: 东华大学, 2006．

[2] 王同庆. 过滤材料主要性能参数关系[J]. 过滤与分离, 2000，10(1)：30-32．[3] BARHATE R S, RAMAKRISHNA S. Nanofibrous filter-ing media: Filtration problems and solutions from tiny materials[J]. Journal of Membrane Science，2007，296(1/2): 1-8.

[4] 杨旭红. 非织造材料基本结构特征的表达[J].纺织导报，2004(4): 16-19．

[5] 刘呈坤, 马建伟. 非织造布过滤材料的性能测试及产品应用[J].非织造布，2005,13(1): 30-34．

Effect of fiber cross-section shape on filtration performance of needle-punched nonwovens

ChenLanlan,ZhangChuyang,YinBaopu

College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China

Nonwoven filter materials, made of fibers with different cross-section shapes, were prepared by the method of needle punching and the apparent structure, pore size distribution, porosity and other filtration performances of the filter materials were tested. The results show that the filtration efficiency of needle-punched filter medium with flat section fiber is higher than that of round section fiber at the conditions of same raw material, same surface density and same reinforced process, which will have a broad development prospect.

flat section, round section, needle punching nonwoven filter medium, filtration performance

2015-05-15

陈兰兰，女，1990年生，在读硕士研究生，研究方向为非织造空气过滤材料

殷保璞，E-mail：bpyin@dhu.edu.cn

TS174.6

A

1004-7093(2016)02-0031-04