浸渍法制备活性炭非织造布的工艺研究

彭志鹏 殷保璞

东华大学纺织学院，上海 201620

浸渍法制备活性炭非织造布的工艺研究

彭志鹏 殷保璞

东华大学纺织学院，上海 201620

以涤纶短纤维为原料，制成面密度为85 g/m2的疏松针刺纤网；然后分别采用聚乙烯醇、丙烯酸树脂和聚醋酸乙烯酯3种黏合剂，并通过浸渍法将活性炭粉末均匀黏附在纤网上，形成3种活性炭非织造布；研究黏合剂质量分数、浴比(即活性炭粉末与浸渍液质量比)、烘焙温度对活性炭非织造布的载炭量和拉伸性能的影响，比较3种活性炭非织造布的载炭量与拉伸性能。结果表明：浴比对活性炭非织造布的载炭量的影响程度最大，其次是黏合剂质量分数，烘焙温度则无影响；烘焙温度对活性炭非织造布的拉伸性能的影响与所用黏合剂的热学性质有关；黏合剂质量分数上升，3种活性炭非织造布的拉伸强力均提高；以聚醋酸乙烯酯做黏合剂时，由于它在水中的分散性不佳，造成活性炭非织造布的拉伸强力不高；选用聚乙烯醇做黏合剂时，由于其成膜性好，使得活性炭非织造布的纵横向拉伸强力接近。

活性炭非织造布，浸渍法，黏合剂，载炭量，拉伸性能

近年来随着大气污染问题愈发严重，许多空气净化设备和防护装置应运而生，市场上出现了各种空气净化器和防护口罩，其中活性炭非织造布在气体过滤方面有着极大的优势和发展空间[1]。活性炭非织造布的过滤介质主要是气体。通常，活性炭非织造布通过将高分子黏结材料黏附在非织造布的基体上而制成，可有效吸附各种工业废气，如苯、甲苯、二甲苯、甲醛、氨气、二氧化硫等。

目前活性炭非织造布的制备方式有很多种，其中浸渍方式的流程短、制作成本低廉，但当黏合剂质量分数较高时极易堵塞活性炭的微孔，而黏合剂质量分数偏低时又无法保证较高的载炭量[2]。本文采用优化的化学黏合非织造布生产工艺，通过采用不同的黏合剂和工艺参数制得3种活性炭非织造布，分析、比较3种活性炭非织造布的载炭量与拉伸性能。

1 试验部分

1.1 试验原料

试验所用的原料见表1。

表1 试验原料

1.2 活性炭非织造布制备

活性炭非织造布制备工艺流程如图1所示。

图1 活性炭非织造布制备工艺流程

工艺1：首先，对涤纶短纤进行充分开松、除杂；然后，在BG 218型双道夫杂乱梳理机上梳理成网，纤网面密度为85 g/m2；接着，利用WFC 100型针刺机对纤网进行预针刺，形成非织造纤网，其具有一定的稳定性，同时具备疏松、多孔性能，利于活性炭粉末进入纤网并借助黏合剂黏附于纤维之间。

工艺2：先将称量好的椰壳活性炭粉末置于蒸馏水中，静置一段时间，待水分子完全占据活性炭粉末的孔隙后，悬浮和漂浮在水面的活性炭粉末细小颗粒则沉至底部；配制不同浓度、不同种类的黏合剂溶液，并加入少量的十二烷基磺酸钠作为分散剂(其质量分数控制在1.0%)，然后与浸湿的椰壳活性炭粉末混合，形成浸渍液。

工艺3：将非织造纤网放入装有浸渍液的水箱中，并将水箱置于超声波搅拌仪中，待非织造纤网浸湿完全后取出，并用JWU-504A型气动小轧车进行脱液处理，随后放入DGG-9003A型恒温电热鼓风烘箱中进行烘燥，即得活性炭非织造布。

1.3 测试

1.3.1 载炭量

采用FA2004型电子天平测量非织造纤网浸渍前的质量及活性炭非织造布烘干后的质量，计算活性炭非织造布的载炭量(W)：

其中：W2为活性炭非织造布上活性炭粉末和黏合剂质量与非织造纤网质量之比；C为黏合剂质量分数，%；R为浸渍液中活性炭粉末质量与黏合剂溶液质量之比；W1为烘干后的活性炭非织造布质量，g；W0为浸渍前的非织造纤网质量，g。

1.3.2 拉伸断裂强力

测试仪器采用HD026N-300型多功能织物强力仪，测试标准参照GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能第1部分断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》[3]，隔距为100 mm，拉伸速率为100 mm/min。

1.3.3 DSC分析

采用DSC 400型差示扫描量热仪进行3种黏合剂的DSC分析。

1.3.4 形貌观察

采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜(SEM)观察活性炭非织造布中纤维与活性炭的表面形貌。

2 结果与分析

2.1 正交试验与载炭量分析

从活性炭非织造布制备工艺流程可知，影响成品载炭量的工艺参数有3个：黏合剂质量分数A，浴比B(即活性炭粉末与浸渍液质量比)和烘焙温度C。为寻找最佳的工艺参数，并确定它们对活性炭非织造布载炭量的影响程度，设计了三因子三水平的正交试验方案(表2)，载炭量极差分析如表3所示。

表2 正交试验方案

表3 载炭量极差分析表

注：#1、#2、#3分别表示采用聚乙烯醇粉末、水性丙烯酸树脂乳液和聚醋酸乙烯酯乳液做黏合剂而形成的活性炭非织造布

根据表2的正交试验方案所获得的载炭量试验结果，对其进行极差分析，不仅可以判断各因子对载炭量的影响程度，还可以确定最优的工艺参数水平组合。由表3可以看出，无论采用哪种黏合剂，对载炭量影响程度最大的都是浴比，其次是黏合剂质量分数，影响程度最小的是烘焙温度。采用聚乙烯醇做黏合剂，其质量分数为2.0%时载炭量最大；采用水性丙烯酸树脂乳液或聚醋酸乙烯酯乳液做黏合剂，其质量分数为1.5%时载炭量最大。进一步分析后发现，对3种黏合剂而言，黏合剂质量分数为1.5%～2.0%时载炭量最大，浴比为1.0 ∶1.5时载炭量最大。试验中发现，此时浸渍液中活性炭粉末含量高，故而能提高活性炭非织造布的载炭量，但同时也降低了非织造布上活性炭粉末的分布均匀性；采用聚乙烯醇粉末做黏合剂时，这种情况尤为明显。

为进一步检验哪些因子对载炭量有影响、哪些因子无影响，在正交试验结果极差分析的基础上进行方差分析(表4)。由表4可知，无论采用何种黏合剂，烘焙温度对载炭量都没有影响；采用聚乙烯醇粉末或聚醋酸乙烯酯乳液做黏合剂，置信度为95%时3个因子的水平变化对载炭量的影响无显著性差异，置信度为90%时因子A和因子B的水平变化对载炭量的影响有显著性差异。其原因可能是试验中的随机误差大，也可能是因子的水平设置范围小，使得随机误差对试验结果的影响程度远大于因子的水平变化对试验结果的影响程度。

表4 载炭量方差分析表

2.2 拉伸断裂强力测试

图2为黏合剂质量分数为1.0%时不同烘焙温度下3种活性炭非织造布的纵横向拉伸断裂强力，可以看出，采用水性丙烯酸树脂乳液或聚醋酸乙烯酯乳液做黏合剂的活性炭非织造布的拉伸断裂强力随着烘焙温度的提高没有明显变化；采用聚乙烯醇粉末做黏合剂的活性炭非织造布的拉伸断裂强力在烘焙温度为90、120 ℃时明显下降，小于烘焙温度为60 ℃时的拉伸断裂强力。

从3种黏合剂的DSC曲线(图3)可以看出，在60～90、90～120 ℃的温度区间内，只有聚乙烯醇粉末的DSC曲线在60～90 ℃出现吸热峰。聚乙烯醇的玻璃转化温度为75～85 ℃，当烘焙温度为90、120 ℃时，聚乙烯醇的分子链段松弛，进入玻璃转化区。由此可以推测烘焙温度大于黏合剂的玻璃转化温度时，会对活性炭非织造布的拉伸断裂强力产生不良影响。相关资料表明[4]，产品的断裂强度随着所用黏合剂的玻璃转化温度的提高而提高，当烘焙温度大于黏合剂的玻璃转化温度时，水分蒸发速度快且更易透过聚乙烯醇膜，造成膜的致密性下降[5]，膜的抗张强度也下降，活性炭非织造布的拉伸断裂强力随之下降。

图2 不同烘焙温度下3种活性炭非织造布的纵横向拉伸断裂强力

图3 3种黏合剂的DSC曲线

图4为烘焙温度120 ℃时不同黏合剂质量分数下3种活性炭非织造布的纵横向拉伸断裂强力，可以看出，随着黏合剂质量分数上升，#2和#3的拉伸断裂强力呈上升趋势，而#1是先上升后下降，说明黏合剂质量分数越高，活性炭非织造布的拉伸断裂强力并不一定越高。

图4 不同黏合剂质量分数下3种活性炭非织造布的纵横向拉伸断裂强力

在同等条件下，#3的纵横向拉伸断裂强力均低于#1和#2。乳液状的聚醋酸乙烯酯在水中的分布均匀程度远不如水溶性聚乙烯醇和水性丙烯酸树脂，因此其在纤网上的分布均匀性降低，导致以其做黏合剂的活性炭非织造布的拉伸断裂强力下降。

表5给出了3种活性炭非织造布的纵横向拉伸断裂强力比，可以看出，#1的纵横向拉伸断裂强力比基本上都小于#2和#3，仅在烘焙温度60 ℃、黏合剂质量分数1.0%时略大于#3。这可能是因为溶剂蒸发时溶质(即聚乙烯醇)极易成膜，膜附着在非织造纤网纵横向的多根纤维上(图5)，降低了活性炭非织造布纵横向拉伸断裂强力比。

表5 3种活性炭非织造布的纵横向拉伸断裂强力比

图5 聚乙烯醇膜黏附于非织造纤网的电镜照片

3 结论

本文分别采用聚乙烯醇、丙烯酸树脂和聚醋酸乙烯酯做黏合剂，制备了3种活性炭非织造布，研究了3个因子(即黏合剂质量分数、浴比和烘焙温度)对活性炭非织造布的载炭量的影响程度，分析、比较了3种活性炭非织造布的拉伸断裂强力与黏合剂质量分数及烘焙温度的关系，得出：

(1) 无论选用哪种黏合剂，3个因子对活性炭非织造布的载炭量的影响程度由大到小依次为浴比、黏合剂质量分数、烘焙温度；正交试验方差分析结果表明烘焙温度对活性炭非织造布的载炭量的影响不显著，同时也说明正交试验中各因子的水平设置范围较小或随机误差较大。

(2) 烘焙温度对活性炭非织造布的拉伸断裂强力的影响与采用的黏合剂的热学性能有关，当烘焙温度高于所采用的黏合剂的玻璃转化温度时，黏合剂成膜的抗张强度会下降，因而使得活性炭非织造布的拉伸断裂强力下降。

(3) 烘焙温度一定时，活性炭非织造布的拉伸断裂强力随着黏合剂质量分数上升而提高；相比于其他两种活性炭非织造布，采用聚醋酸乙烯酯做黏合剂的活性炭非织造布的拉伸断裂强力最低，这是因为乳液状的聚醋酸乙烯酯在水中的分散性不佳。

(4) 采用聚乙烯醇做黏合剂的活性炭非织造布的纵横向拉伸断裂强力比较接近。因为聚乙烯醇极易成膜，膜附着在非织造纤网纵横向的多根纤维上，提高了活性炭非织造布的稳定性，降低了其纵横向的拉伸断裂强力差异。

[1] 孙康, 蒋剑春. 国内外活性炭的研究进展及发展趋势. 林产化学与工业, 2009, 29(6): 98-104.

[2] 欧阳曙光, 刘凤, 许杰. 基于焦化除尘灰和无纺布的活性炭布制备研究. 广州化工, 2012, 40(6): 50-52.

[3] 刘明, 郑宇英, 王颖, 等. 纺织品织物拉伸性能第1部分断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法): GB/T 3923.1—2013[S]. 北京: 中国标准出版社, 2014.

[4] 陈明情, 刘亚. 泡沫浸渍法非织造布性能研究[J]. 非织造布, 2009,17(1): 19-21.

[5] 陈志周, 王建清. 聚乙烯醇成膜性及影响因素研究[J]. 包装工程, 2009, 30(1): 4-7.

Process study on the production of activated carbon nonwovens through the dipping method

PengZhipeng，YinBaopu

College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China

A loose needle web with an areal density of 85 g/m2was made of polyester staple fibers. Then, adopting polyvinyl alcohol, acrylic resin and polyvinyl acetate as an adhesive respectively,the activated carbon powder was made to adhere to the needle wed through the dipping method to produce 3 kinds of activated carbon nonwovens. The influence of the mass fraction of adhesive, the bath ratio (i.e, the mass ratio of activated carbon powders to dipping liquid) and the baking temperature on the amount of carbon load and the tensile properties of the activated carbon nonwovens were studied as well as the amount of carbon load and the tensile property of the 3 kinds of activated carbon nonwovens were compared. The results showed that the bath ratio had the greatest impact on the amount of carbon loaded on the activated carbon nonwovens, and the second was the mass fraction of adhesive, while the baking temperature seemed to have no influence. The effect of the baking temperature on the tensile strength of the activated carbon nonwovens depended on the thermal property of the adhesive used. The tensile strength of 3 kinds of activated carbon nonwovens improved with the increasing of the mass fracrion of adhesive. When polyvinyl acetate was choosed as the adhesive, duing to its poor dispersibility in water, the tensile strength of the activated carbon nonwoven was the lowest. When polyvinyl alcohol was used as the adhesive, because of its good film formation, the tensile strength of the activated carbon nonwoven in vertical was close to that in horizontal.

activated carbon nonwoven, dipping method, adhesive, amount of carbon load, tensile property

2016-08-02

彭志鹏，男，1991年生，在读硕士研究生，主要研究方向为非织造布空气净化

殷保璞，E-mail:bpyin@dhu.edu.cn

TS174.6

A

1004-7093(2017)02-0011-05