PET纤维直径对过滤纸结构和性能的影响

郝青青 梁 云，* 龙 金 应春卫

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640；2.北京中材人工晶体研究院有限公司，北京，100020)

·过滤纸·

PET纤维直径对过滤纸结构和性能的影响

郝青青1梁 云1，*龙 金1应春卫2

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640；2.北京中材人工晶体研究院有限公司，北京，100020)

采用5种不同直径的PET纤维与植物纤维配抄过滤纸，探究PET纤维直径对过滤纸结构和性能的影响。结果表明，过滤纸的厚度、孔径和透气度随着PET纤维直径的减小而减小，过滤效率和过滤阻力随着PET纤维直径的减小而增大，但在不同的PET纤维直径范围内变化的程度不同。当PET纤维直径在5～17 μm范围内时，变化程度较小；当PET纤维直径由5 μm降至2 μm时，过滤纸各项性能都发生了显著的变化。直径为2 μm的PET纤维作为一种新的纤维原料在过滤纸研制领域将具有很大的应用潜力。

PET纤维；直径；过滤纸结构和性能

(*E-mail: liangyun@scut.edu.cn)

随着科学技术的发展，各行各业对空气洁净度的要求越来越高，特别是近几年来，大规模的雾霾天气频频来袭，PM2.5严重威胁着人类的身体健康，因此提高过滤材料的综合性能至关重要。纤维直径是影响过滤纸结构与性能的最重要因素，直接影响过滤纸的厚度、孔径、透气度、过滤效率等性能。经典过滤理论认为，滤材中加入细纤维后可以形成“屏蔽效应”[1-2]，Quan Q等人对口罩纤维直径和过滤性能的研究表明，滤材的过滤性能与纤维直径密切相关，纤维直径越小，过滤效率越高[3]。Lamb G E R等人在研究聚酯(PET)纤维、聚丙烯(PP)纤维形态对滤清器性能的影响时发现，当滤材的定量和紧度不变时，透气度和纤维直径呈线性关系，当纤维直径趋近零时，滤材的过滤效率和过滤阻力趋于一个极限值[4]。还有研究表明，纤维直径对过滤性能影响的敏感程度与纤维直径范围有关[5]。这些研究都表明纤维直径的变化使过滤纸的性能发生变化，但是都未对不同纤维直径范围内过滤纸性能变化的程度进行研究。

PET纤维是合成纤维中发展速度最快、产量最高的一种，也是湿法成形过滤纸中常用的一种纤维原料。常用PET纤维的直径受纺丝技术的限制一般都在5 μm以上，近年来国外有公司推出了直径为2 μm的PET纤维新产品，但关于其在湿法成形过滤纸中的应用还未见报道。本实验选择了直径在2～17 μm范围内的5种不同直径的PET纤维，研究PET纤维直径对过滤纸结构与性能的影响，旨为PET纤维在过滤纸中的应用提供一定的依据。

1 实 验

1.1 实验原料

3种植物纤维：针叶木浆、阔叶木闪急干燥浆(以下称阔叶木浆)、经丝光化处理的针叶木浆(以下简称丝光浆)。5种PET纤维：长度为5 mm，直径分别为17、11、8、5、2 μm。

1.2 实验过程

1.2.1 原料配比

过滤纸浆料配比：丝光浆40%、针叶木浆35%、阔叶木浆20%、PET纤维5%。由直径分别为17、11、8、5、2 μm的5种PET纤维配抄的过滤纸的编号分别为1#、2#、3#、4#、5#，定量为100 g/m2。

1.2.2 结构分析

采用G2 Pro Y扫描电子显微镜观察5种过滤纸的微观形貌。

1.2.3 性能测试

厚度：采用YG142手提式测厚仪，按照GB/T3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》测定。

透气度：采用瑞士FX-3300-IV透气度仪，按照国际标准EN ISO 9.237测试。

孔径：采用美国PMI CFP-1100-A毛细流量孔径测试仪测定过滤纸的平均孔径、最大孔径。

过滤效率：采用美国TSI 8130气体透过自动测试台测定。

过滤阻力：采用美国TSI 8130气体透过自动测试台测定。

2 结果与讨论

2.1 PET纤维直径对过滤纸结构的影响

2.1.1 PET纤维直径对过滤纸内纤维根数的影响

由于5种过滤纸中所含的PET纤维质量相同，而且每种PET纤维的长度相同，因此可由式(1)计算出5种过滤纸中的PET纤维根数，进而可以计算出各过滤纸PET纤维根数相对于1#过滤纸PET纤维根数的比值(R)，结果见表1。

(1)

式中：N为纤维根数；m为纤维质量；L为纤维长度；d为纤维直径；ρ为纤维密度。

表1 5种过滤纸中PET纤维的直径和数量

由表1可以看出，随着PET纤维直径的降低，过滤纸中的纤维根数急剧增加，2#过滤纸中的PET纤维根数是1#过滤纸中的2.4倍，3#过滤纸中的PET纤维根数是1#过滤纸中的4.5倍，4#过滤纸中的PET纤维根数是1#过滤纸中的11.6倍，5#过滤纸中的PET纤维根数增加显著，是1#过滤纸中的72倍。由此可见，过滤纸中PET纤维直径的降低和纤维根数的增加，必将对过滤纸的结构和性能产生影响。

2.1.2 过滤纸微观形貌观察

图1是5种过滤纸表面的SEM图。从图1可以清晰地看出，从1#过滤纸到5#过滤纸，所含的PET纤维直径逐渐减小，单位面积内的PET纤维根数增加。1#过滤纸中的PET纤维直径最大，纤维挺硬，分布在其他纤维中具有一定的支撑作用，随着PET纤维直径的减小，对其他纤维的支撑作用不断减弱，当PET纤维直径减小至2 μm时，纤维呈显著的弯曲状态，分布在另外3种植物纤维交织形成的空隙中，在过滤纸中的作用也由支撑转变为填充。图2为1#过滤纸和5#过滤纸的截面SEM图，可以对比观察直径分别为17 μm和2 μm的PET纤维在过滤纸中的分布情况以及过滤纸的z向结构。

从图2可以看出，1#过滤纸中所含PET纤维的直径和其他植物纤维的截面尺寸差别不大，纤维之间共同搭建成的三维结构较均匀、疏松。5#过滤纸中所含的PET纤维直径明显小于其他植物纤维，同时纤维根数较多，与其他纤维交织缠绕，在过滤纸三维结构中填充分布，对植物纤维形成的孔隙产生了分割效果。

2.2 PET纤维直径对过滤纸性能的影响

2.2.1 对物理性能的影响

实验研究了PET纤维直径对过滤纸的厚度、孔径、透气度的影响。为了更准确地评价PET纤维直径的影响，避免施胶增强破坏过滤纸结构，研究中没有对过滤纸进行增强处理，因而没有评价力学性能。过滤纸其他主要性能的测试结果见表2。

图2 1#过滤纸和5#过滤纸截面的SEM图

图1 5种过滤纸表面的SEM图

过滤纸PET纤维直径/μm物理性能厚度/mm平均孔径/μm最大孔径/μm透气度/mm·s-11#170.76845.783.911392#110.75144.877.811303#80.69243.672.410984#50.63342.767.39385#20.60028.054.6660

从表2可以看出，当PET纤维直径从17 μm逐渐减小至5 μm时，过滤纸的厚度、孔径和透气度都呈逐渐减小的趋势，但程度不大，然而当PET纤维直径减小至2 μm时，除了厚度和之前的变化程度接近外，过滤纸的平均孔径、最大孔径和透气度都显著减小。

纤维直径减小使单根纤维所占空间减小，纤维堆积成层排列时对厚度的贡献减小，同时纤维根数的增加使更多的纤维在过滤纸z向上堆积，两者共同影响着过滤纸的厚度。1#过滤纸至4#过滤纸中的PET纤维在过滤纸中主要起到支撑作用，分布在其他3种纤维之间，因纤维直径越大对过滤纸厚度的贡献越明显，所以当PET纤维直径从17 μm逐渐减小至5 μm时，过滤纸的厚度逐渐减小，且幅度较明显。而5#过滤纸中的PET纤维，由于直径较小，为2 μm，在过滤纸中主要起到填充作用，分布在其他3种纤维交织结构的空隙中，与直径较大的PET纤维相比，其对过滤纸厚度的贡献作用较小，因此，含直径为2 μm的PET纤维的5#过滤纸，过滤纸厚度进一步减小，但减小幅度较小。

定量相同时，纤维直径是影响过滤纸孔隙结构最重要的因素[6]。随着PET纤维直径的减小，过滤纸的孔径出现了不同程度的下降，当 PET纤维直径从17 μm逐渐减小至5 μm时，相应的从1#过滤纸到4#过滤纸，平均孔径减小了6.6%，最大孔径减小了19.8%，而当 PET纤维直径为5 μm时，相应的5#过滤纸的平均孔径减小39%，最大孔径减小35%，可见5#过滤纸的平均孔径和最大孔径的减小程度明显大于其他过滤纸。其原因主要在于PET纤维直径的减小伴随着PET纤维根数的增加，纤维网络被分割的次数增多。

透气度反映了气体通过过滤纸内部结构的阻力大小。以在规定的实验面积和压降下，气流垂直通过试样的速率表示。当气流通过纸张内部结构时，气体分子与纤维之间发生碰撞，发生碰撞的气体分子动量损失，流速降低，单位时间内透过滤纸的气流量会减小，从而在宏观上表现出透气度降低。由于1#过滤纸到5#过滤纸，其孔径逐渐减小，气体分子与纤维之间的碰撞概率增加，所以透气度不断减小。5#过滤纸所含的直径为2 μm的PET纤维根数较多，直径较小，形成的材料孔隙较小[7]，当气流从过滤纸中穿过时，气体分子与纤维之间碰撞的次数大大增加，所以透气度明显小于其他过滤纸。

图4 5种过滤纸中PET纤维分布示意图

2.2.2 对过滤性能的影响

过滤效率指过滤纸过滤颗粒的百分比，阻力是指气溶胶颗粒通过过滤纸内部结构时产生的压降。5种过滤纸的过滤效率与过滤阻力的测量结果如图3所示。

过滤效率测试所用气溶胶颗粒的粒径为0.26 μm，属于过滤纸最易穿透的粒径，颗粒物捕集过程中主要产生了拦截和扩散效应[8]。从图3可以看出，随着PET纤维直径的减小，过滤纸的过滤效率和过滤阻力逐渐增加。当PET纤维直径从17 μm(1#过滤纸)降至11 μm(2#过滤纸)时，过滤纸的过滤效率增加了22.4%，过滤阻力增加了11.1%；当PET纤维直径从5 μm(4#过滤纸)降至2 μm(5#过滤纸)时，过滤纸的过滤效率增加了38.0%，过滤阻力增加了41.7%。可见，当PET纤维直径为 2 μm时，其对过滤纸过滤性能的影响较为突出。为了更直观地观察PET纤维直径对过滤纸过滤性能的影响，结合5种过滤纸中PET纤维的分布示意图(见图4)进行分析。

从图4可以看出，随着PET纤维直径的减小,过滤纸单位面积内的纤维根数增加，5#过滤纸的PET纤维根数最多，其在过滤纸中具有填充作用，大大减小了纤维间的孔隙。气溶胶从纤维层通过时，颗粒会更加靠近纤维，即颗粒和纤维发生碰撞的概率增大，提高了过滤效率；同时，直径细的纤维比表面积较大，颗粒做布朗运动扩散时被捕集到的概率也越大，有利于提高过滤效率。所以减小纤维直径是提高过滤纸过滤效率的主要途径。

过滤阻力是由气流通过纤维层时受到纤维的阻碍而引起的，在固定流量下的压差值，而透气度是固定压差下的流量值[9]，一般来说，两者成反比关系。随着纤维直径降低，纤维根数增加，形成的较小的孔隙结构使气溶胶通过过滤纸内部的路径变得更狭小曲折，导致过滤阻力增加。5#过滤纸的PET纤维的直径为2 μm，因此PET纤维的根数远远超过其他过滤纸，使过滤纸孔隙变得更小更复杂，气溶胶通过过滤纸内部时与纤维发生碰撞和摩擦的次数更加频繁，从而过滤阻力较其他过滤纸明显增加。

3 结 论

实验研究了PET纤维作为一种添加于湿法成形过滤纸中的纤维原料，其直径对过滤纸的结构与性能的影响。

3.1 在PET纤维用量相同时，PET纤维直径的减小导致单根PET纤维体积的减小和PET纤维总根数的增加，PET纤维对由其他纤维所构成的基材孔隙的分割次数不断增加，过滤纸结构和性能发生改变。

3.2 过滤纸的厚度、孔径和透气度随着PET纤维直径的减小而减小，过滤效率和过滤阻力随着PET纤维直径的减小而增大，但在不同的PET纤维直径范围内变化的程度不同，当PET纤维直径由17 μm减小到5 μm时，配抄的过滤纸的性能变化程度较小，平均孔径、最大孔径、透气度分别减小了6.6%、19.8%、17.6%，过滤效率和过滤阻力分别增加了22.4%、11.1%；当PET纤维直径由5 μm减小到2 μm 时，配抄的过滤纸的性能发生了显著变化，平均孔径、最大孔径、透气度分别减小了39.0%、35.0%、29.6%，过滤效率和过滤阻力分别增加了38.0%、41.7%。直径为2 μm的PET纤维对过滤纸结构和性能的影响非常显著，将具有很大的应用潜力。

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(责任编辑：郭彩云)

Influence of PET Fiber Diameter on Structure and Properties of Filter Paper

HAO Qing-qing1LIANG Yun1,*LONG Jin1YING Chun-wei2

(1.StateKeyLabofPulpandPaper,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640;2.BeijingSinomaArtificialCrystalResearchInstituteCo.,Ltd.,Beijing, 100020)

In this paper, the influence of PET fiber diameter on structure and filtration performance of filter paper was extensively studied by preparing handsheets using plant fiber and PET fibers with different diameters. The result showed that the thickness, pore size and air permeability of the filter paper decreased, while filtration efficiency and resistance increased with decreasing of the diameter of PET fiber. The magnitude of these changes was different. The performance changed slowly when PET fiber diameter decreased from 17 μm to 5 μm, but the performance significantly changed when fiber diameter reduced from 5 μm to 2 μm. It showed that the new PET fiber material with diameter of 2 μm could have a strong application potential in filter paper．

PET fiber; diameter; structure and performance of filter paper

郝青青女士，在读硕士研究生；研究方向：高性能纸基复合材料。

2017- 04- 06(修改稿)

非石棉纤维密封和过滤复合材料开发及产业示范项目(2015BAE02B00)。

TS722

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.08.001

*通信作者：梁 云，研究员，博士生导师；研究方向：高性能纸基复合材料。