腈纶预氧化丝/芳纶针刺滤材的性能

于 宾， 赵晓明， 漆东岳

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 广州纤维产品检测研究院， 广东 广州 511447)

雾霾是指由于空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等大量细微悬浮颗粒的存在，使空气浑浊并导致水平能见度小于10 km的天气现象[1]。随着生产制造业和城市化的发展，汽车尾气和工业废气的排放以及沙尘暴、建筑扬尘等增多，雾霾成为我国面临的重要环境问题[2]，其中，煤燃烧以及垃圾焚烧等产生的悬浮颗粒物是造成空气污染、雾霾形成的主要原因，粒径小于2.5 μm的悬浮颗粒物(PM2.5)可通过呼吸道进入人体且不易被清除，增加心血管和呼吸道发病概率，对人体健康造成严重危害[3]。使用纤维滤材对空气进行过滤，是去除悬浮颗粒物、净化空气最为直接有效的手段之一。

由于具有低成本、高效率、低能耗、结构简单、易清灰的性能，非织造纤维过滤材料广泛应用于各种空气过滤领域[4]。由随机杂乱分布的纤维构成的非织造过滤材料具有优良的透气性、多孔性和较高的过滤效率，其中针刺法是目前常用的纤维过滤材料加工方式[5]。目前，常见的高温滤材用纤维主要有聚四氟乙烯纤维、聚苯硫醚纤维、芳纶、芳砜纶、聚酰亚胺纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维等[6-7]，其中：玻璃纤维和玄武岩纤维刚性大，易断裂，短纤维梳理性能差，不利于针刺等加工方式的进行；而其他纤维存在国内制备技术不成熟或价格偏高等问题。

聚丙烯腈(PAN)预氧化丝是由PAN原丝在空气氛围中经180～300 ℃稳定化处理后制得。在制备过程中，PAN原丝经氧化、脱氢及分子间环化等使原始的杂乱螺旋状大分子结构转化为平面状梯形稳定结构，具有不熔、不软化和耐高温等优点，其极限氧指数大于40%[8-9]。在高性能碳纤维的制备过程中有部分预氧化丝被废弃，由于其强力低和纤维缠结性能差等问题，主要被用作各种填充保温材料[10]。

本文以PAN预氧化丝为主体材料，混入一定质量分数的芳纶制备复合滤材，采用霍夫变换的图像分析法检测纤维直线段长度，评估纤维缠结程度，以此为基础分析芳纶纤维质量分数对复合滤材性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要材料与设备

材料：PAN预氧化丝(1.67 dtex，51 mm)，唯多维科技(天津)有限公司；间位芳纶(1.67 dtex，51 mm)，泰和新材料股份有限公司。

设备：TM-1000型扫描电子显微镜(SEM),日本日立有限公司；YG461H型全自动透气量仪，宁波纺织仪器有限公司；YG028型万能材料试验机，温州方圆仪器有限公司；TOPAS PSM-165型孔径测定仪，德国Bruker公司;LZC-K1型滤料综合性能测试平台，苏州华达实验仪器有限公司；预氧化丝针刺非织造材料生产线，唯多维科技(天津)有限公司。

1.2 滤材制备

在PAN预氧化丝中混入不同质量分数的芳纶，经针刺工艺制备复合滤材。混入芳纶质量分数分别为0、10%、20%、30%和40%，所制备的相应复合滤材分别记为PA-0、PA-10、PA-20、PA-30和PA- 40。

1.3 性能测试与表征

1.3.1形貌观察

样品经干燥和喷金处理后，使用扫描电子显微镜对PAN预氧化丝复合滤材的形貌进行观察。对获得的SEM图像进行基于霍夫变换的图像分析法处理，以获取纤维直线段长度指数，来表征纤维缠结程度。

1.3.2透气性测试

根据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，使用全自动透气量仪对滤材透气性进行测试。压差为200 Pa，每个样品测试5个试样，结果取平均值。

1.3.3拉伸性能测试

根据GB/T 24218.3—2010《纺织品 非织造布试验方法 第3部分：断裂强力和断裂伸长率的测定》，使用万能材料试验机对试样进行拉伸性能测试。试样尺寸为200 mm×50 mm，夹持距为100 mm，拉伸速度为100 mm/min，每个样品测试5个试样，结果取平均值。

1.3.4孔径测试

采用孔径测定仪测试复合滤材的孔径，测试面积为0.95 cm2。

1.3.5过滤性能测试

用滤料综合性能测试台对复合滤材过滤性能进行测试。测试面积为100 cm2，流量为32 L/min，主要考察了对粒径≥0.3 μm、≥0.5 μm、≥1.0 μm和≥2.5 μm微粒的过滤效率。过滤效率用上下游粒子数量差值与上游粒子数量的百分比表示。

2 结果与讨论

2.1 纤维缠结性能

图1示出PA-0、PA-20和PA-40复合滤材扫描电子显微镜图片。可知，复合滤材由杂乱排列相互交错的纤维组成，纤维间相互纠缠使滤材加固，同时形成的微孔结构有利于气流通过和拦截粉尘微粒。针刺非织造材料加固过程中，纤维随刺针由纤维网的上部向下迁移，刺针返回后，部分纤维段留在了厚度方向形成纤维束，纤维发生缠结，同时发生弯转、扭曲，致使纤维在纤维网平面上直线段长度减小，较小的纤维直线段长度意味着较高的纤维缠结程度[11-12]。本文通过基于霍夫变换(Hough transform)的图像分析法检测图像中的纤维直线段，利用Norm函数计算出由直线段两端点坐标构成向量的范数作为所检测到的纤维直线段长度指数，以此表征纤维缠结程度来分析芳纶含量对滤材性能的影响。图像分析具体过程如文献[13]所述。

图1 芳纶质量分数不同时复合滤材SEM照片(×100)Fig.1 SEM pictures of composite filter materials with different aramid fiber weight percentages(×100)

图2示出PA-0、PA-20和PA-40复合滤材纤维直线段长度分布图。可看出，PA-0、PA-20和PA-40复合滤材纤维在纤维直线段长度指数大于300的比例分别为33.96%、18.52%和7.87%。纤维直线段长度指数随着芳纶质量分数的增大而减小，即纤维缠结程度提高。这是因为PAN预氧化丝卷曲性能较差，纤维断裂强力低致使纤维缠结性能差，而芳纶强力相对较高且纤维缠结性能优良，随着芳纶质量分数增大，总体纤维间的摩擦力、抱合力提高，纤维间缠结程度提高，纤维网更加致密。

图2 芳纶质量分数不同时滤材纤维直线段长度指数分布Fig.2 Fiber straight segment length index distributions of composite filter with different aramid fiber weight percentages

目前文献中较常用的非织造材料纤维缠结程度表征方法是缠结系数法。缠结系数等于非织造材料纵向断裂强力和横向强力之和与其面密度的比值[14]。不同芳纶质量分数复合滤材纤维缠结系数如图3所示。可知，随着芳纶质量分数的增大，复合滤材纤维缠结系数明显提高，相对于PA-0，PA-40缠结系数由0.82(N·m2)/g提高到2.77(N·m2)/g。对比2种纤维缠结程度评价方法发现，其所获得结果具有很好的吻合性。

图3 芳纶质量分数不同时滤材纤维缠结系数Fig.3 Fiber entanglement factors of composite filter materials with different aramid fiber weight percentages

2.2 复合滤材透气性

透气性是影响纤维滤材过滤阻力性能的一个重要因素，由纤维滤材的紧密度和厚度等因素决定。表1示出不同芳纶质量分数复合滤材基本性能。可知，所制备滤材试样的厚度无明显差别，从而厚度对试样透气性的影响可忽略。相较于PA-0，PA-40的透气性下降40.37%，透气性变化较明显。相较于PAN预氧化丝，芳纶力学性能和卷曲性能优良，随着芳纶质量分数增加，复合滤材中纤维缠结程度提高，滤材更加致密而孔隙率减小，透气性降低。此外，相较于芳纶质量分数小于20%的样品，芳纶质量分数大于20%时所对应复合滤材的透气性随着芳纶纤维质量分数增加而下降的趋势更加明显，相较于PA-0，PA-20和PA-40的透气性分别下降了14.04%和27.21%，原因是芳纶含量较少时，纤维缠结性能提高有限。

表1 芳纶质量分数不同时复合滤材基本性能Tab.1 Basic properties of composite filter materials with different aramid fiber weight percentages

2.3 复合滤材拉伸性能

图4示出不同芳纶纤维质量分数复合滤材拉伸断裂强度和断裂伸长率。可知，复合滤材横向(CD)断裂强度大于其相应纵向(MD)断裂强度。而横向断裂伸长率却小于其相应纵向伸长率，造成这个现象的原因是复合滤材制备过程中采用交叉铺网的方式，结合梳理机梳理作用，纤维主体上沿横向分布，滤材受到外力作用时，载荷主要分布在纤维轴向上，横向纤维在较小变形下就能承受载荷且载荷较大，而纵向纤维在承受载荷前发生再取向，变形较大，承受载荷较小[15]。由图4(a)可知，复合滤材横向和纵向断裂强度随着芳纶质量分数的增大均有明显提高，相较于PA-0，PA-40的横向和纵向断裂强度分别提高了3.08倍和1.97倍。这是因为芳纶质量分数增加，不仅纤维缠结程度有所提高，而且高强力纤维比例增大，滤材强度提高。由图4(b)可知，复合滤材的横向和纵向断裂伸长率随着芳纶质量分数的增大都有所增加，相较于PA-0，PA-20的横向和纵向断裂伸长率分别提高了8.93%和8.69%。芳纶质量分数大于30%后，复合滤材横向和纵向断裂伸长率提高不再明显，与PA-20相比，PA-40的横向和纵向断裂伸长率仅分别增加了1.83%和2.83%。这是因为随着芳纶质量分数增大，纤维缠结性能提升，滤材的断裂伸长率提高，然而到一定程度后，该影响力减弱，断裂伸长率趋于稳定。

图4 芳纶质量分数不同时复合滤材断裂强度和断裂伸长率Fig.4 Breaking strength (a) and breaking elongation (b)of composite filter materials with different aramid fiber weight percentages

2.4 复合滤材孔径

较小的孔径尺寸有利于对微粒的拦截，提高滤材的过滤效率。芳纶质量分数不同时复合滤材孔径尺寸如表2所示。可知，复合滤材最小孔径、最大孔径和平均孔径随着芳纶质量分数增大而减小。芳纶质量分数小于20%时，复合滤材平均孔径随着芳纶质量分数的增大明显减小，相较于PA-0，PA-20的平均孔径减小了28.37%，而芳纶质量分数大于20%后，复合滤材平均孔径减小不再明显，相较于PA-20，PA-40的平均孔径仅仅减小了6.04%。混入芳纶有利于提高纤维缠结程度，增强复合滤材致密性，使孔径减小；然而，复合滤材致密性随纤维缠结程度提高而达到一定程度后，受纤维直径等因素的影响，其对孔径的影响减小，孔径变化不再明显。

表2 芳纶含量不同时复合滤材孔径Tab.2 Pore size of composite filter materials with different aramid fiber weight percentages μm

2.5 复合滤材过滤性能

图5示出复合滤材的过滤效率和阻力随芳纶质量分数增加的变化趋势。由图5(a)可知：对于同种粒径微粒，复合滤材过滤效率随着芳纶质量分数增大而提高；然而，芳纶质量分数低于10%时，过滤效率提高不明显，对于粒径≥1.0 μm的微粒，PA-10的过滤效率较PA-0提高了4.90%，而PA-30的过滤效率较PA-20提高了14.51%。这是因为随着芳纶质量分数增大，复合滤材纤维缠结程度增加，纤维网更加致密，孔径减小，有利于提高微粒被纤维捕获的概率，过滤效率提高；而芳纶含量较少时，复合滤材致密性因纤维缠结程度提高有限，过滤效率提高也有限；此外，复合滤材对不同粒径微粒过滤效率不同，对于粒径≥0.3 μm和≥0.5 μm的微粒过滤效率相对较低，对于粒径≥1.0 μm和≥2.5 μm的微粒过滤效率相对较高。滤材致密的结构和较小的孔径有助于提高纤维对微粒的拦截作用，尤其是对较大粒径微粒的拦截，从而对大粒径微粒的过滤效率较高。4类粒径过滤效率由一次试验获得，仅对应一个过滤阻力值，如图5(b)所示。可知，随着芳纶质量分数的增大，复合滤材过滤阻力逐渐增大，这是因为混入芳纶有利于纤维缠结，滤材致密，透气性降低。但总体来说复合滤材过滤阻力小于40 Pa，为后续复合滤材涂层整理获得低阻高效滤材奠定了基础。

图5 复合滤材不同粒径微粒过滤效率及过滤阻力Fig.5 Filter efficiency (a) and filter resistance (b) for different particle sizes of composite filter materials with different aramid fiber weight percentages

3 结 论

以碳纤维制备过程中废弃的中间产物腈纶预氧化丝为主要原料，通过混入不同质量分数的芳纶制备复合滤材。使用基于霍夫变换的图像分析法获取纤维直线段长度指数，以此表征纤维缠结程度，且所获得的结果与文献报道的缠结系数表征法具有很好的吻合性。以纤维缠结程度为出发点，结合相关测试分析了芳纶质量分数对复合滤材拉伸性能、透气性、孔径尺寸和过滤性能的影响，得出以下结论。

1)添加芳纶后，复合滤材纤维间缠结程度增加，断裂强力和断裂伸长率随着芳纶质量分数增大而提高，芳纶质量分数大于20%时，其断裂伸长率趋于稳定。

2)随着芳纶质量分数增大，复合滤材透气性和平均孔径减小，尤其是芳纶纤维分数大于20%时，透气性减小趋势比较明显，而平均孔径减小趋势减弱，趋于稳定。

3)复合滤材不同粒径微粒过滤效率不同。对于粒径≥1.0 μm和≥2.5 μm的微粒，芳纶质量分数小于10%时，滤材过滤效率变化不明显，随后其过滤效率随着芳质量分数增大显著提高。

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