芳纶水刺滤料的制备及性能研究*

1.南京际华三五二一特种装备有限公司，江苏 南京 210000；2.南京际华三五二一环保科技有限公司，江苏 南京 211161

随着经济的发展，环境污染越来越严重。尤其是工业生产排放的可入肺颗粒物PM2.5，由于其粒径小、运动性强且携带重金属等有害物质，会严重危害人体的健康，现已引起社会的密切关注。因此，如何更有效地治理大气污染、减少颗粒物PM2.5的排放，对保护环境、保障人们的身体健康，具有重要的意义[1-2]。当前，国际公认的、高效的除尘和控制粉尘排放的技术主要是袋式除尘技术，而滤料则是这一技术的关键和核心，滤料性能的优劣决定了袋式除尘器的使用效果。

目前，在袋式除尘领域，国内外普遍采用的是针刺耐高温滤料。但近年来随着环保要求的逐渐提高，针刺滤料由于纤网加固以刺针工艺为主，刺针本身的直径及其加工原理会导致滤料产品存在孔径较大、过滤精度偏低等缺点，不能满足现今的排放标准[3-5]。而水刺加工技术则是利用高压水射流对纤网进行加固的，其可避免针刺加工中带钩的刺针对基布及纤维造成损伤等问题，所得水刺产品强力更高、孔径更小、过滤效率更佳，且阻力低，除尘设备运行能耗低，节能减排效果显著，故可以更好地满足粉尘的超净排放要求。因此，随着对滤料性能要求的不断提高，水刺工艺必将在工业除尘滤料行业得到更加广泛的应用[6-7]。

本文以间位芳纶(以下简称“芳纶”)为原料，通过先预针刺再水刺的加固工艺，制备了一种高强度、低损伤、高过滤精度的芳纶水刺滤料，考察预针刺工艺、水刺工艺对芳纶水刺滤料性能的影响，以期为今后的研究提供理论基础和指导[8]。

1 试验材料、设备与方法

1.1 试验材料

芳纶基布：纤维线密度为2 dtex、长度为51 mm，基布面密度为130 g/m2。

1.2 试验设备

WM2+2型双梳双铺生产线(包括梳理机、铺网机、牵伸机和预针刺机，欧瑞康集团)，AquaJet水刺生产线(特吕茨勒纺织机械公司)，布鲁克纳热定型设备(布鲁克纳纺织机械技术有限公司)；AFC-131型滤料测试台(Topas公司)，YG026H型多功能电子织物强力机(温州际高检测仪器有限公司)，YG(B)461E型全自动织物透气性能测试仪(温州大荣纺织仪器有限公司)。

1.3 试验方法

参照GB/T 3923.1—2003《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)》标准测定滤料的断裂强力；参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》标准测定滤料的透气量；参照GB/T 6719—2009《袋式除尘器技术要求》标准测试滤料的过滤效率。

2 预针刺深度对芳纶水刺滤料性能的影响

通常，预针刺机的植针密度在3 000～5 000枚/m。预针刺密度偏小则预针刺毡过于蓬松，牵伸过程中会因强力不足而导致意外伸长，影响后道水刺工艺。因此，本文基于多次的试验结果，确定选择最佳的预针刺密度为80～100 刺/cm2，这样一道预针刺工艺就能满足水刺前预针刺毡强力的指标要求。由于预针刺密度变化范围较小，因此，本节将不做过多的研究，主要探讨预针刺深度对芳纶水刺滤料性能的影响。

表1反映了不同的预针刺深度对最终芳纶水刺滤料性能的影响，其中预针刺后的水刺工艺参数：5个水刺头的压力分别为30、38、26、38、26 MPa，水刺速度为6 m/min。

表1 预针刺深度对芳纶水刺滤料性能的影响

表1中，在相同面密度的情况下：当预针刺深度从4 mm增加到8 mm时，芳纶水刺滤料的经向断裂强力从983 N增加到1 338 N、纬向断裂强力从1 506 N增加到1 670 N；当预针刺深度从8 mm增加到12 mm时，芳纶水刺滤料的经向断裂强力从1 338 N降低到970 N、纬向断裂强力从1 670 N降低到1 612 N。可见：随着预针刺深度的增加，芳纶水刺滤料的经纬向断裂强力呈现先增后降的趋势。这主要是由于预针刺深度的增加使得芳纶纤维之间的抱合增强，芳纶水刺滤料的紧密度提高，因此经纬向断裂强力增大，但是，预针刺深度过大时，部分移动困难的芳纶会在钩刺的作用下发生断裂，导致芳纶水刺滤料的经纬向断裂强力下降[9-11]。

此外，从表1中还可以看出，预针刺深度对芳纶水刺滤料的透气量、过滤效率的影响较小，这主要与水刺工艺对芳纶水刺滤料的影响远超过预针刺工艺对芳纶水刺滤料的影响有关。

3 水刺工艺对芳纶水刺滤料性能的影响

为研究水刺工艺对芳纶水刺滤料性能的影响，下文选择对经过预针刺处理(预针刺深度为8 mm，预针刺密度为80 刺/cm2)的材料进行水刺加工。

3.1 水刺压力

图1为水刺机的工作原理示意。整个水刺机生产线上分布了①～⑤共5个水刺头。其中，水刺头②和④，③和⑤分别互为联动系统。水刺速度为6 m/min，并确定水刺头①的压力可选28和30 MPa，水刺头

②和④的压力可选30、34、38 MPa，水刺头③和⑤的压力可选24和26 MPa，具体配置见表2，所得10块芳纶水刺滤料的性能见表3。

图1 水刺机工作原理示意

芳纶水刺滤料编号水刺头压力/MPa①②③④⑤1#28302430242#28342434243#28302630264#28342634265#28382638266#30302430247#30342434248#30302630269#303426342610#3038263826

表3 10块芳纶水刺滤料的性能

表3中，在经纬向断裂强力方面：

(1) 观察2#和7#芳纶水刺滤料的水刺工艺配置发现，水刺头②、③、④、⑤的压力配置相同，水刺头①压力有变化。所得2#芳纶水刺滤料的经向断裂强力为1 100 N、纬向断裂强力为1 502 N，7#芳纶水刺滤料的经向断裂强力为1 150 N、纬向断裂强力为1 519 N，可见水刺头①压力越大，则所得芳纶水刺滤料的经纬向断裂强力越大。1#和6#，3#和8#，4#和9#，5#和10#芳纶水刺滤料也呈现同样的规律。

(2) 观察3#、4#和5#芳纶水刺滤料的水刺工艺配置发现，水刺头①、③、⑤的压力配置相同，水刺头②、④的压力有变化。所得3#芳纶水刺滤料的经向断裂强力为972 N、纬向断裂强力为1 460 N，4#芳纶水刺滤料的经向断裂强力为1 150 N、纬向断裂强力为1 527 N，5#芳纶水刺滤料的经向断裂强力为1 212 N、纬向断裂强力为1 639 N，可见水刺头②、④的压力越大，所得芳纶水刺滤料的经纬向断裂强力越大。8#、9#、10#芳纶水刺滤料也呈现同样的规律。

(3) 观察1#和3#芳纶水刺滤料的水刺工艺配置发现，水刺头①、②、④的压力配置相同，水刺头③、⑤的压力有变化。所得1#芳纶水刺滤料的经向断裂强力为950 N、纬向断裂强力为1 400 N，3#芳纶水刺滤料的经向断裂强力为972 N、纬向断裂强力为1 460 N，可见水刺头③、⑤压力越大，则所得芳纶水刺滤料的经纬向断裂强力越大。2#和4#，6#和8#，7#和9#芳纶水刺滤料也呈现同样的规律。

此外，在透气量及过滤效率方面，增加水针压力，则水刺能量提高，芳纶纤维之间的缠结度增强，芳纶水刺滤料的透气量降低、过滤效率提高[12]。且压力最高的水针对芳纶水刺滤料断裂强力的影响最大，因为在高压已将芳纶水刺滤料加固紧密后，较低压力的水针在穿透材料后剩余能量不足，无法形成缠结效果，但却可以很好地将芳纶水刺滤料表面修复平整[13-15]。

因此，最佳水刺压力组合产品为10#芳纶水刺滤料，即水刺头①、②、③、④、⑤的压力分别为30、38、26、38、26 MPa。

3.2 水刺速度

为研究不同水刺速度对芳纶水刺滤料性能的影响，各水刺头压力配置同3#芳纶水刺滤料，所得各项性能见表4。

表4 水刺速度对滤料性能的影响

从表4可以看出：采用3 m/min的水刺速度，芳纶水刺滤料的经向断裂强力为1 243 N、纬向断裂强力为1 734 N；当水刺速度提高到9 m/min时，芳纶水刺滤料经向断裂强力下降为1 123 N、纬向断裂强力下降为1 568 N。这表明降低水刺速度可提高芳纶水刺滤料的经纬向断裂强力。这是由于水刺速度较低时，纤网受到的水针总喷射能量增加，芳纶纤维之间缠结更紧密，从而使得芳纶水刺滤料的断裂强力上升。同时，降低水刺速度，芳纶纤维之间的缠结度增强，芳纶水刺滤料的透气量降低、过滤效率提高。

但考虑到实际生产的综合成本，生产效率的降低会导致能耗增加，生产成本增加，产量減少[16]。因此，确定选取最佳水刺速度为5 m/min，这既能满足芳纶水刺滤料产品的性能要求，又不会影响生产效率。

4 结论

(1) 随着预针刺深度的增加，芳纶水刺滤料的经纬向断裂强力均呈现先增后降的趋势，但透气量及过滤效率的变化较小。

(2) 水刺压力越高，芳纶水刺滤料的经纬向断裂强力和过滤效率越高，但透气量有所降低。

(3) 降低水刺速度可以增加芳纶水刺滤料的经纬向断裂强力，但考虑到实际生产的综合成本，确定选取最佳水刺速度为5 m/min，这既能满足芳纶水刺滤料产品的性能要求，又不会影响生产效率。