空气滤材透气性与纤维纤度相关性的探讨

邱长利

（上海缔荣纺织品有限公司，上海 200000）

关键字 空气过滤材料；透气率；纤维直径；孔隙率

针刺过滤材料，主要使用的纤维包括涤纶、丙纶、亚克力纤维、PPS、P84、PTFE等，常温状态下空气滤料多采用涤纶及丙纶化纤。材料的过滤能力通常受到多种因素的影响，并且空气过滤的过程（滤阻、压差等指标）并非恒定不变的，会随着过滤进程在材料表面形成滤饼造成过滤指标的变化。然而，对一款普通空气过滤材料而言，设计时可以通过在理想状态下，简化产品的过滤指标与材料的孔隙率，进而有针对性地选择纤维来达到设计指标。以涤纶为例，一方面，可以根据现有的实际状态找出过滤效率与纤维直径的关系，另一方面，可以根据理论设定指导实际生产，从而验证关系式的正确性[1]。

1 涤纶滤料的纤维直径与过滤效率

影响过滤材料过滤性能的宏观因素包括：滤料表面积、滤料厚度、纤维尺寸及排列、滤料孔隙率和比表面积、带电量和介电常数、化学成分。随着使用时间的延长，滤料本身会产生表面过滤，过滤精度提高，滤阻增加，透气性能下降。具体到某款过滤材料，由于产品完全由纤维构成，在不考虑纤维化学性能、电性能等前提下，以相同设定工艺的理想状态下，可以理论推断产品的过滤性能仅与纤维的尺寸和孔隙率相关，由此进行理论计算，可以在确定的透气范围内推论适当的纤维配比。

滤料的空隙尺寸可以用水力半径描述平均空隙直径来表示，通过纤维直径、表面积等可以得出平均孔隙直径。

1.1 纤维尺寸

在不考虑中空异形截面时，假定使用的纤维截面为圆型，在已知纤维规格的前提下可以推算纤维的直径：

其中：dtex—纤维规格分特，10 000m长的纤维重1g，1dtex；R—纤维直径，mm；ρ—纤维密度，g/cm3。

1.2 平均孔隙直径

采用水力半径的概念，平均孔隙直径定义为[2]：

其中： λ—平均孔隙直径，mm；Vp—空隙体积，即滤料体积减去纤维理论体积，mm3；S—过滤纤维总表面积，mm2。

其中S可根据以下公式计算：

L—纤维的总长度； M—单位产品的重量。

1.3 产品数据对比

根据以上公式分析产品数据对比理论目标及实际测量得到数据如表1。涤纶密度为1.38g/cm3。

表1 现有涤纶滤料透气性能与纤维指标

其中,平均分特数值根据不同纤维所占比例计算所得。

1.4 涤纶滤料实测透气性能与平均空隙直径相关性分析及回归方程

借助计算机SPSS软件，根据涤纶滤料透气性能与纤维指标相关性分析:针对平均孔隙直径(mm)与实测透气结果相关性分析表明，平均孔隙直径(mm) 和实测透气率结果的 Pearson 相关系数 为0.974，P 值 = 0。

结论：由于P≤0.05，可以判断平均孔隙直径与透气结果线性相关 。

根据涤纶滤料透气性能与纤维指标相关性分析:针对孔隙率与实测透气结果相关性分析表明，孔隙率和实测透气率结果的 Pearson 相关系数 为 0.788，P值 = 0。

结论：由于P≤0.05，可以判断孔隙率与透气结果线性相关。

对涤纶滤料实测透气结果与平均孔隙直径(mm)回归分析: 回归方程为：

方差分析见表2，拟合结果见图1。

表2 方差分析数据

图1 拟合线：实测结果与平均孔隙直径

根据以上分析平均空隙直径（孔隙率）与产品的透气性能相关，可以用线性直线描述，由此可以做进一步回归分析，得到回归方程，进而得到纤维直径与透气性能间的关系函数。

1.5 涤纶滤料实测透气性能与孔隙率的回归分析及回归方程

利用计算机SPSS软件，根据涤纶滤料透气性能与纤维指标得出如下回归方程：

实验数据见表3、表4。

表3

表4 方差分析

观测值孔隙率实测结果拟合值标准误残差，见图2。

图2 拟合线：实测透气结果与孔隙率

从以上分析可以看出，平均空隙直径与透气的相关性曲线比孔隙率的相关曲线更为精确，这是因为平均孔隙直径结合了纤维的直径及表面积的综合影响考虑。现有的纤维配比数据与预期的目标值差异较大，特别是，PE-10及PE-50产品的目标设定与产品的实际测量数据差异较大，需要调整纤维的纤度配比，以上数据的分析是基于产品的透气值在实验室的测试结果[3]。

2 利用SPSS软件得出回归方程反向确定纤维配比

利用SPSS软件得出透气结果与平均空隙直径的回归方程如下：

所以，可以得到平均孔隙直径公式：

进而的得到纤维直径与透气率的公式如下：

根据上式将标准透气中值代入透气率结果，由此推论最佳纤维纤度及预测配比，如表5。

表5 根据透气率指标反向推断纤维直径列表

3 结论

通过从生产实际中汇总出大量的产品透气与纤维状态的数据，可以从中找出纤维状态与产品指标值之间的相关性，进一步通过SPSS软件分析，推断数学关系可以反过来指导产品设计。通过上述实践过程可以得出以下结论：

在现有生产工艺条件下，产品的透气性在理想状态下由纤维的纤度尺寸决定。纤维的纤度和厚度可以通过平均空隙直径、孔隙率描述，平均孔隙直径和孔隙率与产品透气性能都表现出相关性，但平均孔隙直径更符合曲线描述。从实验调整纤维配比后对所加工的滤料实测数据跟踪表明，产品透气数据改善明显，与设计的方向一致。部分纤维由于受中空截面的影响，特别是PE-100的产品纤维为中空结构，表面积大于理论计算，可能与实际结果有偏差。

实际生产过程中，对于产品品质的控制往往受多种因素的影响，不同的影响指标其影响比例不尽相同。在生产实践中，如果能够使用好数据分析工具，可以帮助我们从繁杂的数据中找出关键因素，有助于生产调整。通过上述实例的分析希望帮助企业在实际生产中做好数据整理和分析利用，用来解决实际生产中的问题。