PET纤维截面形状对液体过滤材料过滤性能的影响

李兰振 徐桂龙 曾靖山 梁云

摘要： 对3种不同截面形状（圆形、三叶形和丰字形）的PET纤维进行了形貌分析及水中分散性能研究，通过将其与阔叶木闪急浆混抄制备过滤材料，探究了PET纤维截面形状对过滤材料液体过滤性能的影响。结果表明，PET纤维含量相同时，相比于含圆形PET纤维的过滤材料，含三叶形和丰字形PET纤维的过滤材料在过滤效率、流阻、纳污容量等过滤性能方面都有不同程度的改善。三叶形纤维更有利于提高过滤材料的过滤效率，而丰字形纤维更有利于提高过滤滤材的纳污容量、降低滤材的过滤阻力。当PET纤维含量为40%时，相比于含圆形PET纤维的滤材，含三叶形和丰字形PET纤维过滤材料的纳污容量分别增加了32.1%、26.5%;对粒径14 μm颗粒的过滤效率分别提高了13.1%、6.1%。液体流量在4 L/min时，流阻分别降低了26.6 %、28.5%。

关键词：PET纤维;纤维截面形状;过滤材料;液体过滤性能

中图分类号：TS722  文献标识码：A  DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.11.004

Abstract： The morphology analysis and dispersion properties in water of three kinds of PET （polyester） fibers with different cross sectional shapes （circular， trilobal and feng-shape） were studied. The effect of PET fibers cross sectional shape on the filtration performance of liquid filter media was investigated by preparing the filter media via mixing the PET fiber with hardwood flash dried pulp. The results showed that when the PET fiber content was the same， compared with the filter media containing circular PET fiber， the filter media with trilobal or feng-shaped PET fiber had relatively better filtration performance， including filtration efficiency， flow resistance and pollutant adsorbing capacity. The trilobal fiber was more conducive to improve the filtration efficiency of filter media， while the feng-shaped fiber was more beneficial to increase the pollutant adsorbing and reduce the filtration resistance of filter media. Furthermore， the pollutant adsorbing of filter media containing 40% trilobal-shaped and feng-shaped PET fibers were respectively increased by 32.1% and 26.5%， compared with that containing the same amount of round PET fibers. Simultaneously， the filtration efficiency for 14 μm particle increased by 13.1% and 6.1%， respectively. When the flow rate was 4 L/min， the flow resistance decreased by 26.6% and 28.5%， respectively.

Key words： PET fiber ; fiber cross sectional shape; filter material; liquid filtration performance

液体过滤已经渗透到了工业、农业、国防、科研等各方面，从航空工业的液压系统过滤、航空煤油过滤到食品饮料工业的矿泉水、酒类、果汁过滤;从医药卫生工业的药液、血液过滤到石油工业的油田注水过滤;从化学工业的有机溶剂过滤到电子工业的高纯水预过滤等，其重要作用显而易见。液体过滤材料的开发也一直是人们致力解决的问题[1]。纤维作为过滤材料的主要组成部分，其特性对过滤材料的结构和性能有着至关重要的影响[2-3]。

近50年来，国内外学者对纤维过滤材料的性能进行了大量的研究，随着技术的发展，合成纤维形态的多样化及性能的提升，使其在过滤领域得到广泛应用，尤其是非圆形截面的纤维受到了愈来愈多的关注[4-5]。早在1998年，美国Reemay公司开发出5种新型过滤纤维制品，其中在Reemay纺黏法聚酯和Tekton纺黏法聚丙烯过滤材料中就使用了纤度不同的褶皱圆形纤维和三叶形纤维，该过滤材料具有较优的容纳污垢能力和很低的压降，可用于空气过滤或液体过滤[6]。三叶形截面的P84尼龙纤维被用在抗热针刺毡过滤袋中，具有增加过滤表面积的作用[7]。Sánchez等人[8]在研究三叶形PET纤维、圆形PI纤维对过滤器捕灰性能的影响时发现，当气溶胶流速为0.1 m/s时，含三叶形纤维的滤清器对颗粒尺寸小于1.1 μm的捕集效率高于圆形纤维。仲昭琳[9]将4种截面形状的纤维添加到过滤材料中发现，纤维的截面形状影响过滤材料的物理性能，同时也发现含不同纤维的过滤材料在液体过滤性能上也表现出一定的差异。Huang 等人[10]采用LB-CA模型模拟了几种典型的非圆形截面纤维过滤颗粒的过程，结果表明，非圆形纤维过滤过程中的压降取决于纤维的取向角和长宽比，扩散捕集效率几乎与取向角无关，但与纤维的长宽比成比例。Wang等人[11]通过Zhukovsky转换对弧形纤维的流场进行了探讨;Fotovati等人[12]对不同尺寸和縱横比的三叶形纤维对压力损失和捕集效率的影响进行了探究。以上研究均表明纤维截面形状可以影响颗粒在空气过滤中的捕集效率和过滤效果，但对于纤维截面形状和含量对液体过滤性能的影响研究甚少。

本实验选取圆形、三叶形和丰字形PET纤维与阔叶木闪急浆配抄，制备液体过滤材料，对PET纤维形态和分散性能进行研究。通过多通试验台对过滤材料的流阻、过滤效率、纳污容量进行检测，分析了3种截面形状的PET纤维对液体过滤性能的影响，为研究长寿命、高精度的液体过滤材料提供依据。

1 实 验

1.1 实验原料

圆形PET纤维：长度5 mm，纤度2.2 D，帝人株式会社;三叶形PET纤维：长度5 mm，纤度2.2 D，帝人株式会社;丰字形PET纤维：长度38～41 mm，纤度6 D，4 DG Fiber Innovation Technology， Inc;阔叶木闪急浆：进口桉木硫酸盐闪急干燥浆（以下简称阔闪浆）;十六烷基三甲基溴化铵（阳离子表面活性剂）：型号 K12，广州榕晟化工有限公司;酚醛树脂：自制;试验油液：YH-10航空液压油;试验粉尘：ISO 12103-1 A3中级（简称A3灰）。

1.2 实验设备

哈氏切片器：上海实验仪器厂有限公司;扫描电子显微镜：型号G2Pro Y，荷兰Phenom-World公司;索尼相机：型号ILCE-5000，上海索广电子有限公司;纤维分散观测器：自制;标准纤维疏解机：型号No.2530，日本KRK公司;KRK自动抄片器：型号No.2542-A，日本KRK公司;平板干燥器：型号Emerson 140，美国Emerson公司;多通试验台：九江七所精密机电科技有限公司;红外快速干燥箱：型号WS 70-1，上海沪越实验仪器有限公司;精密电子天平：型号JA 2003，上海舜宇恒平科学仪器有限公司;超声波清洗器：型号KQ 2200E，昆山市超声仪器有限公司;抽滤装置：型号YH-23，青岛仪航实验设备有限公司。

1.3 过滤材料制备

1.3.1 纤维原料的处理

丰字形纤维来源于服装行业，纤维长度约38～41 mm，无法直接用来抄造，通过人工剪切至5 mm，备用;形貌如图1和图2所示。

1.3.2 液体过滤材料的制备

圆形、三叶形和丰字形PET纤维分别按20%、30%、40%的含量与阔闪浆配抄9种液体过滤材料。为提高过滤材料的强度以满足液体过滤测试，实验前对9种过滤材料进行浸胶处理。

1.4 表征及检测

1.4.1 纤维截面形貌的观察

为了更清晰、更方便地观察纤维的截面形貌，采用哈氏切片器进行制样，使用扫描电子显微镜观察3种纤维的截面形态，采用Nano Measure软件对纤维截面尺寸进行测量。

1.4.2 纤维在水中的分散性能

现阶段对纤维分散性的表征手段主要有两种：理论分析和观测拍照。理论分析主要是通过对比纤维、分散介质的相关性能与纤维分散性的关系，从而得出影响纤维分散性的因素与作用机理，Song等人[13]研究了分散介质与纤维的润湿性能对纤维分散性的关系，得出了分散介质的性能对纤维分散性的影响。Kerekes等人[14]引入“拥挤因子（N）”来表征纤维的长度和纤维在分散介质中的浓度对纤维分散性的影响，结果表明拥挤因子可以有效地反映纤维之间的接触状态以及发生絮聚的趋势，纤维间发生絮聚的趋势是影响纸张良好成形的一个非常重要的因素。纤维分散性观测结果是纤维分散性理论研究的基础，所以准确观测纤维在分散介质中的分散状态十分重要。

本实验通过拍摄纤维在水中分散状态的照片来分析对比3种PET纤维分散性能的优劣。将疏解好的0.01 g的纤维原料倒入纤维分散观察器，用玻璃棒搅拌后观察纤维的分散情况。对于絮聚的纤维，首先利用超纯水将阳离子表面活性剂稀释至 0.1%（質量分数），然后利用微量进样器以0.1 mL的梯度将表面活性剂依次添加至PET纤维溶液（1000 mL）中，并利用纤维分散仪观察纤维分散性，用相机对纤维形态拍照，当PET纤维分散状态不再改变时，停止添加表面活性剂，对比表面活性剂对纤维分散性能的影响。

1.4.3 过滤性能检测

采用多通试验台，按照ISO 16889标准，测试9种过滤材料的流阻、过滤效率和纳污容量。

2 结果与讨论

2.1 PET纤维形态分析

图3 为PET纤维截面的SEM图。从图3中可以看出，圆形PET纤维的截面是非常规整的圆形;三叶形PET纤维有3个相同的叶片，形成3个凹槽，连接叶片的顶端近似构成等边三角形;丰字形PET纤维具有8个叶片，呈对称分布，具有8个明显的凹槽结构，像“丰”字。

采用Nano Measure软件对纤维的截面尺寸多次测量，对测试结果取平均值。圆形纤维直径约为15 μm，三叶形截面长度约为18 μm，丰字形纤维的叶片长度约3～8 μm，宽度约2～5 μm，截面的长度约40 μm。

纤维在水中均匀分散，实现纤维之间的良好交织，是优良纸张湿法成形的关键[15]。图4为3种PET纤维的分散效果图。由图4（a）和图4（b）可以看出，圆形PET纤维和三叶形PET纤维在水中均匀地分布，无明显的絮聚现象，从图4（c1）可以看出，丰字形PET纤维在水中分散稳定后呈现出明显的絮聚现象，而从图4（c2）可以看出，加入表面活性剂后，丰字形PET纤维絮聚团显著减小，纤维均匀分散性提高。这主要是因为丰字形PET纤维截面长度较长，有伸出的叶片，且与圆形PET纤维相比，丰字形PET纤维刚性较小，比较柔软，导致纤维之间容易缠绕絮聚。由于PET纤维表面有油剂，当加入阳离子表面活性剂后，由于表面活性物质的两亲结构（一端亲水、一端疏水），使其吸附在纤维的表面上，纤维表面性质发生改变，从而使得纤维表现出亲水性，在水中均匀分散开。

2.3 PET纤维截面形状对流阻的影响

图5为纤维截面形状和含量对过滤材料过滤性能的影响。从图5可以看出，随着流量增加，过滤材料流阻不断增加。这是由于随着流量增加，液体穿过纤维层的流速加快，流体能量损失增加;另一方面，流速大的流体穿过纤维层时更容易形成涡流，从而使流体能量损失增加，表现为流阻增大。

相同流量下从截面形状上看，含圆形PET纤维过滤材料的流阻明显高于含三叶形和丰字形PET纤维的过滤材料。这是因为与圆形PET纤维相比，三叶形和丰字形PET纤维的结构具有明显的不规整性，且三叶形和丰字形PET纤维的截面尺寸大于圆形PET纤维，从而纤维之间交织形成的孔隙较大，当流体穿过孔隙较大的纤维层时受到的阻力较小，因此相同流量下含三叶形和丰字形PET纤维过滤材料的流阻低于含圆形PET纤维的过滤材料。

相同流量下，当PET纤维含量从20%增加到40%时，过滤材料的流阻均逐渐减小，含三叶形和丰字形PET纤维过滤材料流阻的减小量大于含圆形PET纤维的过滤材料。当液体流量为4 L/min，PET纤维含量为40%时，相比于圆形PET纤维，含三叶形和丰字形的PET纤维过滤材料流阻分别降低了26.6%和28.5%。这是由于当PET纤维含量增加时，过滤材料结构更疏松，纤维间孔隙增大，流体穿过纤维层所受的阻力减小，宏观表现为流阻降低。三叶形和丰字形PET纤维对过滤材料的结构影响更大，纤维间交织形成的孔隙较大，流体穿过纤维层所受的阻力减小，从而流阻降低的程度大于含圆形PET纤维的过滤材料。

2.4 PET纤维截面形状对过滤效率的影响

过滤效率指的是过滤材料对不同尺寸颗粒污染物的滤除能力，过滤效率高的过滤材料才能更有效地滤除污染物。表1为过滤材料分别对4 μm、6 μm和14 μm 3种尺寸颗粒的过滤效率。

从表1可以看出，同一形状的PET纤维，当PET纤维含量从20%增加到40%时，过滤材料的过滤效率逐步降低，这是因为随着PET纤维含量的增加，过滤材料的松厚度增加，孔径增大，颗粒从纤维层通过时，更多的颗粒物穿过过滤材料，从而过滤材料的过滤效率降低。

当PET纤维含量相同时，含三叶形PET纤维的过滤材料对尺寸为4 μm、6 μm以及14 μm的颗粒的过滤效率均高于含圆形PET纤维的过滤材料，丰字形PET纤维过滤材料对尺寸为14 μm颗粒的过滤效率高于含圆形PET纤维过滤材料，特别是当PET纤维含量为40%时，对尺寸为14 μm的颗粒，3种过滤材料过滤效率的差别更为显著，含三叶形以及丰字形PET纤维过滤材料的过滤效率分别比含圆形纤维过滤材料高了13.1%和6.1%。尽管与含圆形PET纤维的过滤材料相比，含三叶形和丰字形PET纤维过滤材料的孔隙较大，颗粒较容易从纤维层穿过，过滤过程中机械筛滤作用较弱，特别是丰字形PET纤维，纤维截面尺寸较大，从而纤维间搭接形成的孔隙较大，所以颗粒物更容易穿過纤维间的孔隙，使过滤效率降低。然而由于三叶形和丰字形PET纤维表面明显的凹槽结构增加了过滤材料Z向结构的复杂程度[16-17]，颗粒穿过纤维层时，颗粒和纤维碰撞的概率大大增加，从而使过滤材料的过滤效率增加。此外，当流体流经三叶形和丰字形PET纤维时，纤维表面明显的凸起和凹槽结构使得流体很容易形成涡流，从而颗粒的动能大大损失，颗粒物更容易被纤维捕集，而尺寸越大的颗粒物质量越大，颗粒从凹槽内逃脱需要的动量就会越大，所以尺寸较大的颗粒从纤维凹槽内逃脱的概率较低，导致含三叶形和丰字形PET纤维过滤材料的过滤效率高于含圆形PET纤维过滤材料。

2.5 PET纤维截面形状对纳污容量的影响

纳污容量是过滤材料持续加污染物到一定阻力时，单位面积上所容纳污染物的质量。纳污容量反映了过滤材料的使用寿命，提高纳污容量也是降低成本的重要途径之一。实验中过滤材料的终止阻力为100 kPa，图6为PET纤维截面形状和含量对过滤材料纳污容量的影响。

从图6中可以看出，PET纤维含量相同时，含三叶形和丰字形PET纤维过滤材料的纳污容量大于含圆形PET纤维过滤材料，当纤维含量从20%增加到40%时，含圆形、三叶形、丰字形PET纤维过滤材料的纳污容量分别增加了21.8%、32.1%、26.5%，可见，三叶形和丰字形PET纤维对过滤材料纳污容量的影响更大。这是由于当PET纤维含量从20%增加到40%时，与含圆形PET纤维过滤材料相比，含三叶形和丰字形PET纤维过滤材料的结构更疏松，颗粒物更容易进入过滤材料内部，纳污容量增加。另一方面，当流体穿过纤维层时，三叶形和丰字形PET纤维表面明显的凸起和凹槽结构大大增加了形成涡流的概率，颗粒物能量损失较大，更容易被纤维拦截，部分颗粒物会被滞留在纤维凹槽内，被滞留在凹槽内的颗粒并不会阻塞纤维间的孔隙，对过滤材料阻力影响较小，从而在一定阻力下，过滤材料的纳污容量较大。

用石油醚对过滤材料进行清洗处理后，用SEM观察了污染物在过滤材料中的分布情况。图7为PET纤维含量为40%的过滤材料表面的SEM图;图8为经石油醚抽滤后PET纤维含量为40%的过滤材料截面的SEM图。

从图7（b）和图7（c）可以看出，部分污染物被滞留在PET纤维凹槽内，特别是图7（c）中丰字形PET纤维凹槽内沉积了较多的污染物颗粒，可见，纤维表面深的凹槽结构可容纳污染物，沉积在凹槽内的污染物不会堵塞纤维之间的孔隙，所以在不增加阻力的情况下纳污容量得到提高。

从图8（a）可以看出，污染物在过滤材料Z向分布并不均匀，上层纤维（入流面）污染物分布较多，从图8（b）和图8（c）可以看出，污染物在过滤材料Z向的分布没有明显差别，这可能是由于含三叶形和丰字形PET纤维过滤材料的结构较疏松，纤维间空隙较大，污染物更容易进入纤维层，而圆形PET纤维过滤材料纤维间结合紧密，颗粒物不容易进入过滤材料内部结构，大部分颗粒物被上层纤维拦截，纤维间的孔隙被颗粒物堵塞后过滤材料的阻力快速增加，因此过滤材料的纳污容量较低。

3 结 论

本实验分别将3种不同截面形状的PET纤维（圆形、三叶形、丰字形）与阔叶木闪急浆配抄，制备液体过滤材料，主要探讨了3种截面形状过滤材料的过滤性能。

3.1 随着液体流量的增加，过滤材料流阻不断增加。相同流量下含三叶形和丰字形PET纤维过滤材料的流阻小于含圆形PET纤维过滤材料的流阻。当PET纤维含量为40%，液体流量为4 L/min时，含三叶形和丰字形PET纤维过滤材料流阻与含圆形PET纤维的过滤材料流阻分别降低了26.6%和28.5%。

3.2 含三叶形PET纤维的过滤材料对尺寸为4 μm、6 μm以及14 μm的颗粒的过滤效率均高于含圆形PET纤维的过滤材料，当PET纤维含量为40%时，含丰字形PET纤维过滤材料对尺寸为14 μm颗粒的过滤效率比含圆形PET纤维的过滤效率高6.1%。

3.3 PET纤维含量相同时，含三叶形和丰字形PET纤维过滤材料的納污容量高于含圆形PET纤维的过滤材料，当PET纤维含量从20%增加到40%，其纳污容量分别增加了32.1% 和26.5%。

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（责任编辑：董凤霞）