水刺复合加工方法在过滤材料制造领域中的应用

孙 婷 唐子杰 张如全 刘雪强, 2

1. 武汉纺织大学，湖北 武汉430200；

2. 军需工程技术研究所，北京100010

近几十年来我国工业发展迅速，但随之也带来了工业废气、废水和废物等的处理问题，这使得对过滤材料的需求和要求日益提高。传统机织过滤布经纬纱线间的孔隙易被过滤的颗粒堵塞。传统针刺过滤材料因加工工艺会对纤维和基布造成一定的损伤，故在过滤精度方面也存在不足。近年，许多专家学者将目光投向水刺非织造材料，且由于水刺复合过滤材料的过滤效率和过滤阻力均大于单层水刺非织造材料[1]，故水刺复合的加工方法成为了过滤材料制造领域的一个重要研究方向，例如采用水刺工艺将不同材料复合制造过滤材料，将水刺工艺与其他非织造加工工艺组合制造过滤材料，以及将含水刺非织造材料层压复合制造过滤材料等，都有相关的报道。

1 不同材料的水刺复合工艺

传统的过滤材料主要以机织布为主，其强度较高且价格低廉，是环保过滤企业的选用对象。目前在过滤材料领域，水刺复合工艺最常见的加工对象是非织造材料与机织布，其通过微细高压水流对两种或两种以上的材料进行穿透，以获得界面相结合的整体性材料，且无需化学黏合剂[2]。机织布与非织造材料水刺复合后，复合过滤材料的面密度和厚度明显增加，过滤效率和过滤阻力均有提升[3]，这为企业生产过滤效率较高的机织复合产品提供了参考。例如：将机织布作为复合过滤材料中间的支撑层，利用水刺工艺将超细纤维层或高性能纤维层覆盖并加固到机织布表面，可获得强度高、过滤精度高的复合过滤材料；或者将机织布作为复合过滤材料的基布层，将过滤效率高的迎尘层或其他的叠加层等通过水刺工艺与基布层复合，可获得既柔软又密实的复合材料。

常用的过滤用机织物主要是玻纤机织物，其是一种膨体无碱玻纤纱线采用平纹织法制成的织物。上海博格工业用布有限公司曾采用水刺加固工艺将聚酰亚胺(P84)纤维层复合到玻纤滤布的迎尘面上[4]，其还同其他公司采用水刺加固工艺将由玻璃纤维与聚四氟乙烯(PTFE)短纤混合的纤维层复合到玻纤基布上[5]。

除了常用的玻纤机织物外，还有其他新型基布层，如PTFE基布[6]、含金属纤维基布、聚苯硫醚(PPS)基布、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基布等。不同材料的水刺复合扩大了产品的整体适用范围。如江苏蓝天环保集团有限公司[7]利用水刺加固工艺，在由玄武岩纤维纱线和PTFE纤维纱线混合织成的基布两侧，复合了由玄武岩纤维、无碱玻纤、PTFE纤维混合而成的纤维网，制得了一种高温耐酸玄武岩纤维水刺复合过滤毡。

2 水刺与其他非织造工艺组合的复合工艺

将水刺与其他非织造工艺组合，可生产出兼具多种工艺优点的水刺复合材料，一次成型，且无材料转移。

2.1 针刺-水刺复合工艺

针刺-水刺复合工艺是过滤材料制造业中最常用的一种复合方法，其不仅突破了传统针刺过滤材料产品手感粗糙、过滤精度有限的局限性，还保留了针刺非织造材料一定的耐磨性和强度。例如，将P84/PPS纤维网水刺后作为迎尘面，与PPS基布针刺加固，得到复合过滤材料[8]。这种先对纤维网进行水刺的方法可减小纤维间孔隙，使纤维抱合更紧密，最终得到较为理想的过滤材料。

新型针刺-水刺复合工艺利用高速水流的冲击作用，对经过预针刺的纤维网进行水刺加固，使纤维缠结，以生产出高强力的过滤材料[9]。例如，将P84纤维层与金属纤维进行预针刺，再进行水刺和热定型处理，制得金属纤维基特种耐高温烟气除尘过滤毡[10]。这种新型针刺-水刺复合工艺可降低纤维的使用量和生产成本，且制得的过滤材料既具有水刺工艺赋予的孔径均匀的效果，又具有针刺工艺赋予的强度。

2.2 纺黏-水刺复合工艺

纺黏-水刺复合工艺将纺黏和水刺工艺组合为一整套工艺流程，缩减了生产流程，减少了交通运输费用和原材料的浪费，且制得的产品兼具两种工艺的优点。

传统的纺黏-水刺复合工艺主要是在纺黏工艺之后再进行水刺复合的，例如上海博格工业用布有限公司等[11]在PET纺黏长丝基布的表面水刺复合短纤维面层，得到厚度薄、强力高的复合水刺过滤毡产品；新型纺黏-水刺复合工艺在纺黏和水刺工艺之间增加了其他的加固工艺，例如浙江严牌过滤技术股份有限公司等[12]将聚酯(PET)/聚酰胺(PA)共混纺黏长丝纤维网，先通过针刺加固，再进行化学处理，最后水刺加固，制得了复合非织造过滤材料。

双组分纺黏-水刺复合工艺采用双组分复合纤维，且通过设计复合纤维的截面结构，可制备出适用于高效过滤领域的产品。所得产品不仅纤维截面特殊、纤维更细，而且过滤精度更高、手感更柔软。其主要流程包括将两种纺丝原料经过独立的螺杆挤出机和计量泵进行熔融、挤压和过滤后，再由双组分纺丝组件进行复合纺丝，拉伸、铺网后再进行水刺和开纤等。常见的过滤材料用双组分纺黏-水刺复合纤维的类型主要有橘瓣型和海岛型等。例如：广东宝泓新材料股份有限公司[13]将PET切片与水溶性PET切片采用双组分纺黏-水刺复合工艺制备纤网后，再通过碱处理，使产品中的纤维呈中空多孔状，所得产品过滤精度更高。

2.3 熔喷-水刺复合工艺

熔喷非织造材料纤维直径小、比表面积大[14]、孔隙小，可拦截较小粉尘，常用于制作过滤材料。目前，国内常见的熔喷复合过滤材料主要采用熔喷-针刺复合工艺生产。但相对于针刺工艺，水刺工艺可减少对纤维的损伤，因此熔喷-水刺复合工艺可获得更理想的产品。

熔喷-水刺复合工艺是将熔喷非织造材料与其他材料进行水刺加固的一种工艺。例如：上海博格工业用布有限公司将熔喷超细纤维网与干法成网的纤维网通过水刺进行复合制造了过滤毡[15]；其还将熔喷超细纤维覆合于针刺纤维基材上，再通过水刺加固制得了熔喷水刺高密度过滤毡[16]。

熔喷非织造材料纤维越细、过滤效率高，但也伴随着过滤阻力增加的问题。驻极处理是一项能提高过滤效率、降低过滤阻力的技术。若对熔喷-水刺复合过滤材料进行驻极处理等后整理，则有望制备出更令人满意的过滤材料产品。

2.4 气流成网-水刺复合工艺

由气流成网制备的纤维网，其纤维呈三维随机排列的结构，这使得欲过滤的颗粒有更多的机会与纤维黏附，达到过滤的目的。因此，气流成网制备的纤维网常被用于过滤材料的制造。

传统的气流成网工艺制造的非织造材料主要采用加热或化学黏合的方法进行加固，这存在一定的弊端；气流成网-水刺复合工艺无需热熔纤维或添加黏合剂，这样产品所含的功能性纤维可以更多，过滤效果可以更好。在过滤材料制造领域中，气流成网的加工对象主要是PTFE短纤维、玄武岩短纤维等。王萍[17]针对芳纶1313与玄武岩纤维，对比了气流成网与梳理成网两种成网方式，发现气流成网的成网效果更好。

气流成网-水刺复合工艺可一次性完成，还可再结合其他材料进行水刺复合完成。例如，杭州华顶环保科技有限公司[18]将PTFE短纤气流成网，并作为迎尘层和叠加层，与其他基布一起进行水刺复合，制得了柔性过滤毡。

今后，可着重对气流成网用纤维原料、基布用纤维原料及水刺加固工艺等进行探究，使制得的过滤材料具有过滤精度高、使用寿命长和多功能等特性。

3 含水刺非织造材料的层压复合工艺

层压复合主要是指将两种或两种以上的材料通过加压黏合的方式结合为一体的工艺。应用该工艺制造的含水刺非织造材料的复合过滤材料，不仅具有水刺非织造材料强度佳的优点，还具有复合层压材料较高的过滤精度，且耐高(低)温，耐酸碱，抗静电，基体材料价格低廉，不会造成高性能纤维的浪费等。

3.1 含水刺非织造材料的梯度结构层压复合

梯度过滤主要借助由不同线密度纤维或不同密度材料形成的梯度结构，实现过滤的目的。梯度结构可依次由迎尘层、叠加层、基布层和底层构成，每层都有不同的功效。如：迎尘层主要由超细纤维构成，可达到高过滤精度的目的；基布层主要由强力较高的材料组成，可起到支撑骨架的作用。常见的迎尘层主要由PTFE纤维、PPS纤维，以及橘瓣型、海岛型超细纤维组成。例如：翁美玲[19]采用PTFE/PPS水刺非织造材料作为迎尘面，PPS粗纤维作为叠加层和底层，PPS基布作为基布层，开发出工业用过滤材料。

在过滤材料产业中，目前广泛采用的层压复合工艺是将不同的纤维网按梯度结构进行水刺复合。浙江互生非织造布有限公司[20]采用梯度结构层压复合工艺制备出了纤维线密度由外到内依次增大的针刺-水刺复合过滤材料。该复合过滤材料过滤精度高，粉尘不易进入内部，可达到多梯度过滤的效果。

不同功能材料的优良组合可赋予复合过滤材料多功能效果，且不同材料层的组合还可获得更具理想效果的过滤材料产品。因此，不同材料的优化组合和复合材料的结构设计，将是今后梯度结构过滤材料的重要研究方向。

3.2 水刺非织造材料与膜层压复合

膜材料是当今比较热门的复合用材料。若将纤网与膜材料进行复合，可使纤网获得一定的防护和拦截等功能。有研究显示，针刺、水刺和覆膜过滤材料的平均孔径依次减小,孔径分布依次变窄[21]。而较小的孔径尺寸及均匀的孔径分布能有效提高过滤材料的过滤效率，因此，三者中覆膜过滤材料的过滤效率更高。

目前在过滤材料领域，常用的膜材料有PTFE膜等。例如：净华环境技术(上海)有限公司[22]在超细纤维层表面通过热压法黏附了一层PTFE微孔膜，制得了双表面高精度过滤毡；王学彬[23]利用胶黏剂将PTFE微孔过滤膜与水刺非织造材料粘连，制得了一种高透气防尘包装材料。这类与PTFE膜复合的过滤材料可通过水冲洗的方式进行清洗，使其过滤性能恢复，实现重复使用并延长使用寿命的目标。

如今，有关超滤膜的研究日益增多，但超滤膜孔隙易被污染物堵塞，存在使用寿命短、重复使用性差等问题，且改性成本较高[24]，故超滤膜材料多为一次性。石勇等[25]以多孔滤纸为支撑层、聚乙烯醇(PVA)与气相二氧化硅(SiO2)共混体为超薄皮层，制备了纸质复合超滤膜。常州大学[26]研发了一种纳米结构复合超滤膜，其以静电纺丝制得的纤维膜作为基层，并对其进行表面涂层，再与多孔功能性材料通过空气喷压工艺复合，然后在凝固浴中开孔浸渍，干燥后得到纳米结构复合超滤膜。

目前，市面上还没有水刺超滤材料。水刺非织造材料的强力比纸质高，成本比静电纺纤维膜低。因此，利用水刺非织造材料作为基层，表面复合超滤膜，可成为下阶段的研究方向。

3.3 水刺非织造材料与静电纺材料的层压复合

水刺非织造材料与静电纺材料的层压复合是通过加压或黏合的方式将两者合为一体的。静电纺丝法可生产出纳米级乃至微纳米级的纤维，用其制成的过滤材料可进行超滤。但目前静电纺丝法尚存在不能产业化的局限性，故水刺非织造材料与静电纺材料的层压复合工艺还处于科研探索阶段。

陈程[27]利用两层PET水刺非织造材料作为基材，与静电纺二醋酸纤维膜采用三明治式结构进行复合，制得了复合过滤材料，还对比研究了含均匀纳米纤维膜与含串珠纤维膜的复合过滤材料的过滤性能。研究表明：利用均匀纳米纤维膜作为过滤功能层时,复合过滤材料的过滤效率好,但过滤阻力较大；利用串珠纤维膜作为过滤功能层时,复合过滤材料的过滤阻力较小，但相应的过滤效率也较低。因此，基于静电纺丝法制得的不同形态纤维膜的过滤效果和过滤原理，采用不同的复合方法，可制造出具有梯度过滤或不同功能过滤的产品。例如，中国科学院城市环境研究所等[28]将静电纺超细纳米纤维层、串珠纳米纤维层、微米纤维层和非织造基材复合，制得了四层复合微纳米纤维过滤毡，且过滤效果卓越。

静电纺过滤材料较常规过滤材料的过滤效率高，但强度差，产量低，且目前水刺非织造材料与静电纺材料的复合工艺主要是层压复合，因此，如何突破自身工艺的局限性，设计出其他复合工艺，是待以思考的问题。

4 结语

水刺复合过滤材料较针刺过滤材料的过滤精度更高，对纤维的损伤较小，因此在过滤材料制造领域，水刺工艺复合是极为重要的一种加工方法。采用水刺工艺复合的不同材料主要是非织造材料与机织物；水刺与其他非织造加工工艺的组合主要有针刺与水刺组合、纺黏与水刺组合、熔喷与水刺组合，以及气流成网与水刺组合等；含水刺非织造材料的层压复合工艺主要有梯度结构复合、水刺非织造材料与膜材料复合，以及静电纺材料与水刺非织造材料复合等。水刺复合加工可生产出高性能和多功能的过滤材料，目前我国有关水刺复合加工方法制造过滤材料的生产技术还处于探索阶段，今后可从原材料的选择、工艺的条件和复合的方式等方面着手研究，以开发出令人满意的水刺复合过滤材料产品。