PTFE发泡涂层整理对芳纶针刺毡滤料性能的影响

何建良 朱海霖 刘国金 林曦 马海兵

摘 要：为获得性能优良的工业过滤材料，将聚四氟乙烯（PTFE）乳液发泡后对芳纶针刺毡进行涂层整理。详细探究发泡涂层前后，芳纶针刺毡面密度、厚度、透气性、力学性能、耐磨性、表面形貌、孔径及过滤性能的变化情况。结果表明：经PTFE发泡涂层整理后，芳纶针刺毡的面密度和厚度均稍有增加，透气性和纵横向断裂强力无明显下降，耐磨性显著提升，纤维表面附着有PTFE膜状物，孔径也明显减小;在保证过滤阻力基本不变的情况下，复合针刺毡对0.3 μm的聚苯乙烯颗粒的过滤效率可从41.03%显著提升至63.24%。

关键词：芳纶;针刺毡;聚四氟乙烯;发泡涂层;性能

中图分类号：TS102.528;TB34

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2021）02-0081-04

Abstract：In order to obtain an industrial filter material with excellent performance， aramid needle felt was finished with a foam coating of polytetrafluoroethylene （PTFE） emulsion. The changes of surface density， thickness， gas permeability， mechanical properties， wear resistance， surface morphology， pore size and filtering performance of aramid needle felt before and after foaming coating were investigated in detail. The results show that after foam coating finishing， the surface density and thickness of aramid needle felt are slightly increased， gas permeability and longitudinal and transverse fracture strength dont decrease significantly， wear resistance significantly improves， PTFE membrane attachments are detected on fiber surface， and pore size is significantly reduced. With the filtration resistance remaining substantially unchanged， the filtration efficiency of composite needle felt for 0.3 μm polystyrene particles could be significantly increased from 41.03% to 63.24%.

Key words：aramid; needle felt; polytetrafluoroethylene; foam coating; property

作者簡介：何建良（1978-），男，重庆人，博士研究生，主要从事有机复合材料制备及表征方面的研究。

芳纶纤维具有高强度、高模量、耐高温、绝缘、抗老化等优良性能，在航天、军事、建筑、交通和过滤等领域具有巨大应用潜力[1-3]。目前，由芳纶纤维制成的芳纶针刺毡因其低廉的价格和优良的性能而被广泛应用于高温烟气过滤领域[4-6]。然而，单纯的芳纶针刺毡因孔径较大，在实际应用中的过滤精度往往不足，如何提升高温除尘用芳纶针刺毡的过滤性能是当前的热点研究课题。

通过后整理，如浸渍、浸轧、覆膜和涂层等方式对芳纶针刺毡进行加工处理来过滤性能的途径备受研究者青睐[7-9]。其中，涂层整理的方式便捷、可控，在纺织品加工领域的应用非常广泛。发泡涂层[10-12]是一种常见的涂层方式，是指在整理工作液中加入发泡剂形成一定质量的泡沫，然后将泡沫均匀施加到基材表面的一种加工工艺，具有成本低、涂布均匀、涂布量易于控制及对基材透气性影响小等优点。当前，低阻高效是芳纶针刺毡研究的重要方向，若能通过发泡涂层整理，获得低阻高效的芳纶针刺毡滤料，将对芳纶针刺毡在高温烟气过滤领域的应用具有重要意义。近年来，以具有耐高温、耐腐蚀、高润滑、无毒害的聚四氟乙烯（PTFE）为涂层整理剂主要成分，对滤料进行发泡涂层后整理处理以提升滤料性能的研究备受研究者青睐[13-16]。

本研究以聚四氟乙烯（PTFE）乳液配成发泡涂层整理液，然后将其用于整理芳纶针刺毡，以获得性能优良的复合针刺毡滤料。探究了发泡涂层前后，芳纶针刺毡面密度、厚度、透气性、力学性能、耐磨性、表面形貌、孔径及过滤性能的变化情况。本研究将为低阻高效芳纶针刺毡滤料的制备提供理论依据和实践基础。

1 实 验

1.1 实验主要材料与仪器

主要材料：间位芳纶针刺毡（烟台泰和新材集团有限公司）;TE3893型聚四氟乙烯乳液（PTFE，固含量54%，日本大金）;NC1500型聚全氟乙丙烯（F46，日本大金）;去离子水（电阻率18 MΩ·cm，实验室自制）;十二烷基硫酸钠（SDS，分析纯，杭州高晶精细化工有限公司）;HD-1019型纯丙乳液（固含量40%，上海训达新材料科技有限公司）;HD-91型聚丙烯酸酯黏合剂（固含量40%，上海训达新材料科技有限公司）;硝酸（分析纯，天津市永大化学试剂有限公司）。

主要仪器：BL-520型电子天平（常州市天之平仪器设备有限公司）;YG141D型数字式织物厚度仪（温州方圆仪器有限公司）;YG026D型电子强力机（温州方圆仪器有限公司）;CFP-1500AE型孔径分析仪（美国PMI公司）;YG461E型透气性测试仪（温州方圆仪器有限公司）;SX-L1050型滤料试验台（苏州市苏信净化设备厂）;DHG-9070A型电热鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司）;Ultra55扫描电子显微镜（SEM，德国蔡司公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 芳纶针刺毡的预处理

在进行发泡涂层之前，先对纯芳纶针刺毡进行清洗，以去除表面上的灰尘等杂质。将针刺毡先置于去离子水中浸泡30 min，取出再用去离子水冲洗2～3次，然后放置在70 ℃的鼓风烘箱中，烘干后取出待用。

1.2.2 发泡涂层整理液的制备

在60.0 g去离子水中加入20.0 g的PTFE乳液，然后向其中加入2.0 g增强剂F46乳液，接着再依次加入2.0 g发泡剂十二烷基硫酸钠（SDS）、1.0 g稳泡剂纯丙乳液和15.0 g黏合剂聚丙烯酸酯，开启机械搅拌器充分搅拌均匀后即得到发泡涂层整理液。

1.2.3 PTFE/芳纶复合针刺毡滤料的制备

将制备所得发泡涂层整理液施加到自制的由电磁式空气压缩机、抽滤瓶和收料烧杯组成的发泡装置中，开启压缩机，利用收料烧杯接收泡沫，然后将所集泡沫通过刮刀涂刮至纯芳纶针刺毡表面，经140 ℃鼓风烘箱干燥后，即可得到PTFE/芳纶复合针刺毡滤料。

1.3 测试与表征

1.3.1 面密度及厚度测试

面密度是指单位面积的质量。按照FZ/T 60003—1991《非织造布单位面积质量的测定》标准，裁剪10块尺寸大小相同的针刺毡试样，利用电子天平进行称重，然后分别计算各自的面密度，最后取10块试样面密度的平均值。

采用织物厚度仪，按照FZ/T 60004—1991《非织造布厚度的测定》标准进行厚度测试。测试时选择压脚面积为（2 000±20） mm2，加压压力为0.5±0.01 kPa，加压时间为（10±5） s。测试结果取10块试样测定值的平均值。

1.3.2 表面形貌测试

先将样品进行镀金处理，然后利用导电胶将其贴置于试样台上，通过扫描电子显微镜观察试样的表面形貌，测试的工作电压为3 kV。

1.3.3 孔径测试

利用孔径分析仪，采用泡点法进行滤料孔径测试。将针刺毡滤料放入测试仪样品台上，滴加表面张力为20.1 mN/m的silkwick试剂将试样润湿，然后通过测试软件测试针刺毡的孔径及分布，其中设定测试类型为Wet Up/Dry Up。

1.3.4 透气性测试

按照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》标准，采用透气性测试仪对针刺毡样品进行测试，以透气率作为测试指标，测试面积为20 cm2，试样压差为200 Pa，每种试样在不同位置测试10次，求平均值。

1.3.5 拉伸性能测试

按照标准GB/T 24218.3—2010《紡织品 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（条样法）》进行测试。裁剪6块大小为50 mm×250 mm的试样，以条样法为测试方法，以断裂强力和断裂伸长率为测试指标，设置仪器两夹钳之间的距离为200 mm，拉伸速度为100 mm/min，上升速度为200 mm/min，测定针刺毡的断裂强力和断裂伸长率，实验结果取3次平均值。

1.3.6 耐磨性能测试

按照标准GB/T 21196.2—2007《纺织品马丁代尔法织物耐磨性的测定 第2部分：试样破损的测定》、GB/T 21196.3—2007《纺织品马丁代尔法织物耐磨性的测定 第3部分：质量损失的测定》和GB/T 21196.4—2007《纺织品马丁代尔法织物耐磨性的测定 第4部分：外观变化的评定》进行测试。滤料的使用寿命很大程度上取决于滤料的耐磨性能。实验过程中，每磨一定的次数记录当时的滤料质量。试样面积50 mm×250 mm，磨料为砂纸，砂纸面积50 mm×250 mm，负荷6 kg。根据每一个滤料在磨损前后的质量差异，计算出相同摩擦次数下每个滤样的质量损失平均值，按式（1）计算耐磨指数Ai。

式中：Ai为耐磨指数，次/mg;n为总摩擦次数，次;Δm为滤料摩擦前后的质量损失，mg。

1.3.7 过滤性能表征

过滤效率与过滤阻力是表征过滤性能的重要指标。按照GB/T 14295—2008《空气过滤器》标准，设定滤料实验面积为100 cm2，控制滤速为32 L/min，选用的过滤颗粒为0.3 μm的聚苯乙烯粒子，通过式（2）计算针刺毡的过滤效率。

过滤效率/%=上游粒子数-下游粒子数上游粒子数×100（2）

2 结果与讨论

2.1 整理前后针刺毡的基本物理性能对比

芳纶针刺毡经PTFE乳液发泡涂层前后的面密度、厚度、透气率和拉伸性能等性能如表1。从表1中发现，涂层整理后PTFE/芳纶复合针刺毡的面密度和厚度均高于纯芳纶针刺毡，这主要归因于整理后的针刺毡表面附着了PTFE涂层剂，直接导致面密度和厚度增加。涂层前后针刺毡的透气率基本不变，这说明发泡涂层对针刺毡的透气性能影响不大，显现了发泡涂层的优势。与原芳纶针刺毡相比，涂层后PTFE/芳纶复合针刺毡的横纵向断裂强力和相应的断裂伸长率均基本维持不变，这是因为针刺毡的强力主要由基布决定，而PTFE乳液发泡涂层后形成的涂层膜仅贴附于滤料表面，对基布内纤维的影响较小。

图1给出了PTFE发泡涂层整理前后针刺毡的耐磨性能。从图1中可以看出，经PTFE发泡涂层整理过的针刺毡滤料，在磨损相同次数下，耐磨指数约为未处理滤料的两倍，这说明PTFE发泡涂层可以改善滤料的耐磨性能。由于发泡涂层所得PTFE薄膜自身比较光滑，润滑性能良好，其较好的减轻了摩擦过程中的损失，从而提高了芳纶针刺毡的耐磨性。

2.2 整理前后针刺毡的表面形貌和孔径分析

图2是PTFE发泡涂层前后芳纶针刺毡的SEM图像。从图2中发现，未经涂层整理的芳纶针刺毡中，纤维粗细均匀，表面光滑，相邻纤维间存在明显的空隙，而涂层整理后的针刺毡中，纤维表面变得粗糙，明显附着有一层膜状物，且相邻纤维发生粘连，相互间的空隙变少。

表2为PTFE发泡涂层整理前后针刺毡的孔径变化情况。从表2中发现，未经涂层整理的芳纶针刺毡试样，最小孔径为28.12 μm，最大孔径为156.41 μm，平均孔径为90.89 μm;而经PTFE发泡涂层整理后，最小孔径缩减为20.87 μm，最大孔径减至127.62 μm，平均孔径则变为78.64 μm;这证明发泡涂层后形成的PTFE膜状物，在一定程度上填充了纤维间原有的空隙，起到了缩减针刺毡孔径的作用。结合前文所述，经发泡涂层整理后，针刺毡的透气性却并未明显下降，这主要是因为在发泡涂层过程中，形成的气泡内气体因体积膨胀会发生破裂，继而在针刺毡表面形成了“微孔化”的薄膜，这一层薄膜只是改变了针刺毡的表面性质，内部还保持着良好的通透性。

2.3 整理前后针刺毡的过滤性能分析

选用尺寸为0.3 μm的聚苯乙烯颗粒，以过滤效率和过滤阻力来评价针刺毡滤料的过滤性能，结果如表3所示。从表3中发现，未经发泡涂层整理的针刺毡试样过滤效率为41.03%，过滤阻力为43.33 Pa，经发泡涂层后，PTFE/芳纶复合针刺毡过滤效率明显提升至63.24%，且过滤阻力并未明显下降，基本和原针刺毡过滤阻力相近。过滤效率提升，这是由于PTFE发泡处理使得滤料表面形成一层致密的膜，一定程度上缩小了滤料的孔径。综合来看，经PTFE乳液发泡涂层后，实现了芳纶针刺毡滤料高滤低阻的要求。

3 结 论

利用发泡后的聚四氟乙烯乳液对芳纶针刺毡进行涂层整理，详细探究发泡涂层整理前后芳纶针刺毡面密度、厚度、透气性、力学性能和耐磨性等基本物理性能，表面形貌和孔径及过滤性能的变化情况。与原芳纶针刺毡相比，发泡涂层整理后的PTFE/芳纶复合针刺毡的面密度和厚度均稍有增加，透气性和纵横向断裂强力无明显下降，耐磨性显著提升，纤维表面附着有PTFE膜状物，孔徑也明显减小;在保证过滤阻力基本不变的情况下，PTFE/芳纶复合针刺毡对0.3 μm聚苯乙烯颗粒的过滤效率可从41.03%显著提升至63.24%，实现了芳纶针刺毡滤料高滤低阻的要求。

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