非织造材料透气性与空气过滤阻力的相关性研究

张珍竹,宋蓉蓉,钱 幺,王 静

(1.佛山中纺联检验技术服务有限公司,广东 佛山528211;2.五邑大学 纺织材料与工程学院,广东 江门529020)

众所周知,高效低阻是空气过滤材料的理想目标,目前所有关于纤维质空气过滤材料的研究均是围绕如何提高过滤效率、降低过滤阻力而展开[1]。非织造材料是一种多孔的纤维材料,由于纤维的成分、规格及排列方式等不同,具有不同的空间结构,因此空气在材料内部的穿透能力、流动状态有所不同。由经验可知,多孔材料的透气量越大,表明对空气的通透能力越强,因而对空气的过滤阻力也越低;在不具备过滤性能测试条件下,可以通过透气性的测试来评估非织造材料过滤阻力的高低。由于非织造材料的材质和结构变化多样,且对空气的透过有一定影响,但对透气量(单位:mm/s或L/(m2·min))与过滤阻力(单位:Pa)之间的数量关系鲜有研究,文中通过对不同类型的非织造材料进行测试分析,找出二者之间的数量关系,拟对非织造企业生产与产品性能评估提供一定的参考。

1 透气性与空气阻力的测试原理

通常用透气量或透气率来表征气体通过的难易程度,根据纺织品透气性的测试原理:空气垂直透过纺织品,在其正反面形成一定的压差(ΔP),测定某一压差下单位时间内透过织物的空气量(Q),即为透气率[2]。织物透气仪就是利用压差法的原理设计,将试样放置在上下测试腔之间,下腔抽真空,抽风面积一定,这样气体就会在压差梯度的作用下,由高压侧(上侧)向低压侧(下侧)渗透;精确测量通过低压侧的压强变化,计算试样的各项阻隔性参数,从而计算出空气的流量。当流量孔径大小一定时,其压差越大,单位时间流过的空气量也越大;当两侧的压差一定时,不同的流量孔径大小所对应的空气流量不同,流量孔径越大,对应的空气流量越大。

根据流体力学伯努利方程可知,流体流速的变化会产生压强的改变[3],过滤材料由于对空气的阻隔作用会导致空气流速的增大,从而带来压强的降低,在两侧产生压差(或压降),通常用这种压差来表示过滤材料对气体的阻力。因此,过滤阻力与透气性理论上的测试原理基本相同。

由透气率(K气)的定义可以得到其理论计算公式(1)如下:

式中:K气—理论透气率,m3/(m2·Pa·h);Q—气体流量,m3/h;ΔP—气体透过多孔材料产生的压力降,Pa;A—试样测试面积,m2。

在测试透气性时,测试面积A、压力差ΔP一定;而测试空气过滤阻力时,则是测试面积A、气体流量Q一定。理论上Q与ΔP、A的比值K气 为一个定值,那么ΔP与Q之间为线性关系,但由于透气量与空气阻力这2个性能指标的各项参数单位不统一,因此具有一个换算的系数关系。假设在测试透气性时,待测试的透气量T1用Q1/A1表示,设定的压差为ΔP1;在测试空气过滤阻力时,设定的测试流量T2用Q2/A2表示,待测试的压差为ΔP2,那么就有以下计算公式(2)、式(3)和式(4):

根据测试标准[2-5],其中:Q2=32 L/min;A2=100 cm2;T2=Q2/A2=53.33 mm/s;A1=20 cm2;ΔP1=100 Pa。代入可得

根据以上理论推导可知,多孔材料的透气量T1与过滤压差ΔP2的乘积为定值;在不同测试标准下,乘积的定值有所不同,需要进行单位换算。但由于二者是在不同的仪器上测试得到,并且实际上不同压差点的K气值不同,因此实际测量的数据可能存在一定的偏差,需要通过试验测量对理论计算值与实际值进行比较。

2 试验部分

2.1 试验材料

所用纺黏水刺非织造布来自于吉安三江超纤无纺有限公司;熔喷非织造材料来自于多家不同非织造企业;热风非织造材料及针刺非织造材料为实验室自制。

2.2 试验仪器

YG141LA型数字式织物厚度仪(莱州市电子仪器有限公司产品);YG(B)461E型全自动透气量仪(宁波纺织仪器厂);CP224C数字式电子天平(上海奥豪斯仪器有限公司);TSI8130滤料测试台(美国TSI公司)。

2.3 测试方法

参照非织造布性能测试相关标准对产品的厚度、克重、透气性和过滤阻力等进行了测试。其中,厚度测试根据标准GB/T 24218.2-2009《非织造布试验方法—厚度的测定》,选用YG141LA数字式织物厚度仪测量。透气量的测试根据标准GB/T 24218《纺织品非织造布试验方法第15部分:透气性的测定》,采用YG(B)461E型全自动透气量仪测量,测试压差设置为100 Pa,测试面积为20 cm2,透气量的单位为mm/s。试样的过滤阻力采用TSI8130滤料测试台进行测试,测试气体流量为32 L/min,测试面积为100 cm2。

3 结果与分析

将选取的几种代表性非织造材料基本性能进行测试,结果见表1～表4,不同非织造材料的透气性和过滤阻力有较大差异,纺黏水刺和熔喷非织造材料由于纤维较细、孔隙率高,因此比热风、针刺非织造材料的透气量要低很多。可以看出,随着过滤阻力的增大,透气量在不断下降。

表1 纺黏水刺非织造材料的基本性能

表2 不同熔喷非织造材料的基本性能

表4 针刺非织造材料的基本性能

#8 26.2 0.34 297.8 34.7 10 318.0 0.516 9#9 39.6 0.42 248.3 43.4 10 765.3 0.495 4#10 46.6 0.48 229.7 44.7 10 257.1 0.519 9

表3 热风非织造材料的基本性能

对比各表格中的实际测量值可以发现,透气量T与过滤阻力ΔP之间的实际乘积值也趋近于一个定值,大部分近似在9 700～1 1000之间,虽然与理论乘积值5 333.33之间有较大偏差,若定义二者比值为:

则通过表1～表4中计算结果可看出,比值λ近似在0.48～0.52之间,大多数的比值在0.5上下波动,这种偏差可能受非织造材料自身均匀性的影响;不同种类非织造材料,由于纤维种类、纤维密度、纤维细度等不同,导致非织造材料的孔隙率有所不同,因而所得到的λ值有明显偏差。对各表中计算的λ值取平均值,均近似为0.5,因此实际应用中可以通过该比值来对透气值和空气过滤阻力值进行换算;若已知标准测试条件下的透气量,可以估算出标准测试条件下的空气过滤阻力,反之亦然。

4 结论

(1)对于同一种非织造材料,透气量与空气阻力这2个性能指标的数值呈反比例关系,二者之间的乘积为定值。

(2)不同种类的非织造材料,在标准测试条件下,透气量与空气阻力之间的换算系数有所不同,理论值与实际值之间的比值λ近似在0.48～0.52之间,实际应用时可近似取0.5进行估算。

(3)透气量与空气阻力之间的换算具有很好的实践指导意义,但由于实际使用测量仪器的不同,换算系数会有一些变化,有待更进一步的验证。