针刺密度对纺黏长丝针刺静电棉过滤性能品质因子的影响

梁荷叶 陈致帆

1. 内蒙古浦景聚合材料科技有限公司,内蒙古 包头 014060;2. 上海精发实业有限公司,上海 201505

在由呼吸道传染病引起的全球突发性公共卫生事件背景下,健康的室内环境、空气质量”已成为大众不容忽视的问题,勤开窗通风已成为人们的日常生活习惯[1-3]。随着经济的发展,工业化污染越来越严重,空气质量明显下降,这给人们的生活和身体健康带来不良影响。众所周知,空气中存在众多细微物粉末及大量粉尘颗粒。这些粉尘颗粒质量小,在流动的室内空气中处于漂浮状态,影响人体健康,而人们平均每天在室内的时间占全天时间的80%以上,室内环境状况对人体健康的影响不容忽视。使用个体防护装备与室内空气净化过滤材料如针刺静电棉等,可从物理层面降低室内空气中粉尘颗粒物浓度,提高室内环境质量,为人们的健康增添一份保障[4-6]。国家生态环境部于2021年9月发布的《中国移动源环境管理年报》中提到,2020年,全国机动车4项污染物排放总量为1 593.0万t,其中,一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)排放量分别为769.7万t、190.2万t、626.3万t、6.8万t。汽车尾气排放是污染物排放总量的主要来源,其排放的CO、HC、NOx和PM量超过90%。

涤纶、丙纶等纤维原料常用于制作填充保温材料、隔热材料、水族过滤材料,也用于制作口罩、室内空气净化设备用针刺静电棉过滤材料[7-8]。与相同面密度的普通针刺棉相比,针刺静电棉具有过滤效率和过滤精度更高,过滤阻力更小,容尘量更大,使用寿命更长的优点[9-10]。市面上常见的针刺静电棉制备流程复杂,包含开包、初开松、混棉、精开松、梳理、铺网、预刺、主刺、修面针刺和收卷等工序[11]。其主要技术难点涉及纤维前处理技术、带静电纤网加工技术、驻极技术和静电荷保持技术等[12]。国外也仅有少数公司具备生产针刺静电棉的能力,且产品价格高昂,强力低,拉扯易变形,严重影响下游厂商的上机适应性[13-14]。

目前有关长丝针刺静电棉的研究报道甚少。基于此,本文采用聚丙烯树脂掺配一定比例的静电驻极母粒,选用熔融纺丝法制备纺黏长丝轻轧非织造基布,针刺过程中在打开轻轧点的同时加固基布,调整针刺工艺参数赋予产品一定的拉伸强力,再采用高压驻极工序制备纺黏长丝针刺静电棉。本文的纺黏长丝针刺静电棉制备工艺流程短,效率高,操作性强,产品在具有低阻力的同时可获得较高的过滤效果。研究对纺黏长丝针刺静电棉的规模化生产具有一定的参考价值。

1 试验部分

1.1 试验原料

聚丙烯树脂颗粒,市售,负荷21.168 N、230 ℃下熔融指数为38 g/(10 min);国产静电驻极母粒,市售,添加量(相对于聚丙烯树脂颗粒的质量分数)为6%,其有效成分为纳米级滑石粉。

1.2 纺黏长丝针刺静电棉生产工艺

纺黏长丝针刺静电棉生产工艺流程如图1所示。

1—单螺杆挤出机;2—熔体过滤器;3—计量泵;4—纺丝组件;5—长丝纤网;6—轧机辊;7—刺针;8—剥毛辊;9—拖网板;10—驻极丝。

混合了静电驻极母粒的聚丙烯树脂颗粒由料斗喂入后,经单螺杆挤出机挤压成均匀的熔体。熔体经熔体过滤器除杂后,由计量泵准确计量后流入纺丝组件,熔体出喷丝板形成初生长丝。在冷风箱体出风带动下,初生长丝表面多余的热量被带走并受牵伸气流拽曳而被抽长拉细,伴随着网帘底部抽吸风作用,在成网机构上形成蓬松的纺黏长丝纤网。再由网帘向前输送喂入热轧机组,调节轧机上辊和下辊之间的间隙及上下轧辊温度,使蓬松纤网内的大量空气被挤出,纤网结构变得更密实,形成具有一定强力的纺黏长丝轻轧非织造布。纺黏长丝轻轧非织造布制备工艺参数如表1所示。

表1 纺黏长丝轻轧非织造布的制备工艺参数

在导布辊带动下,纺黏长丝轻轧非织造布被喂入针刺机构,待刺纺黏长丝轻轧非织造布被夹持在剥毛辊和拖网板之间。调节夹持间隙使非织造布经针刺后可以顺利从刺针上剥离,调节刺针的刺入深度使纺黏长丝轻轧非织造布的轻轧点在打开的同时,纤维在刺针刺钩的带入下在纺黏长丝轻轧非织造布中形成纤维销钉,从而完成机械加固,赋予非织造布基布一定的强力。

针刺后的非织造布在导布辊传动下绕到驻极丝下方的驻极架导辊上,调整高压驻极发生器电压和驻极距离,将电荷注入针刺非织造布中,再经分切收卷得到纺黏长丝针刺静电棉。

1.3 不同针刺工艺参数试验方案

如表2所示,选择面密度分别为80、95和110 g/m2的纺黏长丝轻轧非织造布作为基布制备纺黏长丝针刺静电棉,基布中长丝的平均直径为17 μm。为探究相同基布面密度、纤网输出速度与针刺深度条件下,针刺频率对纺黏长丝针刺静电棉过滤性能品质因子的影响,设计了1、2、3号试验进行对比。同理,为探讨针刺深度的影响,设计了2、4、5号试验进行对比。为探讨纤网输出速度的影响,设计了3、6、7号试验进行对比。为探讨面密度的影响,设计了8、9、10号试验进行对比。此外,每组试验均探讨了刺针型号对纺黏长丝针刺静电棉性能的影响,方案编号中,“42#” “40#” “38#”分别表示采用42号、40号和38号刺针。具体针刺工艺参数设计如表2所示。各试验方案在静电驻极工序采用的驻极工艺参数相同,其中,驻极发生器电压均为45 kV,驻极距离均为7.5 cm。

表2 针刺工艺参数设计

针刺过程涉及的工艺参数较多,为探讨针刺频率、纤网输出速度等因素对纺黏长丝针刺静电棉过滤性能的影响,更全面地评价针刺效果,本文引入针刺密度概念。针刺密度的计算式如式(1)。由式(1)可知,针刺频率增大,针刺密度增加;纤网输出速度增大,针刺密度减小。从式(1)还可以看出,纺黏长丝轻轧非织造基布的面密度与针刺深度并未涵盖在计算式中,为此,需对这两个因素单独分析。

(1)

式中:D——针刺密度,次/cm2;

N——植针密度,枚/m;

n——针刺频率,次/min;

v——纤网输出速度,m/min。

众所周知,纺黏长丝针刺静电棉滤料在实际应用过程中需考核的核心指标是过滤性能,即期望其在具有低阻力的同时具备良好的颗粒物拦截效果(过滤效率)。这是针刺静电棉产品优势所在,亦是行业面临的技术难点。为方便综合评价纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能,引入滤料过滤性能品质因子用以表征过滤性能。

(2)

式中:f——过滤性能品质因子,Pa-1;

μ——过滤效率,%;

P——阻力,Pa。

1.4 性能参数测试

1.4.1 面密度

采用FA2004A型电子天平,依据GB/T 24218.1—2009《纺织品 非织造布试验方法 第1部分:单位面积质量的测定》测试纺黏长丝轻轧非织造布的面密度。

1.4.2 过滤性能

采用美国TSI 8130A型自动滤料检测仪测试,流速为32 L/min,氯化钠气溶胶粒子直径为0.26 μm。根据GB 19083—2010《医用防护口罩技术要求》测试纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能。

2 结果与分析

调整针刺工艺参数得到不同针刺密度下制备的纺黏长丝针刺静电棉产品,其过滤性能测试结果与过滤性能品质因子计算结果见表3。

表3 纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能

2.1 针刺频率的影响

针刺频率对纺黏长丝针刺静电棉过滤性能品质因子的影响如图2所示。由图2可以看出,采用42号和40号刺针,制备的纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能品质因子随着针刺频率的增大呈上升趋势,且40号刺针的针刺效果明显优于42号和38号刺针的。针刺频率为667 次/min,采用40号刺针制备的纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能品质因子高达0.43 Pa-1,此时其过滤效率仅为79%(表3);而采用42号刺针,在针刺频率为476 次/min时即可获得过滤效率达83%的纺黏长丝针刺静电棉,且由式(1)可知,在其他因素相同的情况下,针刺密度随针刺频率的增加而增加,选用40号和42号刺针,有助于提高静电棉的过滤性能品质因子,且采用40号刺针,其产品的过滤性能品质因子增长率高于采用42号刺针的。纺黏长丝轻轧非织造基布表面留有轧点,随着针刺频率的增大,轧点在刺针的钩带作用下解开黏合点,钩带起的长丝从平面被压实的状态转变为蓬松且杂乱态,增加了气流通道的复杂度,从而提高了颗粒物碰撞截留的概率,进而使颗粒物易于被电荷吸附拦截,直观表现为过滤效率增大。然而,针刺频率过大会导致钩刺穿插过度,纤网中的纤维断裂增加,同时针痕空隙增大,产生的粉尘、碎屑导致纺黏长丝针刺静电棉的过滤效率降低。由表3可以看出,针刺频率的改变对纺黏长丝针刺静电棉过滤效率的影响较大。综合考量后认为,试验方案2-40#较佳。

图2 不同针刺频率下纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能品质因子

2.2 针刺深度的影响

在针刺密度恒定为50 次/cm2条件下,探讨针刺深度对纺黏长丝针刺静电棉过滤性能品质因子的影响。不同针刺深度下纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能品质因子测试与计算结果如图3所示。由图3可以看出,3种型号刺针制备的纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能品质因子均呈现出先升后降的趋势。针刺深度为4 mm时制备的纺黏长丝针刺静电棉过滤性能品质因子较高,尤其是采用40号刺针制备的纺黏长丝针刺静电棉。针刺动作的下行过程中,纺黏长丝轻轧非织造基布中的长丝在刺针刺钩的钩带作用下彼此缠结,形成牢固的针刺点。然而,针刺深度过大易导致长丝移动困难,甚至被拉扯断裂,从而造成纺黏长丝针刺静电棉表面结构松散,刺针痕迹明显,这不利于过滤效果的提升。由表3可知,不同针刺深度纺黏长丝针刺静电棉的过滤效率在75%和83%的范围内波动。综合分析针刺深度对纺黏长丝针刺静电棉过滤性能的影响可知,采用试验方案2-40#制备的纺黏长丝针刺静电棉的性能较佳,即采用40号刺针,在针刺深度为4 mm、针刺频率为476次/min、纤网输出速度为5 m/min条件下制备的纺黏长丝针刺静电棉过滤性能较好,过滤性能品质因子高达0.39 Pa-1,过滤效率达81%。

图3 不同针刺深度下纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能品质因子

2.3 纤网输出速度的影响

纤网输出速度对纺黏长丝针刺静电棉过滤性能品质因子的影响如图4所示。由图4可以看出,3种型号刺针制备的纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能品质因子均呈现出逐渐下降的趋势,但采用40号刺针制备的纺黏长丝针刺静电棉,其过滤性能品质因子仍高于采用42号和38号刺针制备的。选用40号刺针,在其他因素不变的情况下,随着纤网输出速度的增加,针刺密度减小,纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能品质因子从0.43 Pa-1降低至0.28 Pa-1,但过滤效率变化不明显,为79%～81%。由式(1)可知,针刺密度随纤网输出速度的增加而下降,意味着单位面积纺黏长丝轻轧非织造基布上,轻轧点被解开的概率减小,轧点解黏不彻底,没有被充分拉扯开,轧点未解开处长丝被压实,这相对于已解开呈蓬松状态的纺黏长丝针刺静电棉,无疑会增加滤料过滤时的阻力。在过滤效率相近的情况下,由式(2)可知,静电棉的过滤性能品质因子下降。由表3可以看出,在其他参数相同的情况下,纤网输出速度对过滤效率的影响不明显。综合分析纤网输出速度对纺黏长丝针刺静电棉过滤性能的影响可知,采用试验方案6-40#较佳,由该方案制备的纺黏长丝针刺静电棉的过滤效率为81%。

图4 不同纤网输出速度下纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能品质因子

2.4 面密度的影响

针刺密度恒定为50 次/cm2,将纺黏长丝轻轧非织造布基布面密度由80 g/m2增至110 g/m2,探讨面密度对纺黏长丝针刺静电棉过滤性能品质因子的影响。不同基布面密度的纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能品质因子如图5所示。由图5可以看出,随着基布面密度的增大,纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能品质因子呈下降趋势,从0.41 Pa-1降低至0.26 Pa-1。而由表3可知,随着基布面密度增大,纺黏长丝针刺静电棉的过滤效率逐渐增大,由83%增大至86%,增加不足4个百分点,而滤阻则从4.3 Pa增加至7.5 Pa,增加了近70%,表明基布面密度增大可在一定程度上提高纺黏长丝针刺静电棉的过滤效率,但滤阻增速远高于过滤效率的增速。相同条件下,单纯依靠增加滤料面密度并不会增加气流通道的复杂度,只能相对微弱地增加粒子纵向贯通行经路线的长度,对提升过滤效率有些许帮助,但由此造成的滤阻的显著增加却不利于滤料过滤性能品质因子的提高。综合而言,增大纺黏长丝针刺静电棉面密度,仅能够在物理层面上增加滤料对颗粒物的布朗扩散、惯性沉积和重力沉降等拦截效应,对最终过滤效果的提升并不显著。

图5 不同基布面密度的纺黏长丝针刺静电棉的过滤性能品质因子

3 结论

在聚丙烯树脂颗粒中掺配一定比例的静电驻极母粒,通过熔融纺丝法制备不同面密度纺黏长丝轻轧非织造布,再经针刺和驻极工序制备纺黏长丝针刺静电棉。该制备方法具有工艺流程短、效率高、操作性强的特点,所得纺黏长丝针刺静电棉在具有低阻力的同时具备较高的过滤效率。

综合分析针刺密度对纺黏长丝针刺静电棉过滤性能品质因子的影响可知,采用试验方案2-40#制备的纺黏长丝针刺静电棉性能较佳,即选用40号刺针,在针刺深度为4 mm、针刺频率为476 次/min、纤网输出速度为5 m/min、针刺密度为50次/cm2的条件下制备的纺黏长丝针刺静电棉过滤性能较好,过滤性能品质因子高达0.39 Pa-1,过滤效率为81%。

纺黏长丝轻轧非织造基布面密度增大可在一定程度上提高纺黏长丝针刺静电棉的过滤效率,但滤阻增速远高于过滤效率的增加,过滤性能品质因子下降。