纤维混合比对针刺滤材孔径及透气性的影响

赖艳 张得昆

摘 要：为了研究纤维混合比对针刺过滤材料孔径、孔径分布和透气性的影响规律，以2.22 dtex和6.67 dtex两种细度的聚酯纤维为原料，分别以其0∶100、20∶80、40∶60、60∶40、80∶20、100∶0的比例混合，采用干法针刺非织造技术制备了过滤材料，并对其进行了性能测试分析。结果表明：细纤维占的比例越多，过滤材料的孔径分布越集中，其模态孔径、最大孔径、中值孔徑及平均流孔径等都显著降低;随着细纤维比例的增加，模态孔径呈多项式关系下降，其相关系数R2为0.943 7;而平均流孔径随着细纤维比例的增加呈线性关系下降，其相关系数R2为0.924 8;随着细度较小的聚酯纤维比例增加，过滤材料透气率呈指数关系下降，其相关系数R2为0.949 5。

关键词：针刺过滤材料;聚酯纤维;透气性;孔径;孔径分布

Abstract：To study the influence of fiber mixing ratio on the pore size， pore size distribution and air permeability of needled filter material，two kinds of polyester fibers with 2.22 dtex and 6.67 dtex fineness were used as raw materials and mixed at a ratio of 0∶100， 20∶80， 40∶60， 60∶40， 80∶20 and 100∶0， respectively to prepare the filter material by dry needling technology，and its performance was tested and analyzed. The results show that the more the proportion of fine fibers， the more concentrated the pore size distribution of the filter material.The modal pore size， the maximum pore size， the median pore size and the mean flow pore size are significantly reduced. With the increase of the proportion of fine fibers， the modal pore size decreases in a polynomial relationship， and the correlation coefficient R2 is 0.943 7， while the mean flow pore size decreases linearly with the increase of the proportion of fine fibers， and the correlation coefficient R2 is 0.924 8. With the increase of the proportion of polyester fiber with smaller fineness， the air permeability of the filter material decreases exponentially， and the correlation coefficient R2 is 0.949 5.

Key words：needled filter material; polyester fiber; air permeability; pore size; pore size distribution

非织造过滤材料具有三维网状结构，并且纤维在其中随机排列，使得非织造材料具有高空隙率，可以容纳更多的灰尘颗粒，提高过滤效率，并且进一步提高流动速度[1-3]。由于其在过滤效率和容尘量等方面的突出优势，非织造滤材逐渐取代传统纺织滤材并在纤维类过滤介质领域占据领先地位[3-4]。20世纪50年代，非织造行业开始在世界范围内迅速发展，这使空气过滤材料的发展成为新的一页，尤其是化纤业的迅速发展为空气过滤材料提供了丰富可供选择的纤维原料[5-6]。现如今环境质量在不断的下降，空气质量的改善迫在眉睫。目前，解决空气质量问题最有效的方式便是空气过滤[7]。

随着科技和经济的发展，空气质量问题的改善成为现如今的热点，而空气滤材在大气污染的治理中有着重要作用，透气性、孔径和孔径分布对过滤材料的性能具有重要影响。因此，研究过滤材料的孔径、孔径分布及其透气性能对更好地开发过滤材料具有重要意义。倪冰选等[8]研究了水刺非织造布孔径分布及过滤效率，得出非织造布具有三维网络微孔结构，与过滤效率有关，其可过滤粒径较小的颗粒，过滤性能优良。鲍稳等[9]研究了PPS纺粘非织造布的过滤性能，得出孔径呈正态分布，对10 μm以上颗粒具有高达98.1%的过滤效率。殷保璞等[10]、刘造芳等[11]研究了非织造过滤材料孔隙结构与透气性之间关系，得出非织造布透气性是平均孔径和孔隙率共同影响的结果。张恒等[12]研究了超细纤维非织造材料孔径的可预测性，得出孔径预测模型可以用来预测超细纤维非织造材料的孔径分布。刘青等[13]制备了黏胶非织造过滤布，得出其对金属离子和染料，都有较好的过滤性能。王艳丽等[14]制备了芳纶1314/PANOFF复合针刺滤料，得出添加PAN预氧化纤维，减小了滤料的孔径尺寸，降低透气量。而不同纤维混合比对针刺过滤材料孔径及透气性能影响的研究却寥寥无几。因此，本文主要利用不同细度聚酯纤维通过非织造干法成网、针刺加固的方法，制备不同混合比的过滤材料，通过对样品的性能测试，研究不同混合比对孔径、孔径分布及透气性的影响规律。

1 实 验

1.1 实验原料

聚酯纤维1（2.22 dtex×51 mm，江苏三房巷集团有限公司），聚酯纤维2（6.67 dtex×64 mm，南通罗莱化纤有限责任公司）。

1.2 实验仪器

WL型的针刺生产线（太仓市双凤非织造布设备有限公司）;YD141D型数字式织物厚度仪（温州方圆仪器有限公司）;BG200A型电子天平（上海乾峰电子仪器有限公司），PSM-165型孔径测定仪（德国Topas公司）;YG461L型全自动透气性能测试仪（莱州市电子仪器有限公司）。

1.3 针刺过滤材料的制备

以细度为2.22 dtex和6.67 dtex两种聚酯纤维为原料，通过开松、混合、梳理、铺网和针刺加固工艺，得到6种不同混合比（2.22 dtex∶6.67 dtex的混合比例分别为0∶100、20∶80、40∶60、60∶40、80∶20、100∶0）的聚酯针刺过滤材料样品，分别编号为1～6。设计针刺过滤材料的针刺密度为300刺/cm2，定量为255 g/m2。

1.4 性能测试

1.4.1 定 量

取300 mm×300 mm的试样，定量按照GB/T 24218.1-2009《纺织品非织造布实验方法第一部分：单位面积质量的测定》标准进行测试。每组取10块样品测试，求出10块样品的平均值和CV值。

1.4.2 厚 度

依据标准GB/T 24218—2009《纺织品非织造布测试方法第二部分：厚度的测定》进行测试。按照标准每组取10块试样，试样面积为300 mm×300 mm。根据标准先判断非织造布的类型，然后根据对应的压强和时间进行测试，并求出每组试验的平均值和CV值。

1.4.3 透气性

采用的标准是GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》。每组试验取10块试样测试，试样面积为300 mm×300 mm，测量压差为200 Pa。并求出10块试样的平均值。

1.4.4 孔径大小及其分布

选用直径为6 mm的试样夹具，测试液体为纯净水，试样剪成半径为15～20 mm的圆形。测试标准采用ASTM F316-03（2011）《用冒泡点和平均流量法测定膜过滤材料孔径特性的试验方法》。

2 结果与分析

2.1 不同混合比聚酯针刺过滤材料的定量和厚度

不同混合比下聚酯针刺过滤材料的定量、厚度测试结果见表1。

从表1可知，在工艺参数等相同的条件下，不同细度的纤维配比的不同，定量略有不同，6组样品的实际定量与设计定量偏差较小，平均值为258.60 g/m2，CV值为1.27%。从表1还可知，在工艺参数等相同的条件下，不同细度纤维的混合比对厚度有轻微的影响，但相差不大，其平均值为2.80 mm，CV值为6.79%;随着细度为2.22 dtex聚酯纤维比例增多，厚度在一定范围内有减小的趋势，这是因为一般情况下，细度大的聚酯纤维回弹性更好一些，其产品比较蓬松，使得产品厚度有所增加。而6组样品的定量和厚度差别很小，CV值不大，可以进行后续测试对比分析。

2.2 不同混合比对聚酯针刺过滤材料的孔径大小及分布的影响

孔径及分布反映了过滤材料的内部结构，是过滤材料的一项重要指标，表示材料具有不同形状大小的孔隙，可反映其过滤性能。平均孔径反映材料整体过滤能力，最大孔径值则反映滤材缺陷，孔径分布反映各种尺寸孔径的百分比，它们都可用来评价材料阻止粉尘颗粒通过的能力[3，15-16]。

试验用泡点法测试孔径，而其与压汞法相比，能够减小结构压缩对测定结果的影响，更适用于纤维过滤材料孔径特征的测定[3，17-18]。通过分析对比不同细度纤维的不同混合比对孔径及孔径分布的影响，可以分析其对过滤材料过滤性能的影响。样品1～6的孔径测试结果如表2所示，孔径分布如图1所示。

从表2可知，由细度较大的纤维与细度较小的纤维分别制成的过滤材料，孔径差别明显，细度较大的纤维制成的产品，孔径更大。如100% 6.67 dtex聚酯纤维制成的针刺毡模态孔径为102.78 μm，而100% 2.22 dtex聚酯纤维制成的针刺毡模态孔徑为12.46 μm，这两者差异非常显著，模态孔径为孔径分布中占最大比例所对应的孔径，模态孔径所占的比例越高，表明孔径分布越集中、均匀;由表2还可知，模态孔径、最大孔径、中值孔径、平均流孔径等的大小与纤维混合比都有着显著关系，随着细度为2.22 dtex聚酯纤维比例的增加，其孔径大小都明显地降低。

由图1可看出，6组样品的模态孔径所占的比例差异不大，其所占比例大都在60%左右，表明模态孔径分布比较集中一致，模态孔径所占的比例与纤维的混合比关系不大。

从图1还可知，孔径分布范围与纤维粗细及比例有关，粗纤维制成的过滤材料孔径分布范围大，细纤维制成的过滤材料孔径分布范围小，粗纤维中加入一定量的细纤维可以降低孔径分布范围。100% 6.67 dtex聚酯纤维制成的过滤材料，孔径分布最大，其孔径分布为55～139 μm，100% 2.22 dtex聚酯纤维制成的样品，孔径分布最小，其孔径分布为12～23 μm。而样品2～5，随着细纤维的比例增加，样品的孔径分布范围减小，分别为74～151、14～112、14～60、40～93 μm。

2.3 不同混合比对针刺过滤材料模态孔径的影响

模态孔径为孔径分布中占最大比例所对应的孔径，模态孔径所占比例越高，表明孔径分布越集中、均匀。模态孔径与纤维混合比关系如图2所示。

由图2可看出，模态孔径与纤维混合比呈多项式关系，随着细度为2.22 dtex的聚酯纤维比例增加，模态孔径呈下降趋势，其多项式关系为y=-0.632 7x2-11.497x+110.57，相关系数R2为0.943 7，表明模态孔径与纤维混合比关系的相关性很高。

2.4 不同混合比对针刺过滤材料平均流孔径的影响

平均流孔径为湿流量压力值是干流量压力值一半时对应的孔径值。由图3可以看出，随着细度为2.22 dtex的聚酯纤维比例增加，平均流孔径呈线性关系下降，其线性关系为y=-16.405x+119.18，相关系数R2为0.924 8，表明平均流孔径与纤维混合比关系的相关性很高。

2.5 不同混合比对针刺过滤材料透气性能的影响

透气性作为过滤性能的指标之一，直接影响着过滤材料的流量阻力，是过滤效果的重要指标之一[5，11]。平均透气率与纤维混合比关系如图4所示。

由图4可看出，随着细度为2.22 dtex的聚酯纤维比例增加，透气率呈指数关系下降，其指数关系为y=3 170.9e-0.193x，相关系数R2为0.949 5，表明透气性与纤维混合比关系的相关性很高。这是因为在与其他参数相同的条件下，纤维越细，产品单位体积内的纤维根数就越多，纤维网中纤维之间的接触点也就越多，抱合力就会增强，试样内部结构紧密，使得透气量降低。同时透气量的大小取决于非织造布空隙的大小和多少，根据前面的测试和分析可知纤维细度越细，过滤材料中孔径越小，孔径分布也越集中，因此空气透过纤网的阻力变大，使得透气量减小。

3 结 论

以2.22 dtex和6.67 dtex两种细度的聚酯纤维为原料，采用非织造技术制备了过滤材料，研究不同混合比对孔径、孔径分布及透气性的影响规律，并对其进行了性能测试分析得到以下结论：

a）过滤材料中不同细度纤维的比例对其孔径大小及孔径分布影响很大。细纤维占的比例越多，过滤材料的孔径越小，孔径分布越集中;随着细度为2.22 dtex聚酯纤维比例增加，模态孔径、最大孔径、中值孔径及平均流孔径等都显著降低。

b）随着细纤维比例的增加，模态孔径与纤维混合比呈多项式的关系下降，其相关系数R2为0.943 7;而过滤材料的平均流孔径随细纤维比例的增加呈线性关系下降，其相关系数R2为0.924 8。

c）不同细度的纤维比例对透气性能的影响也很大。随着细纤维比例的增加，过滤材料的透气率显著下降，透气率与纤维混合比呈指数下降关系，其相关系数R2为0.949 5。

d）其研究的规律对针刺过滤材料的生产实践具有很好实际意义。

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