聚丙烯非織造針刺過濾材料性能的測試與研究

趙博

摘 要：測試了4種聚丙烯非織造針刺過濾材料的性能，分析和比較了不同試樣的濾料表面形態(tài)、克重、斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率、頂破強(qiáng)力、透氣量、透濕性、容塵量等，實(shí)驗(yàn)和測試過程中發(fā)現(xiàn)聚丙烯非織造針刺過濾材料的斷裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力、斷裂伸長率、透氣量、透濕性等均與克重和厚度有一定的相關(guān)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出聚丙烯非織造針刺過濾材料具有獨(dú)特的性能，適合開發(fā)各類功能性過濾產(chǎn)品，在紡織工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用性。

關(guān)鍵詞：過濾;針刺;聚丙烯非織造布;性能測試

中圖分類號：TS171? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-2346（2018）04-0012-07

隨著生活水平的不斷提高，人們對生活質(zhì)量與生活環(huán)境的要求越來越高，對環(huán)境問題日益重視起來。但在工業(yè)發(fā)展過程中，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，尤其是土壤污染、大氣污染和水污染等，這是目前全世界面臨的首要問題。各類過濾材料在空氣凈化中起到了重要的作用，非織造過濾材料以其優(yōu)良的特性，得到廣泛應(yīng)用，成為過濾材料研究及產(chǎn)品開發(fā)的熱點(diǎn)。[1]

為了對聚丙烯非織造針刺過濾材料的性能有一個(gè)比較全面的了解，本文對4種聚丙烯非織造針刺過濾材料進(jìn)行了詳細(xì)的測試與研究，包括4種非織造過濾材料的基本性能、力學(xué)性能、通透性、過濾效率等。通過實(shí)驗(yàn)和測試，分析了影響4種聚丙烯非織造針刺過濾材料的物理性能及力學(xué)性能的因素，對提高聚丙烯非織造針刺過濾材料產(chǎn)品的質(zhì)量具有一定的實(shí)際意義，對合理選用非織造過濾材料具有一定的參考價(jià)值。

1? ? 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料 聚丙烯針刺過濾非織造布。

1.2 試驗(yàn)方法 采用厚度測試儀測織物的厚度，采用織物強(qiáng)力儀測強(qiáng)力，采用數(shù)字式織物透氣量儀測透氣性，其它物理性能的測試均采用有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的測試方法。

1.3 試驗(yàn)條件 溫度25℃，相對濕度65%。

1.4 試驗(yàn)儀器： Fast-1型厚度測試儀、電子天平、ZHX-600D型電子顯微鏡、YG026-250型多功能織物強(qiáng)力儀、YG065H電子織物強(qiáng)力機(jī)、YT030N土工布有效孔徑測定儀、VHX-600型數(shù)字式纖維測量顯微儀、YG461型織物透氣測量儀、YG（B）461D型數(shù)字式織物透氣量儀、YG501N-Ⅱ紡織品透濕量儀等。

2 聚丙烯針刺過濾非織造布的主要性能測試與分析[2-5]

2.1? ? 實(shí)驗(yàn)材料種類

選用4種聚丙烯針刺過濾非織造材料，試樣編號見表1。

2.2? ? 過濾材料的分類和作用

過濾材料一般是指過濾介質(zhì)[6]，它必須滿足3個(gè)基本要求：過濾效率、產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)越的物理化學(xué)性能。過濾材料包括濾芯、汽車過濾、空氣過濾、膜過濾、液體過濾和濾袋空氣過濾等，過濾材料在原料的提純、空氣凈化、水凈化和廢棄污染物排放等工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著十分重要的作用，它在環(huán)保、衛(wèi)生、節(jié)能和降低成本等方面起著關(guān)鍵的作用。

過濾材料按織造方式可分為機(jī)織物過濾材料、針織物過濾材料和非織造布過濾材料。利用非織造技術(shù)加工而成的過濾材料，主要包括針刺、熔噴、紡粘、水刺等。

2.3? ? 過濾理論

過濾是指在推動力或者其他外力作用下，流體中的液體或氣體通過介質(zhì)，固體顆粒及其他物質(zhì)被過濾介質(zhì)截留，從而使固體及其他物質(zhì)與液體或氣體分離的操作。[6-7]過濾理論由早期的經(jīng)典過濾理論發(fā)展到現(xiàn)代的過濾理論及微孔過濾理論。根據(jù)現(xiàn)代的過濾理論，過濾機(jī)理基本包括6類：慣性沉降、淺層過濾、隨機(jī)擴(kuò)散、攔截機(jī)理、凝聚作用和靜電作用。前5類機(jī)理都可用于解釋非織造過濾材料的過濾原理。非織造粗效過濾和中效過濾材料最為常用的是攔截機(jī)理和淺層過濾。

非織造材料中的纖維呈現(xiàn)雜亂分布狀態(tài)，所以材料具有致密三維立體結(jié)構(gòu)，過濾時(shí)顆粒物容易被攔截下來，所以在過濾領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用比較多。在粗效過濾和中效過濾中，運(yùn)用較多的是攔截機(jī)理，即在錯綜復(fù)雜纖維網(wǎng)一層一層的篩選和過濾，因此傳統(tǒng)的過濾無法達(dá)到一次就能達(dá)到完全除塵的效果。

2.4? ? 針刺過濾聚丙烯非織造材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)

2.4.1? ? 實(shí)驗(yàn)步驟? ? 在200倍放大情況下觀察纖維排列和形態(tài)結(jié)構(gòu)。

2.4.2? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果? ? 圖1～圖4是在200倍放大情況下觀察到的纖維排列和形態(tài)結(jié)構(gòu)。

2.4.3? ? 實(shí)驗(yàn)分析

在200倍數(shù)下，通過顯微鏡對4 種材料的進(jìn)行觀察，通過照片分析材料中纖維排列和結(jié)構(gòu)特征。

圖1～圖4所示的材料形態(tài)結(jié)構(gòu)為4種濾料的纖維分布情況，放大倍數(shù)為200倍。從圖中可以明顯看出，4種材料中纖維基本呈雜亂分布。這是因?yàn)榫郾┽槾踢^濾非織造布，是由纖維網(wǎng)經(jīng)過針刺機(jī)的固結(jié)作用而形成的，該纖維在纖維網(wǎng)中以交叉、纏繞和鉤接等形式存在，纖維之間存在大小不同、結(jié)構(gòu)不同和相互纏結(jié)等現(xiàn)象。

2.5? ? 過濾材料的直徑（表2）

非織造材料中纖維的粗細(xì)程度，不僅直接影響材料的過濾性能，而且也影響材料的克重、厚度以及斷裂強(qiáng)力等性能指標(biāo)。

由表2可知，1#樣品材料的直徑最大，3#樣品材料的直徑最細(xì)，2#和4#樣品材料的直徑接近。4種濾料的CV值的差異很大，這與它們的加工機(jī)理和纖維粗細(xì)及纖維分布狀態(tài)和規(guī)律等有關(guān)。

2.6? ? 過濾材料的厚度（表3）

從表3可以看出，聚丙烯針刺過濾非織造材料的厚度隨面密度的增加而增加。3#過濾材料的厚度最小，2#過濾材料的厚度最大，1#和4#過濾材料的厚度基本接近。主要原因是與過濾材料的厚度、面密度大小等有一定的正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)面密度增大時(shí)，其厚度增加;反之，厚度則減小。

2.7? ? 過濾材料的面密度（表4）

聚丙烯針刺過濾非織造材料的面密度（克重）與濾料的纖維種類、纖維密度和厚度等有關(guān)。

由表4可知，4種聚丙烯針刺過濾非織造材料樣品面密度數(shù)值大小規(guī)律與材料的厚度規(guī)律一致，3#材料樣品的面密度最小，2#最大，1#和4#材料樣品的面密度基本接近，這也間接說明了克重、厚度與面密度之間的相互關(guān)系，克重越大，材料樣品則越厚;克重越小，材料樣品則越薄。CV值反映了材料的重量不勻情況，即材料的均勻性，這主要與生產(chǎn)方法和工藝參數(shù)等有關(guān)。

2.8? ? 過濾材料的力學(xué)性能

表 5為實(shí)驗(yàn)中測出的4種試樣的斷裂強(qiáng)力。

按下式計(jì)算試樣的斷裂強(qiáng)度：

式中：R―斷裂強(qiáng)度，單位為cNm/g;P―斷裂強(qiáng)力，單位為cN;b―試樣寬度，單位為m; m―試樣定量，單位為g/m2。

計(jì)算所得數(shù)據(jù)見表6。

由表6可以看出，4種聚丙烯針刺過濾非織造材料均呈現(xiàn)以下規(guī)律：緯向斷裂強(qiáng)度>斜向斷裂強(qiáng)度>縱經(jīng)向斷裂強(qiáng)度;這說明材料的力學(xué)性能在不同方向有一定的差異，之所以表現(xiàn)為橫向強(qiáng)力大，這與材料的加工工藝等有關(guān)。4種材料均為短纖維梳理成網(wǎng)（干法成網(wǎng)）加工而成，在生產(chǎn)過程中材料要經(jīng)過機(jī)械鋪網(wǎng)、多級小倍數(shù)牽伸等加工，這樣就導(dǎo)致材料中的大部分纖維呈橫向分布。從表6中還可以看出，斷裂強(qiáng)度與材料厚度和定量有一定的相關(guān)關(guān)系，即隨著聚丙烯針刺過濾非織造材料厚度和定量的增加，材料的各向強(qiáng)力都在增大。

2.9? ? 過濾材料的頂破強(qiáng)力（表7）

在非織造過濾材料中，大多數(shù)情況下要被加工成過濾袋，因此濾料會被加工彎曲狀態(tài)，如果濾料頂破強(qiáng)力較小，則無法發(fā)揮其有效的過濾作用。

由表7可看出，4 種聚丙烯針刺過濾非織造材料的頂破強(qiáng)力規(guī)律為：2#>1#>4#>3#，頂破強(qiáng)力與材料厚度和定量有一定的相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)?當(dāng)厚度和面密度增加時(shí)，纖維間排列纏結(jié)更緊密，每個(gè)固結(jié)點(diǎn)上所作用的纖維數(shù)量越多，纖維間的摩擦力和抱合力等較大，因此，當(dāng)過濾材料受到頂破時(shí)，厚度和面密度越大的過濾材料，就會越不易受到力的作用而產(chǎn)生過大的移動，這樣頂破所需要的力就越大，所以，過濾材料的厚度和面密度越大，則頂破強(qiáng)力也就越大。

2.10? ? 過濾材料的過濾性能

過濾材料的性能是否優(yōu)良，主要看其過濾性能是否優(yōu)良。過濾性能主要包括：有效孔徑、容塵量及過濾效率。通過測量有效孔徑大小來表達(dá)過濾材料的過濾性能。有效孔徑與過濾材料可以攔截的顆粒物大小有關(guān)。濾料的孔徑與濾料的克重、過濾性能、透氣性、透濕性等有關(guān)，并由鋪網(wǎng)的方式、加工工藝方法等決定。

實(shí)驗(yàn)儀器采用YT030N土工布有效孔徑測定儀。試驗(yàn)方法為：采用的是干篩法，用過濾材料作為篩布，將已知直徑的標(biāo)準(zhǔn)顆粒放在過濾材料上振篩，稱量通過過濾材料的標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料質(zhì)量，計(jì)算通過率，調(diào)換不同直徑顆粒材料進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)將試樣與標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料，同時(shí)放在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，并進(jìn)行調(diào)濕平衡，支撐篩網(wǎng)直徑為200mm，標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)橫向搖動頻率（220？0）次/min;回轉(zhuǎn)半徑（12？）mm。每種過濾材料測試3組，共12組，每一組測試10次，然后計(jì)算平均值。標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料稱取50g，標(biāo)準(zhǔn)顆粒通常可選用玻璃珠，應(yīng)該潔凈，進(jìn)行清洗和烘干。標(biāo)準(zhǔn)顆粒直徑單位為毫米（mm）。然后均勻撒在過濾材料上，將篩框、試樣和接收盤夾緊在振篩機(jī)上，開動機(jī)器，搖篩式樣10min。關(guān)機(jī)后稱取標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料質(zhì)量，并記錄，重新?lián)Q試樣。直至取得不少于3組連續(xù)分段標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料的過篩率，并且有1組的過篩率低于5%。表8為孔徑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

按下式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)顆粒物通過率：? ?=

式中：―標(biāo)準(zhǔn)顆粒通過率，單位（%）;m―透過濾料的標(biāo)準(zhǔn)顆粒質(zhì)量（g）;G―標(biāo)準(zhǔn)顆粒物的總質(zhì)量（g）。計(jì)算得到4種材料標(biāo)準(zhǔn)顆粒通過率，如表9所示。

由表9可以看出，過濾材料的標(biāo)準(zhǔn)顆粒物通過率情況為：1#濾料的有效孔徑為0.25mm;2#濾料的有效孔徑為0.18mm;3#濾料的有效孔徑為0.45mm;4#濾料因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)顆粒直徑0.25mm到0.45mm之間沒有其他更小標(biāo)準(zhǔn)顆粒直徑，因此可判定4#濾料的有效孔徑在0.25mm到0.45mm之間。

2.11? ? 過濾材料的透氣性（表10）

由于濾料材料的透氣性直接影響濾料的過濾效率，因此在許多領(lǐng)域，要求濾料具有較好的透氣性。濾料材料的透氣性與濾料的孔隙、厚度等有關(guān)。透氣量影響著過濾材料在使用時(shí)的空氣阻力大小。濾料的透氣量越大，則過濾時(shí)空氣阻力也越小。

由表10可以看出，1#濾料的透氣量平均值為545.28mm/s，2#濾料的透氣量平均值為796.16mm/s，3#濾料的透氣量平均值為1056.01mm/s，4#濾料的透氣量平均值為1286.86mm/s。由此可知，4種非織造布的透氣性不同，這與材料中纖維間孔隙大小、纖維分布規(guī)律及纖維粗細(xì)等有關(guān)。由表10也可以看出，孔隙率隨著試樣面密度的增加而減少。當(dāng)材料的厚度和面密度增加時(shí)，這會使纖維間糾纏度、摩擦力和抱合力增大，并使密度增大，導(dǎo)致纖維之間的空隙減少;當(dāng)濾料的厚度和面密度增大時(shí)，透氣性越小;反之，透氣性則越大。

2.12? ? 過濾材料的透濕性（表11）

濾料主要是在濕潤的條件下被使用的，這就要求濾料具有一定的透濕性。透濕量也是用來表征材料的通透性能的重要指標(biāo)。一般情況下透濕量越大，材料的通透性能則越好。

從表11可以得出，透濕量的變化規(guī)律為：2#>1#>4#>3#。4種非織造布的透濕性不同，這與試樣中纖維間孔隙大小有一定的相關(guān)關(guān)系。隨面密度和厚度增加，纖維間纏結(jié)會更加緊密，導(dǎo)致纖維之間的抱合力和摩擦力加強(qiáng)，使孔隙減少，最終導(dǎo)致透濕量也減少，這樣材料的透濕性也就越低。

2.13? ? 過濾材料的容塵量

容塵量是在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，過濾材料能容納試驗(yàn)粉塵的重量。容塵量越大，過濾材料的過濾性能越好。容塵量是指未通過的標(biāo)準(zhǔn)顆粒物的重量。實(shí)驗(yàn)儀器采用YT030N土工布有效孔徑測定儀

試驗(yàn)方法為：因沒有依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)4種濾料的實(shí)際有效孔徑，均采用直徑0.18標(biāo)準(zhǔn)顆粒物20g、直徑0.25mm標(biāo)準(zhǔn)顆粒物20g和直徑0.45mm標(biāo)準(zhǔn)顆粒物20g，3種標(biāo)準(zhǔn)顆粒物總共60g，均勻混合。模擬粉塵經(jīng)過4 種過濾材料過濾后的情況變化，并在3D顯微鏡下觀察其結(jié)構(gòu)形態(tài)等情況。

試驗(yàn)時(shí)將試樣與標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料同時(shí)放在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下進(jìn)行調(diào)濕平衡，支撐篩網(wǎng)直徑為200mm，標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)橫向搖動頻率（220？0）次/min;回轉(zhuǎn)半徑（12？）mm。每種過濾材料測試10次，共40組。表12為容塵量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從表12 可以知道，未通過的標(biāo)準(zhǔn)顆粒物就為其容塵量。未通過濾料1#的標(biāo)準(zhǔn)顆粒物的質(zhì)量為43.76g，為四種濾料中最大，所以它的容塵量也是最大的。未通過濾料4#的標(biāo)準(zhǔn)顆粒物質(zhì)量為3.25g，為四種濾料中最小的，所以它的容塵量也是最小的。

3? ? 結(jié)語

通過測量4種聚丙烯非織造針刺過濾材料的性能和特點(diǎn)，可以得出以下結(jié)論：聚丙烯非織造針刺過濾材料中纖維是雜亂分布的。它的各種性能都與纖維直徑、纖網(wǎng)厚度、纖維結(jié)構(gòu)面密度和厚度均勻性等有關(guān)，厚度和面密度越大，它的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率、頂破強(qiáng)力和容塵量就越好。透氣性和透濕性與過濾材料的面密度和厚度的大小成一定的正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)材料厚度、克重增大時(shí)，透氣性和透濕性降低;反之，材料的透氣性和透濕性都增大。

參考文獻(xiàn)

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Test and Study of Properties of Polypropylene Nonwoven Needle-Punched Filtration Material

ZHAO Bo

（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou，Henan 450007，China）

Abstract： The properties of four kinds of polypropylene nonwoven needle-punched filter materials were tested. The surface morphology，gram weight，breaking strength，elongation at break，top breaking strength，air permeability，moisture permeability and dust tolerance of different samples were analyzed and compared.In the course of experiment and test，it was found that the breaking strength，top breaking strength，elongation at break，air permeability and moisture permeability were all related to gram weight and thickness.The experimental results show that polypropylene nonwoven needle-punched filter material has unique properties and is suitable for the development of various functional filtration products and has wide application in textile industry.

Key words： filtration;needle-punch;polypropylene nonwovens;performance test