PET纖維截面形狀對液體過濾材料過濾性能的影響

李蘭振 徐桂龍 曾靖山 梁云

摘要： 對3種不同截面形狀（圓形、三葉形和豐字形）的PET纖維進行了形貌分析及水中分散性能研究，通過將其與闊葉木閃急漿混抄制備過濾材料，探究了PET纖維截面形狀對過濾材料液體過濾性能的影響。結果表明，PET纖維含量相同時，相比于含圓形PET纖維的過濾材料，含三葉形和豐字形PET纖維的過濾材料在過濾效率、流阻、納污容量等過濾性能方面都有不同程度的改善。三葉形纖維更有利于提高過濾材料的過濾效率，而豐字形纖維更有利于提高過濾濾材的納污容量、降低濾材的過濾阻力。當PET纖維含量為40%時，相比于含圓形PET纖維的濾材，含三葉形和豐字形PET纖維過濾材料的納污容量分別增加了32.1%、26.5%;對粒徑14 μm顆粒的過濾效率分別提高了13.1%、6.1%。液體流量在4 L/min時，流阻分別降低了26.6 %、28.5%。

關鍵詞：PET纖維;纖維截面形狀;過濾材料;液體過濾性能

中圖分類號：TS722 ?文獻標識碼：A ?DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.11.004

Abstract： The morphology analysis and dispersion properties in water of three kinds of PET （polyester） fibers with different cross sectional shapes （circular， trilobal and feng-shape） were studied. The effect of PET fibers cross sectional shape on the filtration performance of liquid filter media was investigated by preparing the filter media via mixing the PET fiber with hardwood flash dried pulp. The results showed that when the PET fiber content was the same， compared with the filter media containing circular PET fiber， the filter media with trilobal or feng-shaped PET fiber had relatively better filtration performance， including filtration efficiency， flow resistance and pollutant adsorbing capacity. The trilobal fiber was more conducive to improve the filtration efficiency of filter media， while the feng-shaped fiber was more beneficial to increase the pollutant adsorbing and reduce the filtration resistance of filter media. Furthermore， the pollutant adsorbing of filter media containing 40% trilobal-shaped and feng-shaped PET fibers were respectively increased by 32.1% and 26.5%， compared with that containing the same amount of round PET fibers. Simultaneously， the filtration efficiency for 14 μm particle increased by 13.1% and 6.1%， respectively. When the flow rate was 4 L/min， the flow resistance decreased by 26.6% and 28.5%， respectively.

Key words： PET fiber ; fiber cross sectional shape; filter material; liquid filtration performance

液體過濾已經滲透到了工業(yè)、農業(yè)、國防、科研等各方面，從航空工業(yè)的液壓系統過濾、航空煤油過濾到食品飲料工業(yè)的礦泉水、酒類、果汁過濾;從醫(yī)藥衛(wèi)生工業(yè)的藥液、血液過濾到石油工業(yè)的油田注水過濾;從化學工業(yè)的有機溶劑過濾到電子工業(yè)的高純水預過濾等，其重要作用顯而易見。液體過濾材料的開發(fā)也一直是人們致力解決的問題[1]。纖維作為過濾材料的主要組成部分，其特性對過濾材料的結構和性能有著至關重要的影響[2-3]。

近50年來，國內外學者對纖維過濾材料的性能進行了大量的研究，隨著技術的發(fā)展，合成纖維形態(tài)的多樣化及性能的提升，使其在過濾領域得到廣泛應用，尤其是非圓形截面的纖維受到了愈來愈多的關注[4-5]。早在1998年，美國Reemay公司開發(fā)出5種新型過濾纖維制品，其中在Reemay紡黏法聚酯和Tekton紡黏法聚丙烯過濾材料中就使用了纖度不同的褶皺圓形纖維和三葉形纖維，該過濾材料具有較優(yōu)的容納污垢能力和很低的壓降，可用于空氣過濾或液體過濾[6]。三葉形截面的P84尼龍纖維被用在抗熱針刺氈過濾袋中，具有增加過濾表面積的作用[7]。Sánchez等人[8]在研究三葉形PET纖維、圓形PI纖維對過濾器捕灰性能的影響時發(fā)現，當氣溶膠流速為0.1 m/s時，含三葉形纖維的濾清器對顆粒尺寸小于1.1 μm的捕集效率高于圓形纖維。仲昭琳[9]將4種截面形狀的纖維添加到過濾材料中發(fā)現，纖維的截面形狀影響過濾材料的物理性能，同時也發(fā)現含不同纖維的過濾材料在液體過濾性能上也表現出一定的差異。Huang 等人[10]采用LB-CA模型模擬了幾種典型的非圓形截面纖維過濾顆粒的過程，結果表明，非圓形纖維過濾過程中的壓降取決于纖維的取向角和長寬比，擴散捕集效率幾乎與取向角無關，但與纖維的長寬比成比例。Wang等人[11]通過Zhukovsky轉換對弧形纖維的流場進行了探討;Fotovati等人[12]對不同尺寸和縱橫比的三葉形纖維對壓力損失和捕集效率的影響進行了探究。以上研究均表明纖維截面形狀可以影響顆粒在空氣過濾中的捕集效率和過濾效果，但對于纖維截面形狀和含量對液體過濾性能的影響研究甚少。

本實驗選取圓形、三葉形和豐字形PET纖維與闊葉木閃急漿配抄，制備液體過濾材料，對PET纖維形態(tài)和分散性能進行研究。通過多通試驗臺對過濾材料的流阻、過濾效率、納污容量進行檢測，分析了3種截面形狀的PET纖維對液體過濾性能的影響，為研究長壽命、高精度的液體過濾材料提供依據。

1 實 驗

1.1 實驗原料

圓形PET纖維：長度5 mm，纖度2.2 D，帝人株式會社;三葉形PET纖維：長度5 mm，纖度2.2 D，帝人株式會社;豐字形PET纖維：長度38～41 mm，纖度6 D，4 DG Fiber Innovation Technology， Inc;闊葉木閃急漿：進口桉木硫酸鹽閃急干燥漿（以下簡稱闊閃漿）;十六烷基三甲基溴化銨（陽離子表面活性劑）：型號 K12，廣州榕晟化工有限公司;酚醛樹脂：自制;試驗油液：YH-10航空液壓油;試驗粉塵：ISO 12103-1 A3中級（簡稱A3灰）。

1.2 實驗設備

哈氏切片器：上海實驗儀器廠有限公司;掃描電子顯微鏡：型號G2Pro Y，荷蘭Phenom-World公司;索尼相機：型號ILCE-5000，上海索廣電子有限公司;纖維分散觀測器：自制;標準纖維疏解機：型號No.2530，日本KRK公司;KRK自動抄片器：型號No.2542-A，日本KRK公司;平板干燥器：型號Emerson 140，美國Emerson公司;多通試驗臺：九江七所精密機電科技有限公司;紅外快速干燥箱：型號WS 70-1，上海滬越實驗儀器有限公司;精密電子天平：型號JA 2003，上海舜宇恒平科學儀器有限公司;超聲波清洗器：型號KQ 2200E，昆山市超聲儀器有限公司;抽濾裝置：型號YH-23，青島儀航實驗設備有限公司。

1.3 過濾材料制備

1.3.1 纖維原料的處理

豐字形纖維來源于服裝行業(yè)，纖維長度約38～41 mm，無法直接用來抄造，通過人工剪切至5 mm，備用;形貌如圖1和圖2所示。

1.3.2 液體過濾材料的制備

圓形、三葉形和豐字形PET纖維分別按20%、30%、40%的含量與闊閃漿配抄9種液體過濾材料。為提高過濾材料的強度以滿足液體過濾測試，實驗前對9種過濾材料進行浸膠處理。

1.4 表征及檢測

1.4.1 纖維截面形貌的觀察

為了更清晰、更方便地觀察纖維的截面形貌，采用哈氏切片器進行制樣，使用掃描電子顯微鏡觀察3種纖維的截面形態(tài)，采用Nano Measure軟件對纖維截面尺寸進行測量。

1.4.2 纖維在水中的分散性能

現階段對纖維分散性的表征手段主要有兩種：理論分析和觀測拍照。理論分析主要是通過對比纖維、分散介質的相關性能與纖維分散性的關系，從而得出影響纖維分散性的因素與作用機理，Song等人[13]研究了分散介質與纖維的潤濕性能對纖維分散性的關系，得出了分散介質的性能對纖維分散性的影響。Kerekes等人[14]引入“擁擠因子（N）”來表征纖維的長度和纖維在分散介質中的濃度對纖維分散性的影響，結果表明擁擠因子可以有效地反映纖維之間的接觸狀態(tài)以及發(fā)生絮聚的趨勢，纖維間發(fā)生絮聚的趨勢是影響紙張良好成形的一個非常重要的因素。纖維分散性觀測結果是纖維分散性理論研究的基礎，所以準確觀測纖維在分散介質中的分散狀態(tài)十分重要。

本實驗通過拍攝纖維在水中分散狀態(tài)的照片來分析對比3種PET纖維分散性能的優(yōu)劣。將疏解好的0.01 g的纖維原料倒入纖維分散觀察器，用玻璃棒攪拌后觀察纖維的分散情況。對于絮聚的纖維，首先利用超純水將陽離子表面活性劑稀釋至 0.1%（質量分數），然后利用微量進樣器以0.1 mL的梯度將表面活性劑依次添加至PET纖維溶液（1000 mL）中，并利用纖維分散儀觀察纖維分散性，用相機對纖維形態(tài)拍照，當PET纖維分散狀態(tài)不再改變時，停止添加表面活性劑，對比表面活性劑對纖維分散性能的影響。

1.4.3 過濾性能檢測

采用多通試驗臺，按照ISO 16889標準，測試9種過濾材料的流阻、過濾效率和納污容量。

2 結果與討論

2.1 PET纖維形態(tài)分析

圖3 為PET纖維截面的SEM圖。從圖3中可以看出，圓形PET纖維的截面是非常規(guī)整的圓形;三葉形PET纖維有3個相同的葉片，形成3個凹槽，連接葉片的頂端近似構成等邊三角形;豐字形PET纖維具有8個葉片，呈對稱分布，具有8個明顯的凹槽結構，像“豐”字。

采用Nano Measure軟件對纖維的截面尺寸多次測量，對測試結果取平均值。圓形纖維直徑約為15 μm，三葉形截面長度約為18 μm，豐字形纖維的葉片長度約3～8 μm，寬度約2～5 μm，截面的長度約40 μm。

纖維在水中均勻分散，實現纖維之間的良好交織，是優(yōu)良紙張濕法成形的關鍵[15]。圖4為3種PET纖維的分散效果圖。由圖4（a）和圖4（b）可以看出，圓形PET纖維和三葉形PET纖維在水中均勻地分布，無明顯的絮聚現象，從圖4（c1）可以看出，豐字形PET纖維在水中分散穩(wěn)定后呈現出明顯的絮聚現象，而從圖4（c2）可以看出，加入表面活性劑后，豐字形PET纖維絮聚團顯著減小，纖維均勻分散性提高。這主要是因為豐字形PET纖維截面長度較長，有伸出的葉片，且與圓形PET纖維相比，豐字形PET纖維剛性較小，比較柔軟，導致纖維之間容易纏繞絮聚。由于PET纖維表面有油劑，當加入陽離子表面活性劑后，由于表面活性物質的兩親結構（一端親水、一端疏水），使其吸附在纖維的表面上，纖維表面性質發(fā)生改變，從而使得纖維表現出親水性，在水中均勻分散開。

2.3 PET纖維截面形狀對流阻的影響

圖5為纖維截面形狀和含量對過濾材料過濾性能的影響。從圖5可以看出，隨著流量增加，過濾材料流阻不斷增加。這是由于隨著流量增加，液體穿過纖維層的流速加快，流體能量損失增加;另一方面，流速大的流體穿過纖維層時更容易形成渦流，從而使流體能量損失增加，表現為流阻增大。

相同流量下從截面形狀上看，含圓形PET纖維過濾材料的流阻明顯高于含三葉形和豐字形PET纖維的過濾材料。這是因為與圓形PET纖維相比，三葉形和豐字形PET纖維的結構具有明顯的不規(guī)整性，且三葉形和豐字形PET纖維的截面尺寸大于圓形PET纖維，從而纖維之間交織形成的孔隙較大，當流體穿過孔隙較大的纖維層時受到的阻力較小，因此相同流量下含三葉形和豐字形PET纖維過濾材料的流阻低于含圓形PET纖維的過濾材料。

相同流量下，當PET纖維含量從20%增加到40%時，過濾材料的流阻均逐漸減小，含三葉形和豐字形PET纖維過濾材料流阻的減小量大于含圓形PET纖維的過濾材料。當液體流量為4 L/min，PET纖維含量為40%時，相比于圓形PET纖維，含三葉形和豐字形的PET纖維過濾材料流阻分別降低了26.6%和28.5%。這是由于當PET纖維含量增加時，過濾材料結構更疏松，纖維間孔隙增大，流體穿過纖維層所受的阻力減小，宏觀表現為流阻降低。三葉形和豐字形PET纖維對過濾材料的結構影響更大，纖維間交織形成的孔隙較大，流體穿過纖維層所受的阻力減小，從而流阻降低的程度大于含圓形PET纖維的過濾材料。

2.4 PET纖維截面形狀對過濾效率的影響

過濾效率指的是過濾材料對不同尺寸顆粒污染物的濾除能力，過濾效率高的過濾材料才能更有效地濾除污染物。表1為過濾材料分別對4 μm、6 μm和14 μm 3種尺寸顆粒的過濾效率。

從表1可以看出，同一形狀的PET纖維，當PET纖維含量從20%增加到40%時，過濾材料的過濾效率逐步降低，這是因為隨著PET纖維含量的增加，過濾材料的松厚度增加，孔徑增大，顆粒從纖維層通過時，更多的顆粒物穿過過濾材料，從而過濾材料的過濾效率降低。

當PET纖維含量相同時，含三葉形PET纖維的過濾材料對尺寸為4 μm、6 μm以及14 μm的顆粒的過濾效率均高于含圓形PET纖維的過濾材料，豐字形PET纖維過濾材料對尺寸為14 μm顆粒的過濾效率高于含圓形PET纖維過濾材料，特別是當PET纖維含量為40%時，對尺寸為14 μm的顆粒，3種過濾材料過濾效率的差別更為顯著，含三葉形以及豐字形PET纖維過濾材料的過濾效率分別比含圓形纖維過濾材料高了13.1%和6.1%。盡管與含圓形PET纖維的過濾材料相比，含三葉形和豐字形PET纖維過濾材料的孔隙較大，顆粒較容易從纖維層穿過，過濾過程中機械篩濾作用較弱，特別是豐字形PET纖維，纖維截面尺寸較大，從而纖維間搭接形成的孔隙較大，所以顆粒物更容易穿過纖維間的孔隙，使過濾效率降低。然而由于三葉形和豐字形PET纖維表面明顯的凹槽結構增加了過濾材料Z向結構的復雜程度[16-17]，顆粒穿過纖維層時，顆粒和纖維碰撞的概率大大增加，從而使過濾材料的過濾效率增加。此外，當流體流經三葉形和豐字形PET纖維時，纖維表面明顯的凸起和凹槽結構使得流體很容易形成渦流，從而顆粒的動能大大損失，顆粒物更容易被纖維捕集，而尺寸越大的顆粒物質量越大，顆粒從凹槽內逃脫需要的動量就會越大，所以尺寸較大的顆粒從纖維凹槽內逃脫的概率較低，導致含三葉形和豐字形PET纖維過濾材料的過濾效率高于含圓形PET纖維過濾材料。

2.5 PET纖維截面形狀對納污容量的影響

納污容量是過濾材料持續(xù)加污染物到一定阻力時，單位面積上所容納污染物的質量。納污容量反映了過濾材料的使用壽命，提高納污容量也是降低成本的重要途徑之一。實驗中過濾材料的終止阻力為100 kPa，圖6為PET纖維截面形狀和含量對過濾材料納污容量的影響。

從圖6中可以看出，PET纖維含量相同時，含三葉形和豐字形PET纖維過濾材料的納污容量大于含圓形PET纖維過濾材料，當纖維含量從20%增加到40%時，含圓形、三葉形、豐字形PET纖維過濾材料的納污容量分別增加了21.8%、32.1%、26.5%，可見，三葉形和豐字形PET纖維對過濾材料納污容量的影響更大。這是由于當PET纖維含量從20%增加到40%時，與含圓形PET纖維過濾材料相比，含三葉形和豐字形PET纖維過濾材料的結構更疏松，顆粒物更容易進入過濾材料內部，納污容量增加。另一方面，當流體穿過纖維層時，三葉形和豐字形PET纖維表面明顯的凸起和凹槽結構大大增加了形成渦流的概率，顆粒物能量損失較大，更容易被纖維攔截，部分顆粒物會被滯留在纖維凹槽內，被滯留在凹槽內的顆粒并不會阻塞纖維間的孔隙，對過濾材料阻力影響較小，從而在一定阻力下，過濾材料的納污容量較大。

用石油醚對過濾材料進行清洗處理后，用SEM觀察了污染物在過濾材料中的分布情況。圖7為PET纖維含量為40%的過濾材料表面的SEM圖;圖8為經石油醚抽濾后PET纖維含量為40%的過濾材料截面的SEM圖。

從圖7（b）和圖7（c）可以看出，部分污染物被滯留在PET纖維凹槽內，特別是圖7（c）中豐字形PET纖維凹槽內沉積了較多的污染物顆粒，可見，纖維表面深的凹槽結構可容納污染物，沉積在凹槽內的污染物不會堵塞纖維之間的孔隙，所以在不增加阻力的情況下納污容量得到提高。

從圖8（a）可以看出，污染物在過濾材料Z向分布并不均勻，上層纖維（入流面）污染物分布較多，從圖8（b）和圖8（c）可以看出，污染物在過濾材料Z向的分布沒有明顯差別，這可能是由于含三葉形和豐字形PET纖維過濾材料的結構較疏松，纖維間空隙較大，污染物更容易進入纖維層，而圓形PET纖維過濾材料纖維間結合緊密，顆粒物不容易進入過濾材料內部結構，大部分顆粒物被上層纖維攔截，纖維間的孔隙被顆粒物堵塞后過濾材料的阻力快速增加，因此過濾材料的納污容量較低。

3 結 論

本實驗分別將3種不同截面形狀的PET纖維（圓形、三葉形、豐字形）與闊葉木閃急漿配抄，制備液體過濾材料，主要探討了3種截面形狀過濾材料的過濾性能。

3.1 隨著液體流量的增加，過濾材料流阻不斷增加。相同流量下含三葉形和豐字形PET纖維過濾材料的流阻小于含圓形PET纖維過濾材料的流阻。當PET纖維含量為40%，液體流量為4 L/min時，含三葉形和豐字形PET纖維過濾材料流阻與含圓形PET纖維的過濾材料流阻分別降低了26.6%和28.5%。

3.2 含三葉形PET纖維的過濾材料對尺寸為4 μm、6 μm以及14 μm的顆粒的過濾效率均高于含圓形PET纖維的過濾材料，當PET纖維含量為40%時，含豐字形PET纖維過濾材料對尺寸為14 μm顆粒的過濾效率比含圓形PET纖維的過濾效率高6.1%。

3.3 PET纖維含量相同時，含三葉形和豐字形PET纖維過濾材料的納污容量高于含圓形PET纖維的過濾材料，當PET纖維含量從20%增加到40%，其納污容量分別增加了32.1% 和26.5%。

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（責任編輯：董鳳霞）