非織造材料透氣性與空氣過濾阻力的相關性研究

張珍竹,宋蓉蓉,錢 幺,王 靜

(1.佛山中紡聯檢驗技術服務有限公司,廣東 佛山528211;2.五邑大學 紡織材料與工程學院,廣東 江門529020)

眾所周知,高效低阻是空氣過濾材料的理想目標,目前所有關于纖維質空氣過濾材料的研究均是圍繞如何提高過濾效率、降低過濾阻力而展開[1]。非織造材料是一種多孔的纖維材料,由于纖維的成分、規格及排列方式等不同,具有不同的空間結構,因此空氣在材料內部的穿透能力、流動狀態有所不同。由經驗可知,多孔材料的透氣量越大,表明對空氣的通透能力越強,因而對空氣的過濾阻力也越低;在不具備過濾性能測試條件下,可以通過透氣性的測試來評估非織造材料過濾阻力的高低。由于非織造材料的材質和結構變化多樣,且對空氣的透過有一定影響,但對透氣量(單位:mm/s或L/(m2·min))與過濾阻力(單位:Pa)之間的數量關系鮮有研究,文中通過對不同類型的非織造材料進行測試分析,找出二者之間的數量關系,擬對非織造企業生產與產品性能評估提供一定的參考。

1 透氣性與空氣阻力的測試原理

通常用透氣量或透氣率來表征氣體通過的難易程度,根據紡織品透氣性的測試原理:空氣垂直透過紡織品,在其正反面形成一定的壓差(ΔP),測定某一壓差下單位時間內透過織物的空氣量(Q),即為透氣率[2]。織物透氣儀就是利用壓差法的原理設計,將試樣放置在上下測試腔之間,下腔抽真空,抽風面積一定,這樣氣體就會在壓差梯度的作用下,由高壓側(上側)向低壓側(下側)滲透;精確測量通過低壓側的壓強變化,計算試樣的各項阻隔性參數,從而計算出空氣的流量。當流量孔徑大小一定時,其壓差越大,單位時間流過的空氣量也越大;當兩側的壓差一定時,不同的流量孔徑大小所對應的空氣流量不同,流量孔徑越大,對應的空氣流量越大。

根據流體力學伯努利方程可知,流體流速的變化會產生壓強的改變[3],過濾材料由于對空氣的阻隔作用會導致空氣流速的增大,從而帶來壓強的降低,在兩側產生壓差(或壓降),通常用這種壓差來表示過濾材料對氣體的阻力。因此,過濾阻力與透氣性理論上的測試原理基本相同。

由透氣率(K氣)的定義可以得到其理論計算公式(1)如下:

式中:K氣—理論透氣率,m3/(m2·Pa·h);Q—氣體流量,m3/h;ΔP—氣體透過多孔材料產生的壓力降,Pa;A—試樣測試面積,m2。

在測試透氣性時,測試面積A、壓力差ΔP一定;而測試空氣過濾阻力時,則是測試面積A、氣體流量Q一定。理論上Q與ΔP、A的比值K氣 為一個定值,那么ΔP與Q之間為線性關系,但由于透氣量與空氣阻力這2個性能指標的各項參數單位不統一,因此具有一個換算的系數關系。假設在測試透氣性時,待測試的透氣量T1用Q1/A1表示,設定的壓差為ΔP1;在測試空氣過濾阻力時,設定的測試流量T2用Q2/A2表示,待測試的壓差為ΔP2,那么就有以下計算公式(2)、式(3)和式(4):

根據測試標準[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

根據以上理論推導可知,多孔材料的透氣量T1與過濾壓差ΔP2的乘積為定值;在不同測試標準下,乘積的定值有所不同,需要進行單位換算。但由于二者是在不同的儀器上測試得到,并且實際上不同壓差點的K氣值不同,因此實際測量的數據可能存在一定的偏差,需要通過試驗測量對理論計算值與實際值進行比較。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

所用紡黏水刺非織造布來自于吉安三江超纖無紡有限公司;熔噴非織造材料來自于多家不同非織造企業;熱風非織造材料及針刺非織造材料為實驗室自制。

2.2 試驗儀器

YG141LA型數字式織物厚度儀(萊州市電子儀器有限公司產品);YG(B)461E型全自動透氣量儀(寧波紡織儀器廠);CP224C數字式電子天平(上海奧豪斯儀器有限公司);TSI8130濾料測試臺(美國TSI公司)。

2.3 測試方法

參照非織造布性能測試相關標準對產品的厚度、克重、透氣性和過濾阻力等進行了測試。其中,厚度測試根據標準GB/T 24218.2-2009《非織造布試驗方法—厚度的測定》,選用YG141LA數字式織物厚度儀測量。透氣量的測試根據標準GB/T 24218《紡織品非織造布試驗方法第15部分:透氣性的測定》,采用YG(B)461E型全自動透氣量儀測量,測試壓差設置為100 Pa,測試面積為20 cm2,透氣量的單位為mm/s。試樣的過濾阻力采用TSI8130濾料測試臺進行測試,測試氣體流量為32 L/min,測試面積為100 cm2。

3 結果與分析

將選取的幾種代表性非織造材料基本性能進行測試,結果見表1～表4,不同非織造材料的透氣性和過濾阻力有較大差異,紡黏水刺和熔噴非織造材料由于纖維較細、孔隙率高,因此比熱風、針刺非織造材料的透氣量要低很多。可以看出,隨著過濾阻力的增大,透氣量在不斷下降。

表1 紡黏水刺非織造材料的基本性能

表2 不同熔噴非織造材料的基本性能

表4 針刺非織造材料的基本性能

#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 熱風非織造材料的基本性能

對比各表格中的實際測量值可以發現,透氣量T與過濾阻力ΔP之間的實際乘積值也趨近于一個定值,大部分近似在9 700～1 1000之間,雖然與理論乘積值5 333.33之間有較大偏差,若定義二者比值為:

則通過表1～表4中計算結果可看出,比值λ近似在0.48～0.52之間,大多數的比值在0.5上下波動,這種偏差可能受非織造材料自身均勻性的影響;不同種類非織造材料,由于纖維種類、纖維密度、纖維細度等不同,導致非織造材料的孔隙率有所不同,因而所得到的λ值有明顯偏差。對各表中計算的λ值取平均值,均近似為0.5,因此實際應用中可以通過該比值來對透氣值和空氣過濾阻力值進行換算;若已知標準測試條件下的透氣量,可以估算出標準測試條件下的空氣過濾阻力,反之亦然。

4 結論

(1)對于同一種非織造材料,透氣量與空氣阻力這2個性能指標的數值呈反比例關系,二者之間的乘積為定值。

(2)不同種類的非織造材料,在標準測試條件下,透氣量與空氣阻力之間的換算系數有所不同,理論值與實際值之間的比值λ近似在0.48～0.52之間,實際應用時可近似取0.5進行估算。

(3)透氣量與空氣阻力之間的換算具有很好的實踐指導意義,但由于實際使用測量儀器的不同,換算系數會有一些變化,有待更進一步的驗證。