高效空氣過濾用水刺非織造布的設(shè)計與實現(xiàn)

張 晗,陳治伸,劉志濤

(山東德潤新材料科技有限公司,山東 德州 253084)

近年來,空氣過濾材料廣泛應(yīng)用于工業(yè)除塵、防護(hù)服、防護(hù)口罩等領(lǐng)域。非織造布因加工流程短、成本低廉被廣泛應(yīng)用于空氣過濾行業(yè)。目前,在空氣過濾領(lǐng)域應(yīng)用較多的超細(xì)纖維非織造布是熔噴非織造布和靜電紡絲材料[1]。靜電紡絲材料的纖維很細(xì),纖維直徑雖達(dá)到納米級別,但是該項技術(shù)因生產(chǎn)效率低而不能滿足商業(yè)化應(yīng)用的需求,且因材料強度低,需結(jié)合基布使用;熔噴非織造布同樣因生產(chǎn)工藝限制,產(chǎn)品強力差,硬挺度低,難以單獨作為過濾材料直接使用,需要復(fù)合基布作為支撐[2]。超細(xì)纖維水刺非織造布是將水刺工藝與超細(xì)纖維兩者相結(jié)合,經(jīng)多道水刺開纖和固結(jié)形成的超細(xì)纖維非織造過濾材料[3],該材料僅依靠致密的孔徑攔截顆粒物,過濾效率只有30%左右,而且存在孔徑越小導(dǎo)致過濾阻力越大的缺陷,不符合高效過濾的使用要求。還有利用復(fù)合技術(shù)制備橘瓣短纖面層滌綸水刺過濾氈[4],應(yīng)用于煙氣廢氣過濾,通過梯度過濾的方式,能夠捕捉PM2.5顆粒,但也只是依靠單純的濾材孔徑大小進(jìn)行物理攔截過濾,對細(xì)小粉塵等顆粒物(如0.3 μm左右顆粒)過濾效果一般。因此,本文提出采用橘瓣短纖作為原材料,并對其制備路線進(jìn)行改進(jìn),實現(xiàn)水刺非織造布高效空氣過濾的目的。

1 過濾機理

在過濾材料的過濾機理中,主要有擴散、截留、慣性碰撞、重力沉降和靜電吸附等五種[5]。前四種作為機械阻隔,以粒徑阻隔、機械過濾式的范德華力吸附或者布朗運動產(chǎn)生擴散而撞擊到纖維上被捕獲。理論上講,纖維越細(xì)交織越緊密,孔隙越小,過濾效率越高,同時過濾阻力也會增加,因此,作為空氣過濾材料需在保證正常過濾阻力的前提下,來提高過濾效率。

駐極處理是解決過濾效率和過濾阻力矛盾的最好方法。以熔噴非織造布為例,未進(jìn)行駐極處理的過濾效率只有30%,而駐極處理后過濾效率可以達(dá)到90%以上,主要原因是駐極處理使纖維表面積聚的電荷數(shù)變多,表面電位變高,對纖維結(jié)構(gòu)沒有影響,增強了對顆粒的捕捉效果,過濾阻力幾乎沒有影響。駐極效果表明,利用該原理可以對超細(xì)纖維水刺非織造布的制備過程開展更加深入的研究。

2 實驗部分

2.1 材料及儀器

功能母粒(聯(lián)泓(江蘇)新材料研究院有限公司),聚酯與聚丙烯組分;橘瓣短纖(臨邑大正特纖新材料有限公司),纖維規(guī)格為2.2 dtex×51 mm;水刺非織造布(山東德潤新材料科技有限公司),面密度為50 g/m2、60 g/m2、80 g/m2。

Z01B型圓盤取樣器(溫州方圓儀器有限公司);YG026H-Ⅱ型電子織物強力機(溫州方圓儀器有限公司);8130A型自動濾料測試儀(美國TSI公司);CWZJT-2駐極處理機(南通三信塑膠裝備科技股份有限公司)。

2.2 試樣制備

試樣制備的工藝路線如圖1所示。首先,將電氣石粉體經(jīng)特殊工藝分別加入聚酯、聚丙烯樹脂中制得功能母粒;其次,按設(shè)定比例分別加入兩種相應(yīng)的聚合物組分,利用橘瓣型噴絲板熔融紡絲制得橘瓣短纖;最后,橘瓣短纖依次通過原料開松、梳理成網(wǎng)、交叉鋪網(wǎng)、牽伸、水刺加固、光輥軋壓、烘干脫水、駐極處理、卷取成品等一系列處理后得到水刺非織造布。

圖1 試樣制備工藝路線圖

2.2.1 功能母粒的制備

為保證橘瓣短纖的機械開纖效果,同時實現(xiàn)產(chǎn)品過濾效率的突破,原材料的選擇就顯得非常重要。在試制過程中,先后對常用的聚酯、聚酰胺、聚丙烯等聚合物成分的不同組合進(jìn)行了論證,最終選取了聚丙烯、聚酯組合。為防止熔融時發(fā)生水解,實驗前對聚酯組分干燥處理使其含水率從0.4%降到0.01%以下。功能母粒的制作過程中添加的納米電氣石粉體占每種樹脂成分的質(zhì)量百分含量為0.4%。

2.2.2 橘瓣短纖的制備

橘瓣短纖在受到機械外力作用下,兩種不同聚合物組分在界面處容易分散而得到超細(xì)纖維。因此,在制作橘瓣短纖時,將功能母粒添加到相應(yīng)的聚酯切片與聚丙烯切片后送入兩套熔融組件,即進(jìn)入螺桿擠出機經(jīng)加熱軟化、熔融后通過計量泵定量擠出聚合物熔體,兩種熔體進(jìn)入橘瓣型噴絲板的同一噴絲孔擠出制得橘瓣型復(fù)合纖維,聚酯組分與聚丙烯組分的質(zhì)量百分比為7∶3;再經(jīng)過冷卻、上油、牽伸、卷曲、松弛定型、切斷等加工處理后得到橘瓣短纖。

2.2.3 水刺非織造布的制備

首先,將橘瓣短纖喂入開包機經(jīng)過開松松解后由棉箱輸送入梳理機,針齒對纖維梳理使之呈單纖維平行順直狀態(tài),由梳理機輸出的纖維網(wǎng)垂直于鋪網(wǎng)機作往復(fù)運動,并以交叉鋪網(wǎng)的方式鋪疊,再經(jīng)牽伸形成具有一定厚度的纖維網(wǎng);然后,將鋪疊后的纖維網(wǎng)送入水刺機,纖維網(wǎng)中的橘瓣短纖受到多道高壓水射流的沖擊后,分裂成超細(xì)纖維并相互穿插纏結(jié)成濕態(tài)水刺非織造布,經(jīng)抽吸腔體預(yù)脫水,實現(xiàn)第一道開纖,開纖率可達(dá)70%;再將濕態(tài)水刺非織造布通過兩只光輥軋壓進(jìn)一步脫水與開纖,實現(xiàn)第二道開纖,開纖率可達(dá)90%以上;其次,將軋壓后的水刺非織造布送入熱風(fēng)穿透式烘干機徹底脫除水分;最后,將烘干后的水刺非織造布經(jīng)過高壓靜電發(fā)生器,利用其強電場作用將空氣中電離出來的電荷保存在超細(xì)纖維內(nèi)部使其產(chǎn)生駐極效果,收卷得到水刺非織造布成品。

2.3 性能測試

2.3.1 試樣基本性能測試

根據(jù)GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第1部分:單位面積質(zhì)量的測定》測定單位面積質(zhì)量。根據(jù)GB/T 24218.3—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》,測定斷裂強力。

2.3.2 試樣過濾性能測試

根據(jù)EN1822.1—2009《高效空氣過濾器(EPA、HEPA、ULPA) 第1部分:分類、性能試驗、標(biāo)記》,采用自動濾料測試儀對試樣的過濾性能進(jìn)行測試,所用氣溶膠為氯化鈉顆粒,質(zhì)量中值直徑為0.26 μm,氣體流量為32 L/min。測試中可讀取的測試值為顆粒的透過率和阻力,因此需要按照式(1)對過濾效率進(jìn)行計算[6]。

E=(1-P)×100%

(1)

式中:E為過濾效率,%;P為透過率,%。

3 結(jié)果與分析

3.1 測試結(jié)果

各試樣的斷裂強力、過濾效率、過濾阻力等性能的測試結(jié)果見表1。隨著試樣面密度的增加,纖維含量的增加即厚度方向上纖維數(shù)量增加,單位面積內(nèi)承受外力的纖維數(shù)量增加,使得試樣的縱橫向斷裂強力增大,而厚度方向上纖維數(shù)量增加,纖維的重疊排布形成致密孔徑對顆粒的碰撞攔截概率加大,因此過濾效率、過濾阻力均不斷增大。

表1 試樣的物理指標(biāo)

3.2 提升試樣靜電吸附性能的方法

通過測試對比各試樣的顆粒過濾效率,發(fā)現(xiàn)材料積聚電荷穩(wěn)定性差,不同位置過濾效率不均勻等問題,遂進(jìn)行工藝優(yōu)化:先將納米電氣石粉體采用噴灑法添加到樹脂內(nèi),添加量可控且能夠均勻分散,制備功能母粒,再將兩種功能母粒分別按照0.3%～0.8%的質(zhì)量比例與聚合物混合紡絲,避免了直接添加成品的駐極母粒導(dǎo)致的電氣石粉體團(tuán)聚,在水刺加固時利用高壓水射流即可沖洗掉殘留油劑,無須額外增加后處理工序,節(jié)能高效。改進(jìn)工藝后的水刺非織造布電荷的穩(wěn)定性更好,過濾效能達(dá)到甚至超出使用要求,室溫下電荷隨時間的衰減不明顯。

超細(xì)纖維水刺非織造布以不吸水絕緣材料聚丙烯、聚酯為原料,易積聚電荷,駐極粉體成分捕獲儲存電荷,超細(xì)纖維獨特的毛細(xì)結(jié)構(gòu)增加了單位面積纖維的數(shù)量和表面積,經(jīng)過駐極處理后,通過納米級致密孔徑進(jìn)行攔截,再疊加材料的靜電吸附作用,綜合過濾效率大幅提高,可達(dá)到90%以上,彌補了普通水刺非織造布僅依靠物理攔截過濾方式對細(xì)小顆粒物過濾不足的問題。

3.3 提升試樣物理攔截性能的方法

孔徑是影響過濾材料物理攔截性能的主要原因之一,橘瓣短纖在受到水力沖擊后分裂成超細(xì)纖維,其材料孔隙變得十分微小,但是水刺固結(jié)噴水孔直徑為0.10 mm～0.12 mm,水針會在水刺非織造布表面縱向形成一排排相近大小的水針孔,從而影響其對細(xì)小顆粒物的攔截過濾效果。通過在水刺加固后增加光輥軋壓處理工藝,調(diào)節(jié)軋輥壓力,大幅減小材料孔隙,進(jìn)一步使開纖率提高至90%以上,同時擠壓填平水刺非織造布表面的水針孔,解決了常規(guī)材料存在孔隙較大的問題。軋壓過程也降低了材料的含水率,有利于提高烘干效率,節(jié)能降耗。

4 結(jié)語

高效空氣過濾用水刺非織造布實現(xiàn)了物理攔截與靜電吸附的雙重過濾,顯著提高了過濾性能,不會因外界環(huán)境變化而發(fā)生衰減,表面細(xì)膩致密、手感柔軟,同時又具有強度高、耐磨性好等特點,可以不依賴于復(fù)合基布支撐,生產(chǎn)效率高,成本相對較低,可用于制作各種工業(yè)除塵、防護(hù)服、防護(hù)口罩的過濾材料,達(dá)到高效凈化空氣的要求,為空氣過濾材料的創(chuàng)新發(fā)展提供新的開發(fā)思路。