高效空氣過濾用水刺非織造布的設計與實現

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用于工業除塵、防護服、防護口罩等領域。非織造布因加工流程短、成本低廉被廣泛應用于空氣過濾行業。目前,在空氣過濾領域應用較多的超細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,纖維直徑雖達到納米級別,但是該項技術因生產效率低而不能滿足商業化應用的需求,且因材料強度低,需結合基布使用;熔噴非織造布同樣因生產工藝限制,產品強力差,硬挺度低,難以單獨作為過濾材料直接使用,需要復合基布作為支撐[2]。超細纖維水刺非織造布是將水刺工藝與超細纖維兩者相結合,經多道水刺開纖和固結形成的超細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。還有利用復合技術制備橘瓣短纖面層滌綸水刺過濾氈[4],應用于煙氣廢氣過濾,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行物理攔截過濾,對細小粉塵等顆粒物(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,并對其制備路線進行改進,實現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生擴散而撞擊到纖維上被捕獲。理論上講,纖維越細交織越緊密,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到90%以上,主要原因是駐極處理使纖維表面積聚的電荷數變多,表面電位變高,對纖維結構沒有影響,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,按設定比例分別加入兩種相應的聚合物組分,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、交叉鋪網、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,同時實現產品過濾效率的突破,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行了論證,最終選取了聚丙烯、聚酯組合。為防止熔融時發生水解,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纖維。因此,在制作橘瓣短纖時,將功能母粒添加到相應的聚酯切片與聚丙烯切片后送入兩套熔融組件,即進入螺桿擠出機經加熱軟化、熔融后通過計量泵定量擠出聚合物熔體,兩種熔體進入橘瓣型噴絲板的同一噴絲孔擠出制得橘瓣型復合纖維,聚酯組分與聚丙烯組分的質量百分比為7∶3;再經過冷卻、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,由梳理機輸出的纖維網垂直于鋪網機作往復運動,并以交叉鋪網的方式鋪疊,再經牽伸形成具有一定厚度的纖維網;然后,將鋪疊后的纖維網送入水刺機,纖維網中的橘瓣短纖受到多道高壓水射流的沖擊后,分裂成超細纖維并相互穿插纏結成濕態水刺非織造布,經抽吸腔體預脫水,實現第一道開纖,開纖率可達70%;再將濕態水刺非織造布通過兩只光輥軋壓進一步脫水與開纖,實現第二道開纖,開纖率可達90%以上;其次,將軋壓后的水刺非織造布送入熱風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過高壓靜電發生器,利用其強電場作用將空氣中電離出來的電荷保存在超細纖維內部使其產生駐極效果,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:單位面積質量的測定》測定單位面積質量。根據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EN1822.1—2009《高效空氣過濾器(EPA、HEPA、ULPA) 第1部分:分類、性能試驗、標記》,采用自動濾料測試儀對試樣的過濾性能進行測試,所用氣溶膠為氯化鈉顆粒,質量中值直徑為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)對過濾效率進行計算[6]。

E=(1-P)×100%

(1)

式中:E為過濾效率,%;P為透過率,%。

3 結果與分析

3.1 測試結果

各試樣的斷裂強力、過濾效率、過濾阻力等性能的測試結果見表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量增加,單位面積內承受外力的纖維數量增加,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

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,發現材料積聚電荷穩定性差,不同位置過濾效率不均勻等問題,遂進行工藝優化:先將納米電氣石粉體采用噴灑法添加到樹脂內,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致的電氣石粉體團聚,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,節能高效。改進工藝后的水刺非織造布電荷的穩定性更好,過濾效能達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,超細纖維獨特的毛細結構增加了單位面積纖維的數量和表面積,經過駐極處理后,通過納米級致密孔徑進行攔截,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纖維,其材料孔隙變得十分微小,但是水刺固結噴水孔直徑為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,調節軋輥壓力,大幅減小材料孔隙,進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,節能降耗。

4 結語

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