梯度结构耐高温纤维过滤材料的结构与性能

张 恒， 甄 琪， 王俊南， 钱晓明， 刘永胜

(1. 浙江金三发非织造布有限公司， 浙江 湖州 313100； 2. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387；3. 江苏蓝天环保集团有限公司， 江苏 盐城 224400)

梯度结构耐高温纤维过滤材料的结构与性能

张 恒1， 甄 琪1， 王俊南1， 钱晓明2， 刘永胜3

(1. 浙江金三发非织造布有限公司， 浙江 湖州 313100； 2. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387；3. 江苏蓝天环保集团有限公司， 江苏 盐城 224400)

为探究梯度结构纤维过滤材料的制备工艺对过滤材料结构、性能的影响，制备了聚苯硫醚纤维-聚四氟乙烯超细纤维(PPS-PTFE)滤料，并分析了制备工艺(超细纤维层面密度和水针能量)对结构和过滤性能的影响，建立了对应的二次方模型。结果表明：超细纤维层的面密度对孔径大小和过滤效率均有显著的影响，随着超细纤维层面密度从(49±3.8)g/m2增大到(181±12.5)g/m2，试样的模态孔径从20.22 μm降低到12.52 μm，而对2.05 μm颗粒物的过滤效率从63.41%提高到91.87%；水针能量在3 738～8 755 J/g范围内，过滤效率和过滤阻力均随着水针能量的增大而增大；建立的二次方模型的置信度高，表明模型适用于梯度结构的耐高温纤维过滤材料的工艺设计。

非织造过滤材料； 耐高温纤维； 梯度结构； 工艺设计； 二次方模型

耐高温纤维过滤材料是利用耐高温的特种纤维(聚苯硫醚(PPS)纤维、聚四氟乙烯(PTFE)纤维、芳纶、芳砜纶纤维和玻璃纤维等)通过摩擦、抱合等方式组合而成的纤维集合体，如：芳砜纶针刺毡[1]和PPS水刺毡[2]等，其作为目前重要的工业用耐高温除尘材料，在钢铁、水泥、燃煤发电行业的高温尾气处理领域有大量的应用[3-4]。水刺加固技术作为常用的非织造成型加工技术之一，由于其独特的柔性固网特点，被大量地用于制备耐高温纤维过滤材料。

现有研究表明，水刺工艺所制备的滤料具有更优的过滤性能，如Patanaik等[5]制备了多种类型的水刺过滤毡，并分析了水刺过滤毡的过滤效率、过滤阻力和容尘量与滤料孔径的关系，其研究结果表明水刺过滤毡作为一种高效低阻的过滤材料，可以很好地应用于各类工业领域。此后学者们为了获得长效低阻的耐高温过滤材料提出了“梯度结构”的设计理念，即：依据纤维的特性和加工方式的不同将过滤材料制备成由多个结构和孔径不同的纤维层组成的多层纤维毡[6]。但是，现有研究着重于梯度滤料制备技术的探究，而对其制备工艺与产品结构和过滤性能的关系研究较少，因此，本文探究了基于梯度结构的耐高温纤维过滤材料的水刺工艺(水针能量和超细纤维层厚度)对材料的结构特征和过滤性能(过滤阻力和过滤效率)的影响，并通过响应面分析方法获得工艺与过滤性能的二次元模型。

1 实验部分

1.1 材料的制备

图1为梯度结构的过滤材料示意图。梯度结构使得滤料的孔隙沿着厚度方向呈前窄后宽的弯曲喇叭状，离迎尘面越远，孔径越大，过滤材料的孔隙不易被细小颗粒物堵塞，进而延长滤料的使用寿命[7-8]。

耐高温纤维过滤材料的制备工艺如图2所示，PPS纤维和PTFE超细纤维分别经开松、混后并梳理成纤网，PPS纤维网经交叉铺网后与玻璃纤维基布一并针刺成型；此后PTFE超细纤维网叠放到PPS纤维毡上层并进行水刺复合加固成具有梯度结构的耐高温纤维过滤材料。PPS纤维、PTFE超细纤维特性见表1。

表1 PPS纤维和PTFE纤维特征参数Tab.1 Parameters for PPS fibers and PTFE fibers

本文制备的PPS纤维毡面密度为(498±12.2)g/m2，针刺深度为6 mm，预针刺密度为175刺/cm2。为了探究非织造耐高温过滤材料的工艺(超细纤维层厚度和水针能量)对材料结构和性能的影响，本文设计了不同面密度(49～181 g/m2)的PTFE超细纤维层和不同水刺压力(4～27 MPa)的工艺配置。其水针能量计算公式[9]为

式中：Es为水针能量，J/kg；Cv为流速系数，0.98；Cq为流量系数，0.98；ρ为水的密度，998 kg/m3；W为纤网面密度，998 g/m2；S为纤网前进速度，m/s；di为第i个水刺头的水针孔径，m；Pi为第i个水刺头的水针压力，Pa；Ni为第i个水刺头的水针板排列密度，1 670孔/m。

1.2 性能测试

依据GB/T 24218.2—2009《纺织品 非织造布试验方法 第2部分：厚度的测定》，使用YG141型织物厚度仪测试试样的厚度。利用德国Topas PSM165型孔径测试仪分析试样的模态孔径大小，模态孔径是指纤维材料中出现概率最大的孔径的大小；测试液表面张力为20.1 mN/m。参考EU 779—2002《一般通风用空气过滤器-过滤性能的测定》，使用Topas AFC 131 滤料测试平台分析试样对气溶胶癸二酸二异辛酯(DEHS)的过滤效率和过滤阻力。

2 结果与讨论

2.1 不同工艺方案对结构和性能的影响

2.1.1 对结构特征的影响

图3示出基于水刺工艺复合的耐高温纤维过滤材料的表面形态及形成机制。可以看出，纤维在高压水射流的作用下相互纠缠、抱和而形成具有致密结构的纤维毡；另外，纤维毡的表面在托网辊筒和高压水射流的相互作用下形成清晰的水针痕。水针痕的形成主要是由于纤维在受到高压水射流的冲击作用时，与高压水射流接触的纤维产生平行和竖直方向上的位移。高压水射流穿透纤维网后遇到托网辊筒而产生的高速反射水流也会导致纤维产生相对滑移[11-12]。

图4示出耐高温纤维过滤材料的电镜照片。可以看出，PPS纤维层和致密的PTFE超细纤维层复合成梯度结构，且PTFE超细纤维层结构较为致密，对过滤材料的孔径大小有显著的影响。

为进一步阐述超细纤维层对孔径大小的影响，利用PSM165孔径测试仪分析过滤材料的孔径大小，其特征参数如表2所示。

表2 样品的特征参数Tab.2 Characteristic parameters for samples

从表2可以发现，样品的模态孔径和厚度均受到水针能量和超细纤维层面密度的显著影响。其中试样的模态孔径随着超细纤维层面密度的增大而减小。这主要是因为，对于由PPS纤维层和PTFE超细纤维层组成的梯度结构复合材料来说，材料的孔径大小主要取决于PTFE超细纤维层。而超细纤维层面密度的增大导致厚度方向上堆叠的纤维数量增多，使得纤维间弯曲的孔隙相互贯通的概率减小，所以试样的模态孔径随着超细纤维层面密度的增大而减小[10]。同时，水针能量的增大使得纤维间的缠结、抱和更加紧密，纤维间的孔隙减小，纤维毡结构更加致密；此外，水针能量的增大还使得PPS纤维层和PTFE超细纤维层之间具有更多相互穿插的纤维而形成更加复杂的三维立体结构，因而材料的孔径在一定范围内随着水针能量的增大而减小。

2.1.2 对力学性能的影响

表3示出样品的力学性能。可看出，过滤材料的力学特性与超细纤维层面密度和水针能量有关。其中样品的断裂强力随着超细纤维层面密度的增大而增大，这主要是因为纤维材料的强力与厚度方向上相互缠结的纤维数量和缠结程度有关。在水刺能量一定的情况下，厚度方向上相互缠结的纤维数量随着超细纤维层面密度的增大而增大，因此，受高压水射流冲击作用而移动、贯穿、相互缠结的纤维数量增加。但是一定能量的高压水射流所能冲击移动的纤维是有限的，因此，随着超细纤维层面密度超过一定范围继续增加时，高压水射流能击中的纤维基本不变，此时断裂强力则随超细纤维层面密度的增加而变化较小，断裂伸长率也趋于平稳。从表3还可看出，在样品面密度一定时，样品断裂强力随水针能量增大而增大。其原因可能是随着水针能量的增大，水射流对纤维的冲击力度也增大，可移动纤维的数量和纤维的移动量以及纤维数间的纠缠程度也随之增大，进而样品的断裂强力也增大。

表3 样品的力学性能Tab.3 Mechanical properties of samples

2.1.3 对过滤性能的影响

图5、6分别示出超细纤维层面密度和水针能量对过滤效率(空气流量为3.4 m3/h)和过滤阻力的影响。从图5可看出：超细纤维层面密度和水针能量都会影响材料的过滤效率；其次，随着超细纤维层面密度的增大，材料的对不同直径的细小颗粒物的过滤效率都有所增大。这主要是因为在纤维直径和孔隙率变化不大的情况下，超细纤维层厚度随着面密度的增加而增大，超细纤维层厚度的增大使得超细纤维层沿着厚度方向上的数量增多。纤维数量的增多一方面使得纤维间贯通孔的数量减小，增大了材料对细小颗粒物的拦截能力[12]；另一方面纤维数量的增多使得细小颗粒物通过材料时被纤维碰撞和黏附的概率增加，进而加大了材料对细小颗粒物的过滤精度。另外，在一定范围(3 738～9 752 J/g)内，随着水针能量的增大，材料对细小颗粒物的过滤效率也有一定的提高[10,13]。这主要是由于随着水针能量的增大，材料的结构更加致密，从而提高了对细小颗粒物的拦截能力。同时超细纤维层结构的致密性和面密度的增大也使得材料的过滤阻力增大。

从图5、6也可看出，工艺为(49±3.8)g/m2PTFE超细纤维层的试样对2.05 μm颗粒物的过滤效率为63.41%，工艺为(147±7.5)g/m2PTFE超细纤维层的试样对2.05 μm颗粒物的过滤效率增大到83.23%，而过滤阻力也从45.4 Pa增大到85.6 Pa。在其他工艺条件不变((147±7.5)g/m2PTFE超细纤维层)的情况下，水针能量从3 738 J/g增大到8 755 J/g，试样对2.05 μm颗粒物的过滤效率从76.95%增大到83.23%，过滤阻力从75.6Pa增大到92.8Pa。

2.2 工艺与过滤性能的关系模型

2.2.1 二次方模型的建立

通过上述分析可知，基于梯度结构的耐高温过滤材料的超细纤维层面密度和水针能量对过滤效率和过滤阻力有显著性的影响，因此，本文以过滤效率、过滤阻力和质量因子为响应指标进行二次多元回归拟合，得到超细纤维层面密度和水针能量对过滤效率、过滤阻力、质量因子的二次多项回归方程。

回归分析表明：过滤效率的二次多项回归方程决定系数R2=0.970 1，过滤阻力的二次多项回归方程决定系数R2=0.990 8，质量因子的二次多项回归方程决定系数R2=0.917 6。这表明二次多项回归方程的拟合度和可信度均较高，可用于预测基于梯度结构的耐高温过滤材料的超细纤维层面密度和水针能量对过滤效率、过滤阻力、质量因子的影响。

2.2.2 二次方模型的分析

图7示出过滤效率、过滤阻力与耐高温过滤材料的超细纤维层面密度和水针能量之间的相应曲面。可看出，其他工艺不变的情况下，随着超细纤维层面密度和水针能量(3 738～9 752 J/g)的增加，过滤效率和过滤阻力均呈现出增加的趋势。这与实验值相符。

图8示出质量因子与超细纤维层面密度和水针能量的响应曲面。可以看出：过滤材料的质量因子受超细纤维层面密度和水针能量的影响；当超细纤维层面密度从(49±3.8)g/m2增大到(181±12.5)g/m2的区间内，质量因子呈现先增大后减小的趋势。同时，质量因子在水针能量为8 023 J/g时达到最大水平，此后继续增大水针能量，质量因子呈现逐渐下降的趋势。

3 结 论

1) 基于梯度结构的耐高温纤维质过滤材料的水刺复合工艺(超细纤维层面密度和水针能量)对材料结构和过滤性能有显著的影响。

2) 在其他工艺不变的情况下，超细纤维层面密度对材料的模态孔径有显著影响，且表现为模态孔径随着超细纤维层面密度的增大而减小。此外，随着超细纤维层面密度的增大，材料对不同直径的细小颗粒物的过滤效率和过滤阻力都有所增大。工艺为(49±3.8)g/m2PTFE超细纤维层的试样对2.05 μm颗粒物的过滤效率为63.41%，随着PTFE超细纤维层面密度增大到(181±12.5)g/m2，试样对2.05 μm颗粒物过滤效率增大到91.87%。

3) 在一定范围(3 738～9 752 J/g)内，随着水针能量的增大，材料对细小颗粒物的过滤效率和过滤阻力也有一定的提高。

4) 所建立的二次方模型的置信度高，质量因子在水针能量为8 023 J/g时达到最大水平，此后继续增大水针能量，质量因子呈现逐渐下降的趋势。

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Structure and performance of high temperature resistant fibrous filters with
gradient structure

ZHANG Heng1， ZHEN Qi1， WANG Junnan1， QIAN Xiaoming2， LIU Yongsheng3

(1.ZhejiangKingsafeNonwovenFabricGroupCo.,Ltd.,Huzhou,Zhejiang313100,China; 2.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 3.JiangsuBlueSkyEnvironmentalProtectionGroupCo.,Ltd.,Yancheng,Jiangsu224400,China)

In order to study effect of the preparation process on structure characteristics and filtration performance, the samples of gradient filters comprising PPS fibers and PTFE microfibers were made. The relationships between the process (gram weight of microfiber layers and the hydroentangling energy) and structure characteristics were discussed, and the quadratic models also were established. The results show that the gram weight of PTFE microfiber layers has a significant influence on structure and filtration performance of the samples. The model pores size of samples is 20.22 μm, the filtration efficiency is 63.41% for 2.05 μm when the PTFE microfiber layers gram weight is (49±3.8)g/m2. As the PTFE microfiber layers gram weight increased to (181±12.5)g/m2, the model pores size reduced to 12.52 μm, and filtering efficiency of the 2.05 μm particle increased to 91.87%. In addition, it is also found that the filtration efficiency and filtration resistance increased with the hydroentangling energy in the range of 3 738-8 755 J/g. Furthermore, quadratic models have high degree of confidence intervals, which means that the models is good for the process design of the high temperature resistant fibrous filters with a gradient structure.

nonwoven filter; high temperature resistant fiber; gradient structure; process design; quadratic model

10.13475/j.fzxb.20150404006

2015-04-23

2015-12-27

天津市应用基础及前沿技术研究计划项目(15JCZDJC38500)

张恒(1986—)，男，博士。研究方向为功能型纤维质材料。钱晓明，通信作者，E-mail：qxm@tjpu.edu.cn。

TS 176

A