涤纶复合针刺毡工艺及性能研究*

南通大学纺织服装学院，江苏 南通226019

涤纶复合针刺毡工艺及性能研究*

张旭李素英常敬颖朱梦玲谢柠蔚

南通大学纺织服装学院，江苏 南通226019

以0．90、2．20、2．78 dtex的涤纶为原料，以过滤毡结构、纤维配比、针刺密度为因素，设计正交试验方案。采用梳理成网、针刺加固工艺制备涤纶复合针刺毡，研究各因素对涤纶复合针刺毡的影响。结果表明：当针刺密度为900刺/cm2时，[15%(质量分数)0．90 dtex 涤纶+35%(质量分数)2．20 dtex涤纶]/50%(质量分数)2．78 dtex涤纶的复合针刺毡的力学性能最好；当针刺密度为700刺/cm2时，[35%(质量分数)0．90 dtex涤纶+15%(质量分数)2．20 dtex涤纶]/50%(质量分数)2．78 dtex涤纶的复合针刺毡的透气性最好；所有试样对PM2．5的过滤效率均达到100%。

涤纶复合针刺毡， 过滤毡结构， 纤维配比， 针刺密度， PM2．5

工业的迅猛发展及人类的活动导致工业、生活、交通和建筑等各类排放源排放了大量的烟尘和粉尘，大气中颗粒物急剧增加，环境日趋恶劣，这严重影响了人类的身体健康[1-2]。因此，人们越来越关注可以安全防护粉尘颗粒的材料，并加大了对此类材料的开发和应用。过滤是指分离、捕集分散于气体或液体中颗粒状物质的一个过程。除尘净化技术的发展、水平的提高及其应用范围的扩展，使人们对除尘用纺织品在数量、品种和质量上都有了更高的要求[3]。因此，研制与开发过滤除尘用防护纺织材料越来越重要。

目前，我国过滤与分离用纺织品的应用领域十分广泛，且受国家环保政策的影响，过滤与分离纺织品行业近年继续保持快速增长，其中高温过滤纺织品增速明显。非织造布加工方法多样，且可按照过滤材料的密度梯度需要设计最佳的纤维曲径系统，生产更为合理、经济[4]。非织造布的过滤效率与其结构[5]密切相关。有研究[6]表明，非织造布孔隙率越小，则纤维填充率越大，对粒子的干涉作用越强，捕集效率越高，过滤效率越好。

针剌毡作为新兴的非织造过滤材料，其以独特的三维立体网状结构、均匀的孔隙分布、合理的纤维曲经系统及良好的过滤性能，加上高产量、低成本等特点，逐步取代了传统的机织和针织过滤材料，成为袋式除尘器滤料的主流。当介质流经针刺毡时，滤材的网状孔隙增强了分散效果，提高了过滤效率[7]。针刺毡既能抑制粉尘粒子向深层渗透，延长使用寿命，又能迅速形成尘饼，增强过滤作用。

本文以0．90、2．20、2．78 dtex线密度的涤纶短纤为原料，以过滤毡结构、纤维配比、针刺密度为因素，设计正交试验方案，采用梳理成网、针刺加固非织造工艺制备涤纶复合针刺毡。研究工艺参数对涤纶复合针刺毡的过滤相关性能的影响，测试分析各试样的面密度、厚度、透气性、断裂强力、过滤效率，研究不同复合结构对涤纶复合针刺毡性能的影响，以为生产实践提供理论指导。

1 试样制备

1．1试验原料与制备器材

1．1．1 试验原料

0．90、2．20、2．78 dtex的涤纶短纤，宁波大发化纤有限公司。

1．1．2 制备器材

FZSC1050梳理机，常熟伟成非织造设备厂； YBG343-110针刺机，海润纺织机器厂； BSA2245-CW电子分析天平，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司。

1．2试验方案及试样制备

针刺毡上层选择2种线密度的涤纶短纤按比例称重混合，经梳理机铺网后，在针刺深度为9 mm的预针刺机上预刺，再在针刺深度为7 mm的主针刺机上进行主刺；下层使用余下线密度的涤纶短纤梳理成网、针刺加固。将制备好2块的针刺非织造材料通过针刺深度为7 mm的主针刺机针刺在一起，制成涤纶复合针刺毡试样。设计的3因素3水平的正交试验如表1和表2所示。

表1 试验因素设计表

注： A1表示涤纶复合针刺毡的上层由0．90 dtex和2．20 dtex的涤纶短纤混合针刺制成，涤纶针刺过滤毡的下层由2．78 dtex的涤纶短纤针刺制成；B1表示制成的涤纶复合针刺毡中，0．90 dtex涤纶短纤的质量分数为15%，2．20 dtex涤纶短纤的质量分数为35%，2．78 dtex涤纶短纤的质量分数为50%；其他以此类推

表2 L9(33)正交试验方案

2 性能测试与数据分析

2．1主要测试仪器

测试使用的主要仪器归纳于表3。

表3 性能测试所用主要仪器

续表

2．2测试结果及数据分析

2．2．1 厚度和面密度

9块涤纶复合针刺毡的厚度及面密度测试结果见图1和图2，并就各因素对厚度及面密度的影响进行了极差分析(表4)。

图1 试样厚度变化趋势

图2 试样面密度变化趋势

项目因素A因素B因素C厚度1.20.70.5面密度65.353.335.6

由表4可得出因素(过滤毡结构、纤维配比、针刺密度)对优化指标(厚度、面密度)影响的主次顺序为过滤毡结构>纤维配比>针刺密度。针刺非织造材料的厚度和面密度越大，则单位面积内纤维的根数增多，纤维之间的纠缠抱合增强，纤维间的孔隙减少，针刺非织造材料的紧密度提高，所以透气性降低。基于此，涤纶复合针刺毡面密度与厚度越小越好，所以从厚度角度考虑，最优方案为A1B3C3；从面密度角度考虑，最优方案为A1B3C3。

非织造材料的厚度一般与面密度成正比。面密度越小，产品越薄，反之则反之。试验分析发现，影响涤纶复合针刺毡的厚度和面密度的主要因素是所用涤纶短纤的线密度结构，即过滤毡结构。图2可以看出，试样1～试样3的面密度较小，原因在于它们的过滤毡结构中线密度较小的涤纶短纤占整体的质量分数较大。当线密度越小的涤纶短纤在非织造材料中所占的质量分数越大时，非织造材料的面密度越小，厚度也越小。

2．2．2 断裂强力

断裂强力是评定非织造材料内在质量的重要指标之一，常用于评定非织造材料经日晒、洗涤、磨损及各种整理后内在质量的变化。9块试样纵横向的断裂强力见图3，相关极差分析见表5和表6。

图3 试样纵横向断裂强力

极差因素A因素B因素Ck12043.02076.71824.3k22004.01927.02120.7k32028.02061.32130.0R 39.0 149.7 305.7

表6 纵向断裂强力极差分析

由图3可以看出，试样的横向断裂强力始终大于纵向。由表5、表6的极差分析都可得出对优化指标(断裂强力)影响的主次顺序为针刺密度>纤维配比>过滤毡结构。影响断裂强力的主要因素是针刺密度，随着针刺密度的增加，针刺作用对纤网的作用增强，更多的涤纶短纤进入纤网内部，纤维间孔隙减小、结合力增加，纤网紧密度增加、断裂强力增加。但针刺密度过大，则针刺会对纤网造成破坏，断裂纤维数增多，紧密度不再增加，断裂强力有所下降。

故基于涤纶复合针刺毡纵横向断裂强力越大越好的原则，确定A1B1C3为最优方案。

2．2．3 透气率

透气性反映的是非织造材料允许空气从其微孔或间隙中扩散出去的特性。9块试样的透气率见图4，其中试样7～试样9的透气率相对较高。相关极差分析见表7，可得出对优化指标(透气率)影响的主次顺序为过滤毡结构>针刺密度>纤维配比。涤纶短纤的线密度结构即过滤毡结构是影响透气性的主要因素。过滤毡中线密度较大的涤纶短纤占整体的质量分数越大，则纤维间的孔隙较大，过滤毡的透气率较好。故基于涤纶复合针刺毡透气率越大越好的原则，确定A1B3C2为最优方案。

图4 试样透气率

极差因素A因素B因素Ck11817.22070.82085.2k22093.52048.82175.2k32330.62121.81980.9R 513.4 72.9 194.4

2．2．4 过滤效率

过滤效率采用AFC-131型过滤测试仪进行，被测尘源采用DEHS气溶胶，管道风量采用风速仪计量，过滤材料流量采用管道压力控制并由计数器上的控制板面显示流量。试验采用粒子粒径为0．20～15．00 μm、分12个区间等级的DEHS气溶胶，设定气溶胶浓度为5 mg/m3，流速为10 m3/h。测试结果见图5，表8以粒子粒径1．00～1．50 μm的过滤效率为代表进行极差分析。

表8 过滤效率极差分析

从图5可以看出，随着粒子粒径的增加，所有试样的过滤效率有所提高，其中当粒子粒径为2．00～3．00 μm时，试样的过滤效率均达到100%，即所有试样对PM2．5的过滤效率均达到100%。试样3在过滤小粒径方面的效率明显高于其他试样，而试样4的过滤效率最低。试样3和试样4在过滤毡结构、纤维配比及针刺密度等方面都不相同，其中试样3的针刺密度高于试样4，故纤维间的纠缠增加、抱合加强，纤网结构紧密，过滤效率较高。

由表8可得出对优化指标(过滤效率)影响的主次顺序为纤维配比>针刺密度>过滤毡结构。其中，纤维配比是影响过滤效率的主要因素。故基于涤纶复合针刺毡过滤效率越高其过滤性能越好的原则，确定A3B3C3为最优方案。此外，纤维的线密度与针刺毡的过滤效率也有很大关系。当针刺毡中的纤维较细时，过滤效率越大。随着纤维直径的增大，纤网相对较蓬松，纤维间孔隙增加，过滤效率下降。

图5 试样过滤效率

3 结论

(1) 影响涤纶复合针刺毡厚度、面密度的主次顺序为过滤毡结构>纤维配比>针刺密度。过滤毡结构中，线密度较小的涤纶短纤占整体的质量分数越大，涤纶复合针刺毡的面密度越小，厚度也越小。

(2) 影响涤纶复合针刺毡力学性能的主次顺序为针刺密度>纤维配比>过滤毡结构。当针刺密度为900刺/cm2时，[15%(质量分数)0．90 dtex涤纶+35%(质量分数)2．20 dtex涤纶]/50%(质量分数)2．78 dtex涤纶的复合针刺过滤毡的力学性能最好。

(3) 影响涤纶复合针刺毡透气性的主次顺序为过滤毡结构>针刺密度>纤维配比。当针刺密度为700刺/cm2时，[35%(质量分数)0．90 dtex涤纶+15%(质量分数)2．20 dtex涤纶]/50%(质量分数)2．78 dtex 涤纶的复合针刺毡的透气性最好。

(4) 所有试样对PM2．5的过滤效率均达到100%。当涤纶复合针刺毡中纤维线密度越小时，过滤效率越大；随着纤维线密度的增大，纤维网相对较蓬松，纤维间的孔隙增加，微粒的扩散作用和惯性作用下降，过滤效率下降。

[1] 朱锐钿，张鹏，赵耀明．国内耐高温滤材用合成纤维的应用研究进展[J]．合成纤维工业．2011，34(5)：52-54．

[2] 周欢，李从举．过滤粉尘用纺织材料的发展现状[J]．产业用纺织品，2011，29(1)：1-6．

[3] 陈隆枢．工业防尘技术新发展对袋式除尘配套滤料的要求[C]//高新技术在产业用纺织品领域推广应用研讨会暨科技成果信息发布洽谈会报告文集，2002．

[4] 刘呈坤，马建伟．非织造布过滤材料的性能测试及产品应用[J]．非织造布，2005，13(1)：30-34．

[5] 杨旭红．非织造材料基本结构特征的表达[J]．纺织导报，2004(4)：16-19．

[6]马驰，吴玥，俞建勇．PBS静电纺非织造布结构与过滤性能的关系分析[J]．产业用纺织品，2008，26(5)：13-15．

[7] 李瑞欣，彭景洋，刘亚，等．非织造布在过滤中的应用[J]．非织造布，2011，19(6)：63-66．

Study on technology and properties of the PET compound needle felt

ZhangXu，LiSuying，ChangJingying，ZhuMengling，XieNingwei

School of Textile and Clothing， Nantong University， Nantong 226019， China

The orthogonal experiments were designed by taking 0．90， 2．20 and 2．78 dtex PET as raw materials and the filter felt’s structure， fiber ratio and needle density as factors． Then the PET compound needle felts were prepared by carding netting and acupuncture reinforcing technology， and the influences of various factors on the PET compound needle felts were studied． The results showed that， when the needle density was at 900 punctures/cm2， the compound needle felt with [15%(wt．) 0．90 dtex PET fibers + 35%(wt．) 2．20 dtex PET fibers]/50%(wt．) 2．78 dtex PET fibers showed the best mechanical property； when the needle density was at 700 punctures/cm2， the compound needle felt with [35%(wt．) 0．90 dtex PET fibers + 15%(wt．) 2．20 dtex PET fibers]/50%(wt．) 2．78 dtex PET fibers showed the best air permeability； all samples showed 100% in the filtration efficiency of PM2．5．

PET compound needle felt， filter felt’s structure， fiber ratio， needle density， PM2．5

*国家自然科学基金(2016YFB0303100)

2017-01-16

张旭，男，1991年生，在读硕士研究生，主要研究方向为非织造材料的研究与开发

李素英，E-mail：lisy@ntu．edu．cn

TS174．6， TS176+．3

： A

1004-7093(2017)07-0021-05