聚丙烯(pp)紡粘布和熔噴布復(fù)合濾料的制備與性能研究

隨著我國工業(yè)化程度的提高，環(huán)境污染日益嚴(yán)重。越來越多的人忽視了污染，越來越多的人失去了健康意識。在該背景下,國家逐步出臺了一系列的環(huán)保法律法規(guī),對工業(yè)煙氣和汽車尾氣排放提出更嚴(yán)格要求,也出臺了日常防霾口罩等國家標(biāo)準(zhǔn)。以纖維為原材料加工而成的各類空氣過濾材料的應(yīng)用和市場需求越來越多,主要包括日常防霧霾口罩用濾料、工業(yè)除塵濾料、吸塵器用濾料、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)用濾料、空氣凈化器用濾料、潔凈室用濾料等。市場對纖維過濾材料的質(zhì)量要求不斷提高,傳統(tǒng)單一型纖維濾料逐漸不能滿足要求,研發(fā)人員開始將復(fù)合技術(shù)引入到空氣過濾材料加工中,研究開發(fā)高性能復(fù)合過濾材料,通過采用不同生產(chǎn)工藝、不同種類纖維材料、不同濾層結(jié)構(gòu)、不同細(xì)度纖維層、添加不同功能性物質(zhì)等方式進(jìn)行加工梯度濾料可以分為密度梯度復(fù)合濾料、功能梯度復(fù)合濾料(例如吸甲醛層、吸異味層、捕集顆粒物層)和結(jié)構(gòu)梯度復(fù)合濾料(例如平面狀纖維層、折疊狀纖維層、蜂窩狀纖維層)等,其中密度梯度復(fù)合濾料是將不同細(xì)度纖維層進(jìn)行復(fù)合,每一纖維層的纖維粗細(xì)不同,形成的孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑大小及分布、體積密度也不同,達(dá)到對不同粗細(xì)顆粒物進(jìn)行階梯過濾的目標(biāo)。隨著靜電紡納米纖維加工技術(shù)不斷發(fā)展成熟,以靜電紡納米纖維網(wǎng)作為主過濾層,紡粘/熔噴/靜電棉等作為輔助層,制作的多級密度梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合濾料被廣泛用于空氣過濾領(lǐng)域,有效地提高了產(chǎn)品的綜合過濾性能靜電紡復(fù)合梯度濾料在保證過濾效率滿足要求的前提下,具有較低的過濾阻力,而傳統(tǒng)單一型過濾材料通過增加厚度或者密實(shí)度來提高過濾效率時,其過濾阻力也會呈現(xiàn)線性增加趨勢,難以做到高效低阻的目標(biāo)。作者以紡粘布作為支撐層,熔噴布作為中間濾層,靜電紡納米纖維層作為表面濾層,制備了三級密度梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合濾料。采用掃描電子顯微鏡(SEM)和毛細(xì)管流動孔徑儀分析濾料的微觀形貌和孔徑結(jié)構(gòu),采用自動濾料測試儀研究濾料的過濾效率和阻力,探討了密度梯度復(fù)合濾料的結(jié)構(gòu)與過濾性能的關(guān)系。1實(shí)驗(yàn)1.1原材料聚丙烯紡粘非織造布(11.2織物流動孔徑檢測S-3000N掃描電子顯微鏡:日本日立公司制;TSI8130自動濾料測試儀:美國TSI公司制;CFP-1200AP毛細(xì)管流動孔徑儀:美國施多威爾有限公司制;FX3300織物透氣儀:瑞士泰克斯泰斯特公司制;YG141D-II厚度測試儀:溫州方圓儀器有限公司制;ML503電子天平:瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司制。1.3層壓復(fù)合濾料的制備以紡粘布和熔噴布制備二級密度梯度復(fù)合濾料(簡稱二級梯度濾料,41.4纖網(wǎng)直徑、分布及孔徑結(jié)構(gòu)微觀形貌:采用SEM分別觀察梯度濾料各纖維層的微觀形貌以及纖維排列情況等。纖維直徑:通過微觀形貌的測試獲得的纖維SEM照片,利用計(jì)算機(jī)直徑測量軟件,分別測量梯度濾料各纖維層纖維的直徑大小及分布?？讖浇Y(jié)構(gòu):采用毛細(xì)管流動孔徑儀測試分析二級梯度濾料、三級梯度濾料及各纖維層的孔徑結(jié)構(gòu),主要包括平均孔徑、泡點(diǎn)(最大)孔徑、孔徑分布圖等。過濾效率和過濾阻力:采用自動濾料測試儀分別對各纖維層、二級梯度濾料、三級梯度濾料的過濾效率和阻力進(jìn)行測試,實(shí)驗(yàn)所用氣溶膠為質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的氯化鈉(NaCl)溶液霧化產(chǎn)生的固態(tài)顆粒物,顆粒物的空氣動力學(xué)質(zhì)量中值直徑為0.26μm,數(shù)量中值直徑為0.075μm。2結(jié)果與討論2.1采用雜排列結(jié)構(gòu)的纖維單體從圖1可以看出,不同纖維層非織造布的纖維直徑大小及分布不同,纖維均呈現(xiàn)雜亂排列,形成了立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這種三維雜亂排列結(jié)構(gòu)的纖維集合體有助于捕獲顆粒物。通過將3種不同粗細(xì)的纖維層進(jìn)行復(fù)合,形成明顯的密度梯度結(jié)構(gòu),可使復(fù)合濾料具有階梯過濾性能。2.2纖維直徑通過計(jì)算機(jī)直徑測量軟件測量12.3纖維層孔徑分布分別測量3從表1可以看出,從平均孔徑、泡點(diǎn)(最大)孔徑、最小孔徑上看,各試樣的孔徑由大到小依次為:1從圖2和表1還可以看出,3由表2可看出,在纖維層單位面積質(zhì)量相近的情況下,比較12.4固體顆粒物的制備過濾性能實(shí)驗(yàn)的氣體流量分別為32L/min和85L/min,測試用氣溶膠為NaCl固態(tài)顆粒物。從表3可以看出,對于過濾阻力而言,密度梯度濾料的阻力約等于各纖維層阻力之和,即阻力具有加和效應(yīng),例如4對于過濾效率而言,密度梯度濾料的效率主要由其過濾層決定,例如對于42.5復(fù)合纖維層厚度對過濾效率的影響由表4可看出,在單位面積質(zhì)量相近的情況下,對于空氣動力學(xué)質(zhì)量中值直徑為0.26μm的NaCl固態(tài)顆粒物,1由表5可看出,4由此可以得到以下結(jié)論:當(dāng)孔徑尺寸下降約一個數(shù)量級,過濾效率呈現(xiàn)一個數(shù)量級增加趨勢。當(dāng)制備高效濾料時,單獨(dú)增加單一纖維層厚度可以降低孔徑尺寸,增大過濾效率,但同時阻力也會線性增加,通過復(fù)合纖維直徑更小的纖維層,在增大過濾效率的同時,其阻力會緩慢增大,達(dá)到高效低阻目標(biāo)。濾料平均孔徑和所捕集顆粒物尺寸關(guān)系:53濾料的平均孔徑分布a.對于過濾阻力而言,密度梯度濾料阻力約等于各纖維層阻力之和,即阻力具有加和效應(yīng);對于過濾效率而言,密度階梯濾料不具有加和效應(yīng),主要由過濾效率最高的纖維層決定。b.當(dāng)濾料平均孔徑比顆粒物尺寸約大一個數(shù)量級及以內(nèi)時,纖維層具有優(yōu)良的過濾性能,但是當(dāng)大兩個或以上數(shù)量級時,纖維層的過濾效率較低或很差。濾料平均孔徑下降約一個數(shù)量級,過濾效率則呈現(xiàn)一個數(shù)量級以上增加趨勢。c.在單位面積質(zhì)量相近的情況下,隨著纖維平均直徑變小,濾料平均孔徑變小,并且纖維平均直徑和濾料平均孔徑變動幅度基本保持一致。d.三級梯度濾料的平均孔徑為2.12μm,孔徑分布為0.89~4.40μm,與二級梯度濾料相比,孔徑范圍變窄,平均孔徑下降了80.5%,過濾效率提高了66.7%,在氣體流量為32L/min時,對空氣動力學(xué)質(zhì)量中值直徑為0.26μm的NaCl固態(tài)顆粒物的過濾效率達(dá)到