聚丙烯(pp)紡粘布和熔噴布復合濾料的制備與性能研究

隨著我國工業化程度的提高，環境污染日益嚴重。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保法律法規,對工業煙氣和汽車尾氣排放提出更嚴格要求,也出臺了日常防霾口罩等國家標準。以纖維為原材料加工而成的各類空氣過濾材料的應用和市場需求越來越多,主要包括日常防霧霾口罩用濾料、工業除塵濾料、吸塵器用濾料、通風空調系統用濾料、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量要求不斷提高,傳統單一型纖維濾料逐漸不能滿足要求,研發人員開始將復合技術引入到空氣過濾材料加工中,研究開發高性能復合過濾材料,通過采用不同生產工藝、不同種類纖維材料、不同濾層結構、不同細度纖維層、添加不同功能性物質等方式進行加工梯度濾料可以分為密度梯度復合濾料、功能梯度復合濾料(例如吸甲醛層、吸異味層、捕集顆粒物層)和結構梯度復合濾料(例如平面狀纖維層、折疊狀纖維層、蜂窩狀纖維層)等,其中密度梯度復合濾料是將不同細度纖維層進行復合,每一纖維層的纖維粗細不同,形成的孔隙結構、孔徑大小及分布、體積密度也不同,達到對不同粗細顆粒物進行階梯過濾的目標。隨著靜電紡納米纖維加工技術不斷發展成熟,以靜電紡納米纖維網作為主過濾層,紡粘/熔噴/靜電棉等作為輔助層,制作的多級密度梯度結構復合濾料被廣泛用于空氣過濾領域,有效地提高了產品的綜合過濾性能靜電紡復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,而傳統單一型過濾材料通過增加厚度或者密實度來提高過濾效率時,其過濾阻力也會呈現線性增加趨勢,難以做到高效低阻的目標。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構復合濾料。采用掃描電子顯微鏡(SEM)和毛細管流動孔徑儀分析濾料的微觀形貌和孔徑結構,采用自動濾料測試儀研究濾料的過濾效率和阻力,探討了密度梯度復合濾料的結構與過濾性能的關系。1實驗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層壓復合濾料的制備以紡粘布和熔噴布制備二級密度梯度復合濾料(簡稱二級梯度濾料,41.4纖網直徑、分布及孔徑結構微觀形貌: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,利用計算機直徑測量軟件,分別測量梯度濾料各纖維層纖維的直徑大小及分布。孔徑結構:采用毛細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構,主要包括平均孔徑、泡點(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行測試,實驗所用氣溶膠為質量分數2%的氯化鈉(NaCl)溶液霧化產生的固態顆粒物,顆粒物的空氣動力學質量中值直徑為0.26μm,數量中值直徑為0.075μm。2結果與討論2.1采用雜排列結構的纖維單體從圖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,纖維均呈現雜亂排列,形成了立體網絡結構,這種三維雜亂排列結構的纖維集合體有助于捕獲顆粒物。通過將3種不同粗細的纖維層進行復合,形成明顯的密度梯度結構,可使復合濾料具有階梯過濾性能。2.2纖維直徑通過計算機直徑測量軟件測量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(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量相近的情況下,比較12.4固體顆粒物的制備過濾性能實驗的氣體流量分別為32L/min和85L/min,測試用氣溶膠為NaCl固態顆粒物。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,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,在單位面積質量相近的情況下,對于空氣動力學質量中值直徑為0.26μm的NaCl固態顆粒物,1由表5可看出,4由此可以得到以下結論:當孔徑尺寸下降約一個數量級,過濾效率呈現一個數量級增加趨勢。當制備高效濾料時,單獨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,達到高效低阻目標。濾料平均孔徑和所捕集顆粒物尺寸關系: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;對于過濾效率而言,密度階梯濾料不具有加和效應,主要由過濾效率最高的纖維層決定。b.當濾料平均孔徑比顆粒物尺寸約大一個數量級及以內時,纖維層具有優良的過濾性能,但是當大兩個或以上數量級時,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量級,過濾效率則呈現一個數量級以上增加趨勢。c.在單位面積質量相近的情況下,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,對空氣動力學質量中值直徑為0.26μm的NaCl固態顆粒物的過濾效率達到