空气过滤用水刺非织造布的性能研究及应用_蒙国慧.pdf

应用技术纺织导报 China Textile Leader 2023 No.259Nonwovens Technology非织造技术空气是一种混合气体，当空气中的悬浮颗粒物达到一定浓度后，其会对环境和人体产生一定的危害。长时间漂浮在大气中的粒径为0.1 10 m的气溶胶粒子对人体健康影响最大，这些粒子包含各类粉尘、细菌、花粉、烟雾等，能够被人体直接吸入呼吸道内，从而进入肺部，对人体健康会造成危害。通过过滤使空气的洁净度提高，能够大大降低有害物质对人体的伤害。目前，空气过滤材料的种类很多，如金属滤网、海绵、过滤膜、活性炭、纺织滤材、非织造布滤材等。其中，非织造布因具有杂乱的纤维三维交织结构，其内部存在大量的孔洞，形成许多无规则的弯曲通道。这种结构可保证空气易于穿过，而颗粒物则被过滤拦截，因此非织造布滤材在过滤性能方面具有较大优势。同时，非织造布原料适应性强，金属纤维、无机纤维、化学纤维空气过滤用水刺非织造布的性能研究及应用 文|蒙国慧贾耀芳符芳友吴育师张俊奇作者简介：蒙国慧，男，1991年生，助理工程师，主要从事水刺非织造布产品研发。作者单位：欣龙控股（集团）股份有限公司。基金项目：海南省重点研发计划（ZDYF2020021）。摘要：空气过滤用水刺非织造布与针刺静电棉相比，具有孔隙小、均匀性好的优势，与熔喷过滤材料相比，具有低通气阻力和高容尘率的优点。空气过滤用水刺非织造布产品可用于一次性医用口罩芯层及填充层材料、初效或中效空气过滤材料以及高效空气过滤的前道过滤材料等。关键词：水刺；空气过滤；过滤效率；通气阻力；产品应用中图分类号：TS176 文献标志码：APerformance Research and Application of Spunlaced Nonwovens for Air FiltrationAbstract:Compared with needle-punched electrostatic cotton,spunlaced nonwovens for air filtration are of small pores and good uniformity.Compared with melt-blown filter materials,spunlaced nonwovens for air filtration are of low ventilation resistance and high dust loading rate.The product can be used as the core layer and filling layer of disposable surgical masks,primary or intermediate air filter material,and the pre-filter of high-efficient air filtration.Key words:spunlace;air filtration;filtration efficiency;ventilation resistance;application等各类纤维均可加工，可在各类恶劣环境下进行使用。按工艺，用于过滤的非织造产品主要有熔喷非织造布、针刺非织造布、水刺非织造布、湿法非织造布等，不同工艺的非织造过滤材料各具优缺点，在实际应用中需根据具体用途、应用场景选取合适的过滤材料，才能使滤材发挥最佳过滤效果。1水刺非织造布空气过滤材料的过滤机理空气过滤材料的过滤机理主要有布朗运动、重力沉降、惯性碰撞、静电吸附、机械拦截作用等。水刺非织造布对不同粒径范围的微粒表现出不同的拦截作用，当颗粒物粒径大于10 m时，重力沉降、机械拦截为主要过滤方式；当颗粒物粒径为 1 10 m时，惯性碰撞作用为主要过滤方式；当颗粒物粒径为0.3 1 m时，静电吸附、机械拦截效应为主要过滤方式；当颗粒物粒径小于0.3 m时，静电吸附为主要过滤方式。水刺非织造布采用高压微细水射流对纤维原料进行柔性缠结，其内部具有非常好的纤维三维交织结构和密度空间，可适用于空气过滤材料。根据研究，通过选用合适DOI:10.16481/ki.ctl.2023.02.018应用技术60纺织导报 China Textile Leader 2023 No.2Nonwovens Technology非织造技术的纤维原料、水刺工艺和静电驻极处理后可赋予水刺非织造布稳定的静电电荷，极大地提高了水刺非织造布的过滤性能，并使其具有极低的通气阻力和较大的容尘量。本文主要通过对水刺非织造布空气过滤材料的各类性能进行研究比较，分析其性能优势以及产品的应用方向。2水刺非织造布空气过滤材料的性能研究为了更好地研究空气过滤用水刺非织造布的性能特点，本文实验部分选用克重为25 g/m2静电驻级熔喷非织造布、100 g/m2针刺静电棉与70 g/m2的水刺非织造布 1#、100 g/m2水刺非织造布 2#进行比较。2.1实验部分单位断裂强度测试：按照GB/T 24218.3 2010纺织品 非织造布试验方法第 3 部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）测试强力指标，采用YG026PC250型电子强力机测定。为了便于对不同定量的非织造布进行比较，采用单位断裂强度的概念，其用断裂强力（cN）除以非织造布克重（g/m2）与样品宽度求得。体积密度测试：采用YG141型厚度仪按照GB/T 24218.2 2009纺织品 非织造布试验方法 第 2 部分：厚度的测定测定名义厚度指标后，样品的克重与在名义厚度比值即为体积密度，单位为g/cm3。过滤性能测试：分别采用美国TSI公司8130型和世尘科技公司的自动滤料测试仪进行测试。采用TSI 8130测试的过滤介质为氯化钠气溶胶，气体流量为32 L/min，气溶胶质量中值直径为0.26 m，数量中值直径为0.075 m。本文采用TSI 8130型过滤性能测试仪测试滤材初始过滤性能，再测试样品加载 5 和10 min后的过滤性能（将一定浓度的氯化钠气溶胶气体在一定流量下持续透过过滤材料 5 和10 min）。采用世尘科技公司的自动滤料测试仪分别测试在32和95 L/min流量下对直径为0.3、0.5、1.0、3.0、5.0、10.0 m微粒的过滤效率，所用过滤介质为氯化钠气溶胶。2.2结果分析2.2.1基本物理性能各类过滤材料的基本物理性能如表 1 所示，通过表 1 中各类非织造材料的单位断裂强度和体积密度可以看出，熔喷非织造布的力学性能最低，体积密度最大，原因是熔喷工艺是将聚合物粒料加热熔融纺丝，再在接收帘上形成非织造布，纤维相互黏连固结，线密度小，排列比较紧密但缠结程度低，因此熔喷布的强度比较低，密度比较大，结构相对紧实。针刺静电棉采用金属刺针穿插带动纤维实现纤维间相互缠结，缠结效果一般；针刺的特点是材料表面有针痕，单位断裂强度一般，但比熔喷非织造布高；体积密度最低，说明针刺静电棉结构蓬松，厚度比较大。水刺非织造布采用高压水针进行加固，布面表面平整，无明显针眼，相比针刺非织造布，其纤维的缠结度更高，因此水刺非织造布在单位断裂强度上优于针刺非织造布，其尺寸稳定性好，但蓬松度低于针刺非织造布。2.2.2过滤性能测试表 2 为各类过滤材料加载测试的结果。从表 2 可以看出，熔喷非织造布的初始滤效和初始阻力最高，这与熔喷布的纤维细度和结构以及加工工艺有关，熔喷布的纤维直径主要在 1 5 m，纤维分布相对密集，纤维比表面积大，纤维间的缝隙比水刺和针刺过滤材料小很多，经静电驻极后，熔喷非织造布带有大量稳定的静电，具有很强的静电吸附能力，因此其过滤效率比水刺和针刺非织造布要高，但通气阻力也比较大。对比70 g/m2水刺非织造布 1#与100 g/m2针刺静电棉，两者过滤效率和通气阻力接近。通常情况下，滤材克重越高，滤材的过滤效率应该越高，但由于水刺非织造布比针刺静电棉孔隙分布更均匀，纤维间的孔隙更小，因此，70 g/m2水刺非织造布的过滤效率也能达到100 g/m2针刺静电棉的过滤效率。对比两种水刺非织造布，发现 2#滤效更高，但其通气阻力也比较高，说明克重增加一定程度上会加大滤材通气阻力。经过加载 5 min后，各过滤材料表 1各类过滤材料基本物理性能对比样品名称单位断裂强度/（cNtex1）体积密度/（gcm3）纵向横向熔喷非织造布11.237.750.10针刺静电棉14.2119.180.07水刺非织造布 1#28.8927.870.09水刺非织造布 2#31.0544.010.10表 2各类过滤材料加载测试结果过滤测试水刺非织造布 1#水刺非织造布 2#针刺静电棉熔喷非织造布滤效/%通气阻力/Pa滤效/%通气阻力/Pa滤效/%通气阻力/Pa滤效/%通气阻力/Pa初始测试73.4385.2873.6495.616加载 5 min65.2479.8856.9494.417加载10 min55.4476.9942.1594.619应用技术纺织导报 China Textile Leader 2023 No.261Nonwovens Technology非织造技术的过滤效率都有不同程度的降低，原因是随着气溶胶的持续加载，滤材纤维表面颗粒物不断积累，滤材表面静电吸附能力下降，过滤效率逐渐降低。针刺静电棉比较蓬松，加上有针刺的针痕，孔隙比较大，对于较大颗粒的捕捉效果差，因此在加载过程中，有更多的大颗粒物穿过，针刺非织造布滤效衰减量最多。水刺非织造布和熔喷非织造布孔隙相对小，大颗粒物容易被拦截，因此两者的过滤效率衰减量相对较少。加载10 min以后，滤材纤维表面堆积的颗粒持续增加，静电吸附效果进一步减弱，水刺和针刺非织造布的滤效进一步降低，衰减量分别达到15.0%和26.0%，而熔喷非织造布则有上升的趋势。原因是熔喷非织造布表面及内部积累了一定量的颗粒物，孔隙通道被堵，形成一层拦截层，因此滤效反而增加，但通气阻力也在不断增加。2.2.3不同粒径颗粒物的过滤测试各类滤材在不同气流量下对不同粒径颗粒物的过滤效率如图 1 和图 2 所示。由图 1 和图 2 可以看出，无论是在32 L/min还是在95 L/min的测试流量下，各滤材对颗粒物的过滤效率整体都随着颗粒物粒径的增大而增加。当测试气流量达到95 L/min时，各滤材的过滤效率相比于32 L/min要低，说明气流量越大，气体流速越快，颗粒物的动能越高，更容易穿过滤材。在气流量为95 L/min时，水刺非织造布对 5 m左右粒径的颗粒拦截效果比针刺滤材更好，滤效可达到91%以上，这主要是因为水刺非织造布结构更加紧密，纤维间的孔隙更小，对大颗粒物的物理拦截效果更好。3水刺非织造布的应用通过上述对水刺非织造布的分析可知，水刺非织造布在过滤性能上具有一定优势，其可应用于初效或中效空气过滤器、较低过滤要求的口罩芯体或其他类口罩的填充或支撑材料的辅料。3.1初效或中效空气过滤器空气过滤器一般应用于家用新风系统、汽车空气过滤、洁净厂房或车间、吸尘器等，也可以作为精密过滤的前道过滤。按等级可分为粗效、中效、高中效、亚高效、高效和超高效 6 个等级，不同等级的产品有不同的过滤性能要求。根据不同级别滤材标准要求，水刺非织造布可用于初效或中效空气过滤器滤料，相比于相同过滤效能的针刺过滤材料，水刺非织造布的克重通常更低，更能节约纤维原料。特别对于高流速下的粒径为5.0 m左右的颗粒物，水刺非织造布的过滤效率与过滤精度更高。水刺非织造布的厚度更小，如果作为折叠性空气过滤器，相同厚度情况下可以折叠更多层数，增加过滤面积。3.2口罩虽然水刺非织造布比目前常用的熔喷非织造布滤效低，但其通气阻力远低于熔喷非织造布，在对过滤效率要求比较低的环境下，水刺非织造布作为滤芯具有更低的通气阻力，更佳的佩戴舒适性，呼吸更加顺畅。此外，水刺非织造布相较熔喷非织造布更厚，保温性更好，在低温环境下还能起到保暖作用。因此，水刺非织造布可用于口罩填充料起到初级过滤的作用，对口罩整体的过滤性能具有提升作用。4结论在一定克重范围内，水刺非织造布的强力优于针刺、熔喷非织造布，厚度介于熔喷非织造布与针刺静电棉之间。在过滤性能方面，熔喷非织造布的过滤效率最好，但其通气阻力也最高。在长时间加载使用过程中，熔喷非织造布的滤效会先下降后升高，通气阻力持续上升。从过滤的原理来看，水刺与针刺非织造布滤效应该也是遵循先降低后增加的趋势，但需要较长的加载时间才能显示出来。在初效相近、加载条件相同的情况下，与针刺静电棉相比，水刺非织造布的过滤效率衰减更缓慢。在较高气流量下过滤时，水刺非织造布对直径较粗的颗粒物过滤效果更好。鉴于水刺非织造布的特点，可将其应用于口罩过滤芯体和其他辅助材料，也可用作初效、中效空气过滤材料。颗粒物直径/m10095908580757065605550过滤效率/%0.3 0.5 1.0 3.0 5.0 10.0水刺空气过滤材料 1#水刺空气过滤材料 2#针刺静电棉熔喷布图 1各类滤材对不同粒径颗粒物的过滤效率（气流量为32 L/min）颗粒物直径/m10095908580757065605550过滤效率/%0.3 0.5 1.0 3.0 5.0 10.0水刺空气过滤材料 1#水刺空气过滤材料 2#针刺静电棉熔喷布图 2各类滤材对不同粒径颗粒物的过滤效率（气流量为95 L/min）