（纺织材料与纺织品设计专业论文）空气吸尘器过滤材料的结构与性能研究.pdf

空气吸尘器过滤材料的结构与性能研究 摘要 我国生产的吸尘器种类繁多，产量也很大，但却因没有与之 配套的过滤材料，而降低了吸尘器的使用效果。因此探索研制新 型的、专用的吸尘器过滤材料具有广泛的社会意义。 本论文的研究重点是吸尘器聚丙烯熔喷非织造材料加工工艺 及其过滤性能分析，对吸尘器滤尘布复合材料的结构与性能进行 探讨和分析，并对吸尘器集尘袋做了产品工业化技术路线的初探。 本论文研究的主要内容为： 1 研究测试了聚丙烯原料( 牌号为y 2 6 0 0 t ) 的熔体流动指数、 结晶度、流动性能等基本性能指标。根据聚丙烯原料的特性，选 择适当的设备结构及加工工艺参数，保证熔喷加工的顺利进行。 2 在熔喷工艺实验中通过变化横动层数、空气压力、螺杆转速 三个工艺参数来制得不同样品，然后分析聚丙烯熔喷非织造布的工 艺参数、结构和过滤性能三者之间的关系。通过研究表明： ( 1 ) 纤网面密度随着横动层数和挤出量的增大而增大，空气 压力对面密度的影响不显著；纤网中纤维的直径随着空气压力的增 大而逐渐减小，随着螺杆转速增大而逐渐增大，其中横动层数的影 响较不显著；熔喷非织造布的孔径主要分布在d , ：f l 径范围，纤网孔 径随着空气压力的增大而明显憾爻，随着螺杆转速的增加而涛太。 ( 2 ) 过滤效率测试表明：熔喷非织造布过滤效率随着纤维直 径、纤网孔径的减小而增大，随着厚度的增大而提高；过滤阻力随 着纤维直径、厚度的增大而提高。此外，实验中还通过驻极处理来 改善材料的过滤效率。实验表明，相同工艺技术下的材料经过驻极 处理后过滤效率明显提高，而过滤阻力没有变化。 3 以熔喷非织造布，纺粘非织造布和湿法非织造布为基本材 料，对其以五种吸尘器袋结构形式进行组合，通过压烫粘合技术将 各材料复合，并对五种吸尘器袋结构复合材料的结构与性能进行 分析，得出以下结论： ( 1 ) 熔喷与纺粘或湿法非织造布中的任一层或两层的复合过滤 材料具有很好的拉伸强度和抗变形能力，弥补了熔喷过滤材料存在 的力学性能差和耐磨性差的缺陷。 ( 2 ) 复合过滤材料的孔径值取决于参与复合材料中的具有最小 孔径值的非织造布，复合材料的过滤效率取决于参与复合材料中的 具有最高过滤效率的非织造布。材料间的粘结作用提高了复合材料 的过滤效率和过滤阻力。 ( 3 ) 复合过滤材料既保持了熔喷非织造布高效低阻的过滤特 性，又具有纺粘法湿法非织造布很高的力学性能。 ( 4 ) 随着过滤比速的增加，复合材料的过滤效率呈下降趋势， 扩散和静电效应仍为主要因素。过滤阻力同过滤比速成线性正比关 岁 系。 本文还阐述了吸尘器滤料的除尘过滤机理，滤料的阻力特性 和效率特性，阻力与清灰的关系以及效率与过滤风速的关系。在 查阅资料和大量实验及比较分析的基础上提出了五种吸尘器结构 的优化方案，并对吸尘器集尘袋做了产品工业化技术路线的初探。 关键词：吸尘器，非织造布，熔喷，过滤，复合材料 s t u d yo nt h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo f v a c u u mc l e a n e rf i l t e r i n gm a t e r i a l a bs t r a c t t h em a i ne m p h a s i so ft h i s p a p e r i st or e s e a r c ht h ep r o c e s s t e c h n o l o g ya n df i l t e r a b i l i t y o fp pm e l tb l o w nn o nw o v e n ，t h e c o n s t r u c t i o na n d p r o p e r t y o f c o m p o s i t em a t e r i a l h a v ea l s ob e e n d i s c u s s e d ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h i sp a p e ri sa st h ef o l l o w i n g ： 1 m f i ，c r y s t a l l i n i t y ，f l u i d i t ya n do t h e rp e r f o r m a n c e so fp ph a v e b e e n t e s t e d a c c o r d i n g t ot h e p e r f o r m a n c e s o f p p , p r o p e r c o n f i g u r a t i o no fe q u i p m e n t sa n da p p r o p r i a t ep a r a m e t e r si np r o c e s s a r ec h o s e n ，t om a k es u r et h es u c c e s so fp r o c e s s 2 t h ep r o c e s so fp pm e l tb l o w nn o nw o v e ni sc o n t r o l l e db y c h a n g i n gt h ef o l l o w i n gp a r a m e t e r s ：l e v e ln u m b e r , a i rp r e s s u r ea n d s p e e do fs c r e w b a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i s ，t h e s ec o n c l u s i o n s h a v eb e e nd i s c u s s e da st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) a r e ad e n s i t yo fw e b i si n c r e a s e dw h e ni n c r e a s i n gl e v e ln u m b e r a n ds p e e do fs c r e w , i n f l u e n c eo fa i rp r e s s u r ei sn o ts on o t a b l e ； d i a m e t e ro ff i b e r si sr e d u c e dw h e nr e d u c i n ga i rp r e s s u r eo rs p e e do f s c r e w , i n f l u e n c eo fl e v e ln u m b e ri sn o ts on o t a b l e ；d i m e n s i o no f a p e r t u r e ，w h i c hm a i n l yd i s t r i b u t e si ns m a l ld i a m e t e r si ss i g n i f i c a n t d e c r e a s e db yi n c r e a s i n ga i rp r e s s u r e ，a n dd i m e n s i o no fa p e r t u r ei s r n c 觚以w h e ni n c r e a s i n gs p e e do fs c r e w ( 2 ) f i l t r a t i o ne f f i c i e n c yi si n c r e a s e dw h e nd e c r e a s i n gd i a m e t e ro f f i b e r sa n da p e r t u r eo fw e b ；f i l t r a t i o nr e s i s t a n c ei si n c r e a s e dw h e n i n c r e a s i n g d i a m e t e ro ff i b e r so rt h i c k n e s so fw e b f i l t r a t i o n e f f i c i e n c y c a nb ei m p r o v e db ye l e c t r i f i c a t i o n w i t h o u ti n c r e a s e f i l t r a t i o nr e s i s t a n c e 3 m a k i n gf i v e v a c u u mc l e a n e rb a g sb a s e do nt h r e em a t e r i a l s w h i c ha r em e l t b l o w nn o nw o v e n ，s p u n b o n dn o nw o v e na n dw e t l a y i n gn o nw o v e n f i n da p p r o p r i a t ep r o c e s s i n gc o n d i t i o n sf o rt h e r m a l b o n d i n gt e c h n o l o g y , a n da n a l y z et h ep r o p e r t yo f t h e s ec o m p o s i t e s t h e c o n c l u s i o nh a v eb e e nd i s c u s s e da st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ec o m p o s i t e sh a v et h eq u a l i t i e so fh i g hs t r e n g t ha n dw e a r i n g r e s i s t a n c eo fs p u nb o n dn o nw o v e n ，g o o df i l t r a t i o no fm e l tb l o w n n o nw o v e n ( 2 ) t h ed i m e n s i o no fa p e r t u r ei nc o m p o s i t e sd e p e n do nt h el e a s t d i m e n s i o no fa p e r t u r e i n t h en o nw o v e nw h i c ht a k e s p a r t i n c o m p o u n d i n g ，t h e f i l t r a t i o ne f f i c i e n c ya l s ol i k et h i s t h ef i l t r a t i o n e f f i c i e n c ya n dr e s i s t a n c ec a nb ei m p r o v e db yt h eb o n d i n gt r e a t m e n t ( 3 ) t h ef i l t r a t i o ne f f i c i e n c yi si n c r e a s e dw h e nd e c r e a s i n gf i l t r a t i o n v e l o c i t y ，a n dt h e r e i sa p o s i t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e nf i l t r a t i o n r e s i s t a n c ea n df i l t r a t i o nv e l o c i t y t h em a i nf i l t r a t i o nm e c h a n i s mi n i sd i s i o nf f f e c ta n df l e c t r o s t a t i c ；f f e c t c o m o o s i t ei sd i t t u s l o ne t t e c ta n ae l e c t r o s t a t i ce i i e c t b a s e do nal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sa n da n a l y s i s ，t h e i n d u s t r i a lm e t h o do fp r o d u c t i o nf o rv a c u u mc l e a n e rb a g sh a sa l s ob e e n d i s c u s s e d y ux i a o l i n g ( t e x t i l em a t e r i a l sa n df a b r i cd e s i g n ) s u p e r v i s e db yj i nx i a n g y u ( a s s o c i a t ep r o f e s s o r ) k e yw o r d s ：v a c u u mc l e a n e r ，n 。nw 。v e n 蜷! e l tb l 。w n ，f i l t 筏妇弧， c o m p o s i t e 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：菇神拶卜 e t 期：m 年，x 月 7 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密留，在二l 年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：命甍卜 日期：) 心年，工月l ，e l ， 燧名南m 星 日一尹 东华大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 本课题提出的背景 居室是人们生活、休息的重要场所，人在室内时间约占全天的1 2 至 2 3 。创造一个清洁舒适的居住环境是至关重要的，对促进健康和保持愉快 都不可少，对婴幼儿来说，还有益于发育和健康成长。然而，当一束阳光照 射到室内，即可看到无数尘埃在空气中飘浮，这些尘埃对人的身体健康会产 生非常重大的影响，其中又以直径0 5 5 微米并带有毒性的尘埃对人体健 康影响最大。暴露于室内污染的健康问题很有可能上升，因此对室内空气 过滤提出了更高的要求。 目前过滤已经成为众多家庭用具中的一个明显特点。大范围由过滤介质 做成的各式过滤器已广泛用于家庭用具中，其中吸尘器受到了广大消费者的 青睐，使用日趋广泛。吸尘器中的滤尘部分在整台器具中占有重要地位，它 的材质、结构直接影响到吸尘效果和使用寿命。其中过滤材料在滤尘系统中 起着举足轻重的作用乜一1 。 1 1 1 空气吸尘器过滤材料的发展 在9 0 年代，我国生产吸尘器的厂家已有一百余家，但滤尘部分的材料 主要不外乎纸质和化纤质( 纱线质) 两大类h 1 。国产的纸质虽然经过丝光、树 脂等处理，但与进口纸质相比，无论在机械强度、厚度、均匀性、透气性、 抗油性、抗水性等方面均存在一定差距，故已较少使用。被用做滤尘材料的 还有过滤织物、非织造布和毡类，对于这三种材科，我国以前采用较多的是 过滤织物，如涤纶斜绒或其它织物。采用涤纶斜绒，能充分利用表面起绒部 分捕集灰尘，从而保持较长时间的透气，但起绒面不易清理，使吸尘能力略 有下降。为克服上述缺陷，使滤尘效果更好，结构更合理，目前多采用多级 过滤5 t 引。 从国外最新产品来看 1 ：日本的三菱、东芝、松下、夏普、日立以及 末华擘+ 荦住论文 法国、德国、荷兰等国的厂家均采用经化学处理的双层抗茼纸袋柬过滤灰尘。 双层抗苗纸袋内外层的纸质厚度不同，内层采用5 珊z 左右的筛孔纸，外层则 是特殊纸与内层相迭而成。同时，为了防止纸袋的破裂，视各类吸尘器的不 同结构，还增有抗菌储尘盒或挡尘抗菌非织造布。采用抗苗储尘盒或挡尘抗 菌非织造靠的作用是：一方面，万一灰尘从破损的纸袋中漏出，能起集尘效 果。同时也对纸袋滤尘的空气进一步过滤，使集尘效果更佳排出空气更清 洁，对2 3 加，的尘埃也能捕获。另一方面，通过纸袋和储尘盒( 非织造布) 的抗葡纤维可进一步抑制壁虫、螨、棉尘、食物渣上的霉菌、杂菌的繁殖。 当纸袋装满扶尘后，取出纸袋扔掉即可，人不接触灰尘，既方便、又卫生。 l1 2 吸尘器滤材存在的主要问题 1 对于细颗粒粉尘过滤效率过低 传统的真空吸尘嚣的作用是从地板、装饰表面、窗帘等上移去灰尘，而 很少注意到移去次微米粒子。对于大干5 0 微米的粗尘，各种类型的除尘器 都有一定的效果，但对于小于5 微米的呼吸性粉尘，目前的吸尘器除尘效率 过低。据研究表明“1 ：室内香烟烟雾颗粒的尺寸范围为：00 9 o 1 埘，均 匀灰尘颗粒的尺寸范围为05 3 朋花粉颗粒的尺寸范田为：0 5 l l0 , u r n 。图卜l 是常见颗粒物被非织造过滤材料捕集过滤的状况。 ( a ) 溶剂颗粒捕集b ) 花糟捕集 幽l - l 非织遗材料对徽细颗粒的捕集 东华大学硕士学位论文 2 普通吸尘器的二次污染 普通吸尘器的二次污染已成为影响清洁质量的严重问题。目前，市场上 销售的吸尘器大都存在不能阻留灰尘微粒的缺点。吸尘器中所配置的集尘 袋，阻留灰尘微粒的有效率仅为2 7 阳1 ，以致吸尘器在使用强吸力时，灰 尘通过滤袋又从喷气口喷扬到室内空气中，给室内空气造成二次污染。 3 机械强度不足阳1 以往的极化非织造布在用做过滤材料的情况下，为求得低压力损失，其 厚度都非常薄，并且使用了低密度材料，这样，其机械强度便不足，会出现 二次加工时破损，伸长等问题。另外，其形状保持性差，重叠起来成型加工 时操纵性差。 4 使用寿命短 使用寿命是指过滤器阻力达到规定的终阻力的时限n 们。目前吸尘器电 动机平均使用寿命为1 0 0 0 1 5 0 0 小时，但吸尘器每次连续使用时间不能超 过1 小时，以防止电机过热而烧毁h 1 。传统的吸尘器过滤纸怕潮湿，不耐酸 碱，在清洗时又必须使用清洗剂清洗，使得其过滤终阻力和强力等性能受到 影响，使用寿命大大缩短。 目前吸尘器的一种主导形式为用即弃型过滤袋，大多数一次性吸尘器 袋，由纤维素纸制成，过滤效率很低，当用o 3 微米的粒子测试时，过滤效 率大部分只为5 1 0 。非织造布过滤材料的质量可靠性与易成型性等 因素使其在吸尘器滤材领域有了很好的发展前景。当前高效率吸尘器过滤材 料是通过发展多层材料来实现的，可通过在过滤介质中加入一层或者多层材 料来达到高过滤效率。依据纤维层数和驻极的不同，这类过滤材料的过滤效 率有很大的差别伯9 1 。 1 2 非织造空气过滤材料的发展 空气过滤领域主要包括家用滤尘袋、热空气过滤、通风过滤、空调过 滤( 以上三种简称为h e p a ) 、真空吸尘过滤袋及呼吸器n ，如图1 2 所示。 新型非织造布过滤介质，采用较大的比表面积及截面有较深纹理和沟槽的纤 毕女学w 学住i 维为原料，使过滤介质有更大的粒子捕集性，从而可以提高过滤性能“。非 织造布过滤介质的质量可靠眭与易于成型性等因素使其在许多应用方面，尤 其是空气过滤领域的应用取得了引人注目的发展。 瓣 藿豳，幽# 圈1 2 非织造布滤尘袋 脚 121 国内非织遣过滤材料的现状与发展趋势” 我国的非织造过滤材料起步于6 0 年代术7 0 年代初，采用的是湿法和化 学粘合法加工技术，针刺法、纺粘法、熔喷法等加工技术则出现较晚。目前 针刺法占据着国际非织造过滤材料首位，而熔喷法因其产生的纤维超细( 1 1 0 埘z ) ，具有更大的比表面积，更高的孔隙率( 7 5 ) ，更细的空隙( 孔 径2 0 , u r n ) 而位居第二。进入9 0 年代以来，我国的非织造滤材进入了一个 全面发展的时期，相继研制成功多种非织造滤材如：复合滤材、成型滤材( 滤 芯) 、功能性滤材( 抗静电、阻燃、耐高温等) 等。到目前为止我国己建成 一个较完整的非织造滤材生产体系。 针刺法非织造布的产品主要为：土工布、过滤材料、合成革基布、鞋材 等，而针刺法的过滤材料是目前应用最多的过滤材料，普遍应用于空气过滤 以及液体过滤形式，其产品包括过滤袋式、平板式。 我国的湿法非织造布从6 0 年代初就开始生产，主要用于过滤材料。湿 法非织造过滤材料的重要性和以前相比虽然有所降低，但是在一些领域，特 别是在廉价的通用型滤料及某些特种滤料方面，目前湿法仍是无法被其他非 织造技术所取代的一种非织造滤料的重要手段。其原因是：i l 芭法非织造技术 东华大学硕士学位论文 可用较低成本生产出具有较高均匀度与一定强力的滤料。其产品主要应用于 吸尘器集尘袋、茶叶滤袋、化学品过滤、汽车用滤料等n 钔。 约三十年前纺粘法就开始出现了，但取得突破性的发展还是在最近的十 年，纺粘法非织造布近年来的年增长率约为6 8 。纺粘法在整个非织造 滤料的生产方法中仅占很少一部分，用纺粘法非织造布制作过滤介质，如果单 独使用，其强力高是突出优点，但其均匀度差却是致命弱点。因此纺粘法非织 造布常和熔喷非织造布经叠层制成复合滤料，这样可使熔喷法非织造布纤网 均匀性好、过滤性能优良的优点充分发挥，而强力差的严重缺点被纺粘法非 织造布所弥补。所以纺粘法非织造布目前大多以复合形式被应用n 5 1 。 熔喷技术是当今能生产高效滤材的一项专门技术，这种滤材可以阻截 粒径为0 5 微米的粒子，有效地从尘埃中洁净空气流。在中国我们至少拥有 1 5 家公司可以生产熔喷超细纤维产品，通常与纺粘材料复合使用。此外， 在中国还有至少3 0 - - 4 0 家相对小型的熔喷产品生产商n 引。带电熔喷( m b ) 超 细纤维由于其高过滤效率及低压降，被大量用作吸尘器滤袋中纤维素纤维的 替代品，纤维素纤维纸仍被用作吸尘器滤袋的后支撑结构，但纤维纸可以由 具有高强度和低压降的纺粘非织造布代替n 。 1 2 2 国外非织造过滤材料的现状与发展趋势 世界上目前生产应用非织造布滤材最多的国家为美国，非织造滤材生产 的主要公司也集中在美国，其次为西欧、日本。据有关报道n 引，按地域分布， 非织造滤材市场4 1 在美洲，欧洲( 主要为西欧) 占3 5 ，亚洲为2 4 。 生产非织造滤材的原料主要是聚酯、粘胶、聚丙烯以及许多高性能纤维。19 9 3 年世界纤维材料型过滤系统与过滤器件的市场总额已达2 0 亿美元，而2 0 0 5 年则达到4 0 亿美元。其中过滤介质，也就是纤维材料制成的过滤系统占总 销售额的四分之三以上，而且随着时间的推移，其比重在上升。 最早成功用于滤材生产的是湿法非织造技术，还有化学粘合( 浸渍法、 喷洒法等) 和针刺加固、纺丝成网、热粘合以及熔喷法，熔喷法发展较晚， 但是由于其产品独特的性能使得熔喷法在现在的过滤材料市场上得到了强 东华大学硕士学位论文 劲的发展，并且成为仅次于针刺法的第二大类，而在熔喷法非织造布的应用 领域中，滤料始终占主导作用n 钔。 在以后，非织造滤料的生产手段百花齐放的局面仍将存在，但明显的 趋势是熔喷法的应用将增加，纺丝成网，特别是细旦技术应用于滤料生产将 有一定增加，针刺技术由于空气滤袋及家用吸尘技术的增加，仍将是一种主 要的滤料生产手段乜0 1 。今后将更多的采用不同非织造技术组合生产滤料，非 织造滤料将与其它过滤介质( 如膜、纺织品、纸等) 更多的复合使用，非织 造滤料复合加工与其它深加工技术的结合也将增加。过去以大批量、单一品 种形式出现的通用型普通非织造滤料的需求将会降低，代之以专门选择的原 料，完全按使用要求设计的工艺生产的滤料。不仅要考虑质量、价格，更需 要考虑使用效果、性价比。也就是说：非织造滤料的生产将从过去以取代新 为主和少量专用型开发而完全转向更科学化、理性化的生产。反之，就要求 非织造滤料生产转向采用小批量、多品种、翻改品种方便的柔性生产系统乜。 1 3 复合空气过滤材料的发展 非织造复合技术一般采用机械、化学或热力等特殊工艺手段，对机织产 品、针织产品、非织造材料、纸、高分子材料等两种或两种以上性能各异的 材料进行以非织造物为主的各种形式的组合加工乜幻。 1 3 1 复合目的与优势乜3 一们 对产品进行复合的目的主要有三个方面：一是增加强度并使产品的综合 性能加强，大多为产业用非织造布：二是通过复合来克服单一工艺产品的缺 点：三是将不同功能的材料结合在一起，成为高性能、多功能的新材料。 复合后的产品充分利用了不同材料的各自长处，不但使产品的物理机械 性能有较大提高，而且产品集多种材料的优良性能于一体，在许多方面都大 大地超过原来各单一工艺产品的性能，成为具有特殊性能、能满足高技术要 求的新型功能性材料。所以高技术复合化手段已成为非织造布技术的一个发 展方向。 6 东华大学硕士学位论文 1 3 2 复合方式 非织造布复合产品将两种或两种以上不同种类的材料，通过化学、热或 机械的方法复合而成，复合材料可以是非织造布、机织布、聚乙烯薄膜、聚 氨酯泡沫塑料、塑料网格、涂层剂等，复合生产方法主要有以下五种瞳5 1 ： 1 层压生产方法 使两层以上不同性能的片状物或网状物生产复合。加工的方式：粘合剂 法、热熔融法及溶剂法。这种方法的优点是生产速度快、操作技术简单、粘 合质量均匀，其中热熔融粘合法所生产的复合产品手感柔软而且生产能耗 低。 2 沙莫特生产方法 是把一种能产生交联的弹性聚氨酯粘合剂以细微花型印制在底部上， 再与其它底部粘合的方法。这种方法的优点是不需要加热和加压即可产生粘 合，所生产的复合产品柔软，强力高，具有抗撕裂性、伸缩性和吸收性，而 且能防止粘合剂渗透。 3 火焰复合法 是通过控制气体火焰的方式熔化一层底料的表面作粘合剂，再与另一 层材料粘合在一起的复合方法，一般是采用泡沫片材作为被熔化的底层材 料。这种方法加工工艺简单、效率高、耗能低，但所生产的产品品种单调。 4 涂层生产方法 以非织造布、机织布、薄膜为基布，将另一层液体材料均匀地涂覆在 表层，涂层厚度可根据产品要求任意选择，涂层剂可以是树脂，也可以是功 能性助剂，采用功能性助剂能使非织造布复合产品向高性能和多样化发展。 5 机械生产方法 由非织造布与非织造布或机织布经针刺固结后形成的复合产品，生产 方法主要有针刺法和缝编法，其中针刺法使用比较多。这种方法生产速度快， 工艺流程短，但针刺会对织物强力有所损伤。 目前成熟和常用的非织造布的复合工艺主要有粘合剂复合、热熔复合、 涂层复合、火焰复合、层压复合、针刺复合、水刺复合以及各种工艺组合复 7 东华大学硕士学位论文 合如s m 、s m s 、s m m s 等，其产品广泛应用于土木建筑、化学防护、过滤材 料、医疗卫生等领域和行业引。 加工方法又分为在线复合和离线复合心 。在线复合也可以称为连续式生 产，具有效率高、中间环节少、成本低等优点，但一次性投资大，不适合小 批量、多品种生产；离线复合也可以称为间歇式生产，适于小批量、多品种 生产。 本课题研制的吸尘器过滤材料采用的复合方法为离线层压复合技术。 1 4 本课题研究意义及主要内容 1 4 1 本课题研究意义 吸尘器的滤尘部分在整台机器中占有重要地位，它的材质、结构直接影 响到吸尘效果和使用寿命。我国生产的吸尘器种类繁多，产量也很大，但却 因没有与之配套的过滤材料，而降低了吸尘器的使用效果。因此探索研制新 型的、专用的吸尘器过滤材料具有广泛的社会意义乜1 。 非织造布作为一种新型的过滤材料，以其优良的过滤效能、高产量、低 成本、易与其他滤料复合且容易在生产线上进行打裥、折叠、模压成型等深 加工处理的优点，逐步取代了传统的机织和针织滤料而在过滤行业得到广泛 应用心羽。尤其是熔喷非织造布，它具有独特的纤维网络结构、空隙小以及高 过滤效率的特性，使其在过滤行业有了很大发展前景。 目前国内外关于非织造空气过滤材料的研究较多，但很少有集中关于吸 尘器过滤材料的研究进展的报道，尤其是对于传统吸尘器纸的改进及复合工 艺的研究很少。为此探索新型的吸尘器过滤材料，并对吸尘器过滤材料的结 构与性能进行研究，是本课题研究中需要解决的问题。 1 4 2 本课题研究的主要内容 1 吸尘器用聚丙烯熔喷聚合物成网工艺与产品性能研究 研究熔喷非织造布的主要工艺参数对产品性能的影响，最优化聚丙 烯熔喷生产工艺。 8 东华大学硕士学位论文 研究主要结构因素：纤维直径、厚度、孔径、驻极等对熔喷纤网过 滤效率及过滤阻力的影响。 2 空气吸尘器过滤复合材料结构与性能研究 研究吸尘器过滤材料复合技术。通过对各种复合材料进行压烫粘合 实验，探索合适的压烫温度、压烫压力和压烫时间，从而确定合适的吸尘 器过滤复合材料粘合工艺。 对吸尘器滤尘复合材料进行性能研究。主要分析其拉伸强力、耐磨 性、孔径、过滤效率及过滤阻力性能。 研究纤维原料及参与复合的各层材料与吸尘器滤尘复合材料之间的 关系。 3 工艺优化 在查阅文献和大量实验比较分析的基础上提出五种吸尘器结构的优 化方案。 对吸尘器用非织造过滤材料的大规模工业化生产进行探讨，初探出 一种适用于大规模生产的工艺技术路线。 9 东华大学硕士学位论文 参考文献 1 t j p t a ka n dt e r r yv o u r v o p o u l o s 家用过滤概论第三届中国国际过滤材料研讨会 论文集上海，2 0 0 4 ，l l 2 张晓萍吸尘器滤尘系统的设计理论电机电器技术，1 9 9 0 ：4 3 k i no h m u k a a i rf i l t e rt r e n d f i l t r a t i o na n ds e p a r a t i o n ，1 9 9 8 ，3 ：1 3 0 1 3 3 4 潘定发吸尘器滤尘部分的现状和未来设计新潮，1 9 9 0 ：3 9 4 0 5 柯勤飞，靳向煜主编非织造学上海：东华大学出版社，2 0 0 4 ：2 9 0 - - 一2 9 3 6 j a m e sws c h a e f f e rl i n d a m o l s o n a i rf i l t r a t i o nm e d i af o r t r a n s p o r t a t i o n a p p l i c a t i o n f i l t r a t i o na n ds e p a t a t i o n 19 9 8 ( 3 ) ：1 1 13 7 s c h u l t i n kb c h u l t i n kb ( b e ) ，s c h u l t i n kj ( b e ) v a c u u mc l e a n e rb a ga n di m p r o v e d v a c u u mc l e a n e rb a g ，c h i n a ，c n13 0 6 4 51t ，2 0 01 8 8 s c h l o r , u l r i c h ( d a r m s t a d t ，d e ) ，v e e s e r , k l a u s ( w e i n h e i m ，d e ) d u s tf i l t e rb a g ， u s 6 1 9 3 7 7 3 0 。2 0 0 1 2 9 草野和也，中川干夫极化无纺布过滤材料及其制造方法，中国，c n l l 8 7 3 8 1 ， 1 9 9 8 7 1 0 蔡杰，空气过滤a b c 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 2 ：9 9 1 1 p e t e rp t s a i 世界非织造过滤材料的现状和未来产业用纺织品，2 0 0 1 ( 3 ) ： 1 2 1 2 z z y a n g ，j h l i na n di s t s a i p a r t i c l ef i l t r a t i o nw i t ha ne l e c t r e to fn o n w o v e n p o l y p r o p y l e n ef a b r i c t e x t i l e r e s e a r c hj o u r n a l ，d e c e m b e r2 0 0 2 ，v 7 2 n 1 2 ： 1 0 9 9 1 1 0 4 1 3 王延熹中国非织造过滤材料生产和应用的现状与发展第一届中国国际过滤材 料研讨会，上海，2 0 0 0 ：1 4 1 4 华志刚，韩明书，王军湿法非织造布用作过滤材料的探讨非织造布，1 9 9 7 ( 1 ) ：2 7 - 2 8 1 5 吕红星，赵文瑞新型复合滤料的研制产业用纺织品，1 9 9 5 ( 4 ) ：2 0 1 6 靳向煌，张慧光，熔喷超细纤维非织造布生产工艺参数对其性能的影响，中国 l o 东华大学硕士学位论文 纺织大学非织造布工艺技术研究论文集上海，1 9 9 7 ：2 2 0 2 2 4 1 7 s o n j q vr m a l k a n & l c w a d s w o r t h p r o c e s s s t r u c t u r e - p r o p e r t i e sr e l a t i o n s h i p s i nm e l tb l o w i n go fd i f f e r e n tp o i y p r o p y l e n er e s i n s ：p a r ti ：p h y s i c a lp r o p e r t i e s ， i n d a ，1 9 9 l ，3 ( 1 ) ：2 1 2 - 3 3 1 8 l u t zb e r g m a n n w o r l d w i d ef i l t r a t i o no u t l o o ki n t ot h e2 1 瓤c e n t u r y t h e2 “6c h i n a i n t e r n a t i o n a lf i l t r a t i o nc o n f e r e n c e ，2 0 01 ：1 - 4 1 9 王延熹国外非织造滤料发展现状与前景产业用纺织，2 0 0 0 ( 1 ) ： 1 4 - 1 8 2 0 王延熹主编非织造布生产技术上海：中国纺织大学出版社，1 9 9 8 ，2 7 3 2 9 2 2 1 p e t e rp t s a i 世界非织造过滤材料的现状和未来新纺织，2 0 0 1 ( 5 ) ：3 3 2 2 李冶，王伟民2 1 世纪非织造过滤材料的发展现状及趋势非织造布2 0 0 3 ( 3 ) ：1 3 1 5 2 3 a i d e dw a t z l n e wh y d r o e n t a n g l e dc o m p o s i t es t r u c t u r e s 。i n t c2 0 0 3 ，s e p ：1 5 - 1 8 2 4 陈龙敏，陈拮水刺复合技术产业用纺织品，2 0 0 1 ( 5 ) ：l 2 2 5 钱程，依常娟非织造布复合产品的生产及其应用非织造布，2 0 0 0 ( 2 ) ：2 l 2 2 2 6 aw a t z l ，a j m a y e k a r s p u n l a c ea n da i r l a i dn o n w o v e n sf o rm e d i c a lt e x t i l e s c o l o u r a g e ，2 0 0 2 ( 1 2 ) ：5 5 6 2 2 7 陈廷，陈革纺粘一熔喷复合材料的加工与应用产业用纺织品，1 9 9 9 ( 3 ) ： 1 9 2 0 2 8 s a n j a ys c h a u d h a r ia n dm a n o jd s a n k h e f a c t o r si n f l u e n c i n gd e s i g no ff i l t e r f a b r i t s m a n m a d et e x t i l e i n i n d i a ，2 0 0 3 ，4 6 ( 5 ) ：18 4 - 18 5 东华大学硕士学位论文 第二章吸尘器熔喷非织造材料加工工艺研究 2 1 聚丙烯原料性能分析 2 1 1 熔喷法加工对原料的要求 从理论上讲，凡是热塑性聚合物切片原料均可用于熔喷工艺，其中聚丙 烯是熔喷工艺中应用最多的一种聚合物原料。熔喷聚合物切片原料的性能对 熔喷工艺影响很大，其主要参数包括聚合物的相对分子质量、聚合物熔点、 粘度、熔体指数、切片形状以及含杂量等。 本实验用熔喷原料为上海石化生产的聚丙烯材料，牌号为y 2 6 0 0 t ，熔融 指数m f i 为2 6 0 2 5 9 1 0 m i n ，灰份0 0 3 ，等规指数9 6 。 2 1 2 熔喷聚丙烯原料的测试仪器 1 流变性能测试仪 熔喷用p p 切片的流变性能是在哈克转矩流变仪上测试的。产地：德国。 主要部件：混合器、单螺杆挤出机、锥形双螺杆挤出机等。其毛细管直径 1 o o m m ，长径比为l ：4 0 。主要应用领域有：聚合物、弹性体、热固性塑料 和陶瓷材料等混合、塑化。 2 差动热分析仪d s o 名称：m e t t l e rt o l e d o 型号：d s c 8 2 2 。 产地：瑞士 3 x 射线衍射仪 名称：理光 型号：d m a x b 型 产地：日本 实验参数：扫描范围：6 0 3 6 0 ；步长0 0 3 0 ；扫描速度：8 0 m i n ；靶型： c u ：管流管压：4 0 k v 4 0 m a ；狭缝：1 0 3 & l ：滤波片：n i 。 1 2 东华大学硕士学位论文 2 1 3 聚丙烯原料结晶形态分析 结晶度指结晶部分的重量或体积相对于全体重量或体积的百分数。聚 合物的结晶度是高聚物的一个很重要的特征数据，一种结晶高聚物的物理和 机械性能、电性能、光性能在相当程度上受结晶程度的影响。 本实验用x 射线衍射仪来测定熔喷聚丙烯聚合物切片的结晶度以及经 过熔喷后纤维的结晶度，并比较其结晶度变化的情况。按照两相模型，结晶 高聚物通常同时包含晶区和非晶区两个部分。当x 一射线照到样品上时，晶 区将产生一系列独立的衍射环或弧，非晶区则产生弥散的连续的晕圈。由于 纤维中晶区与非晶区的重量含量分别与其相应的x 射线衍射强度成比例，利 用结晶与非结晶两种结构对x 射线衍射的贡献不同，可把衍射照片上测得的 衍射峰分解为结晶的和非结晶的两部分，由此可以得出结晶度x 。与散射强度 的近似定量关系： x ，：生：j l ( 2 1 ) 。 i qi c + i d 式中：x 。一结晶度； i 。一结晶衍射的强度。 i 。一总的衍射强度； i 。一非结晶衍射的强度。 图2 - ip p 聚合物x 射线衍射图 删 姗 | ；詈 嘶 鬈| 东华大学硕士学位论文 如图2 一l 以及图2 - 2 所示，从p p 聚合物和熔喷p p 纤维的x 射线衍射 图的衍射角20 和d 值的差异中，可以分析得出p p 聚合物在熔喷工艺前后的 性质是不一样的。从图2 - 1 中可以看出p p 聚合物的峰值很尖锐，而熔喷p p 纤维的峰值很宽、很平缓。通过公式( 2 - 1 ) 可以计算得到p p 聚合物的结晶 度为5 7 4 ，经过熔喷以后的p p 纤维的结晶度为6 0 7 ，p p 经过熔喷以 后的纤维结晶度要高。其原因为在熔喷过程中，从模头挤出的聚合物熔体受 到了高速热空气的拉伸，使得聚合物熔体中的大分子取向，应力与取向的作 用影响高聚物的结晶动力学平衡，从而提高了纤维的结晶度。此外，拉伸温 度的提高也会使得结晶度提高。 避 暑黉 蔟 浆 衍射缃 图2 - 2熔喷p p 纤维x 射线衍射图 2 1 4 聚丙烯切片流变性能测试 熔喷非织造工艺采用高温高速空气对聚合物进行拉伸，实现纤维的细 化，其加工过程是一个类似于聚合物纺丝的过程。而聚合物切片的流变性能 对其可纺性是很重要的。因此，研究聚丙稀材料的流变性能，对熔喷非织造 加工工艺具有重要意义。 高聚物的熔喷纺丝成型通常以熔体的状态进行，测定和研究高聚物流体 的流动特性并得到流动曲线，可以了解其粘度( 1 1 ) 与切变速率( y ) 的关 系，这对设计最佳机械设备、制定合理工艺条件有着重要的指导意义。 聚丙烯切变的流动曲线图2 3 是在不同温度下聚丙烯切片的流动曲线。 1 4 东华大学硕士学位论文 从图中看出熔体的剪切应力随剪切速率的增大而增大，剪切粘度则随剪切速 率的增大而减小，是典型的切片变稀流体，属于假塑性流体。高聚物切片变 稀的主要原因是：缠结点浓度的下降。高聚物流体可以看成为瞬间的网络结 构体，该体系在达到动态平衡后的缠结点浓度与所处的条件有关，随着剪切 应力大小的改变，动态平衡相应地发生移动。从图中还可以看出，在剪切速 率不变的情况下，熔体粘度随温度的升高而降低。这是由于随着温度的升高， 熔体的自由体积增加，链段的活动能力增强，分子间的相互作用力减弱，使 高聚物的流动性增大，表现为熔体粘度下降。 毫 喜 二 r 锚 尽 襁 p p 流变曲线图 i 亡卜- t a p p - 3 0 0 c hn - a p p - 3 0 0 c 蹬 癌 群 河 。 击