聚丙烯(pp)纺粘布和熔喷布复合滤料的制备与性能研究

聚丙烯(pp)纺粘布和熔喷布复合滤料的制备与性能研究

随着我国工业化程度的提高，环境污染日益严重。越来越多的人忽视了污染，越来越多的人失去了健康意识。在该背景下,国家逐步出台了一系列的环保法律法规,对工业烟气和汽车尾气排放提出更严格要求,也出台了日常防霾口罩等国家标准。以纤维为原材料加工而成的各类空气过滤材料的应用和市场需求越来越多,主要包括日常防雾霾口罩用滤料、工业除尘滤料、吸尘器用滤料、通风空调系统用滤料、空气净化器用滤料、洁净室用滤料等。市场对纤维过滤材料的质量要求不断提高,传统单一型纤维滤料逐渐不能满足要求,研发人员开始将复合技术引入到空气过滤材料加工中,研究开发高性能复合过滤材料,通过采用不同生产工艺、不同种类纤维材料、不同滤层结构、不同细度纤维层、添加不同功能性物质等方式进行加工梯度滤料可以分为密度梯度复合滤料、功能梯度复合滤料(例如吸甲醛层、吸异味层、捕集颗粒物层)和结构梯度复合滤料(例如平面状纤维层、折叠状纤维层、蜂窝状纤维层)等,其中密度梯度复合滤料是将不同细度纤维层进行复合,每一纤维层的纤维粗细不同,形成的孔隙结构、孔径大小及分布、体积密度也不同,达到对不同粗细颗粒物进行阶梯过滤的目标。随着静电纺纳米纤维加工技术不断发展成熟,以静电纺纳米纤维网作为主过滤层,纺粘/熔喷/静电棉等作为辅助层,制作的多级密度梯度结构复合滤料被广泛用于空气过滤领域,有效地提高了产品的综合过滤性能静电纺复合梯度滤料在保证过滤效率满足要求的前提下,具有较低的过滤阻力,而传统单一型过滤材料通过增加厚度或者密实度来提高过滤效率时,其过滤阻力也会呈现线性增加趋势,难以做到高效低阻的目标。作者以纺粘布作为支撑层,熔喷布作为中间滤层,静电纺纳米纤维层作为表面滤层,制备了三级密度梯度结构复合滤料。采用扫描电子显微镜(SEM)和毛细管流动孔径仪分析滤料的微观形貌和孔径结构,采用自动滤料测试仪研究滤料的过滤效率和阻力,探讨了密度梯度复合滤料的结构与过滤性能的关系。1实验1.1原材料聚丙烯纺粘非织造布(11.2织物流动孔径检测S-3000N扫描电子显微镜:日本日立公司制;TSI8130自动滤料测试仪:美国TSI公司制;CFP-1200AP毛细管流动孔径仪:美国施多威尔有限公司制;FX3300织物透气仪:瑞士泰克斯泰斯特公司制;YG141D-II厚度测试仪:温州方圆仪器有限公司制;ML503电子天平:瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司制。1.3层压复合滤料的制备以纺粘布和熔喷布制备二级密度梯度复合滤料(简称二级梯度滤料,41.4纤网直径、分布及孔径结构微观形貌:采用SEM分别观察梯度滤料各纤维层的微观形貌以及纤维排列情况等。纤维直径:通过微观形貌的测试获得的纤维SEM照片,利用计算机直径测量软件,分别测量梯度滤料各纤维层纤维的直径大小及分布。孔径结构:采用毛细管流动孔径仪测试分析二级梯度滤料、三级梯度滤料及各纤维层的孔径结构,主要包括平均孔径、泡点(最大)孔径、孔径分布图等。过滤效率和过滤阻力:采用自动滤料测试仪分别对各纤维层、二级梯度滤料、三级梯度滤料的过滤效率和阻力进行测试,实验所用气溶胶为质量分数2%的氯化钠(NaCl)溶液雾化产生的固态颗粒物,颗粒物的空气动力学质量中值直径为0.26μm,数量中值直径为0.075μm。2结果与讨论2.1采用杂排列结构的纤维单体从图1可以看出,不同纤维层非织造布的纤维直径大小及分布不同,纤维均呈现杂乱排列,形成了立体网络结构,这种三维杂乱排列结构的纤维集合体有助于捕获颗粒物。通过将3种不同粗细的纤维层进行复合,形成明显的密度梯度结构,可使复合滤料具有阶梯过滤性能。2.2纤维直径通过计算机直径测量软件测量12.3纤维层孔径分布分别测量3从表1可以看出,从平均孔径、泡点(最大)孔径、最小孔径上看,各试样的孔径由大到小依次为:1从图2和表1还可以看出,3由表2可看出,在纤维层单位面积质量相近的情况下,比较12.4固体颗粒物的制备过滤性能实验的气体流量分别为32L/min和85L/min,测试用气溶胶为NaCl固态颗粒物。从表3可以看出,对于过滤阻力而言,密度梯度滤料的阻力约等于各纤维层阻力之和,即阻力具有加和效应,例如4对于过滤效率而言,密度梯度滤料的效率主要由其过滤层决定,例如对于42.5复合纤维层厚度对过滤效率的影响由表4可看出,在单位面积质量相近的情况下,对于空气动力学质量中值直径为0.26μm的NaCl固态颗粒物,1由表5可看出,4由此可以得到以下结论:当孔径尺寸下降约一个数量级,过滤效率呈现一个数量级增加趋势。当制备高效滤料时,单独增加单一纤维层厚度可以降低孔径尺寸,增大过滤效率,但同时阻力也会线性增加,通过复合纤维直径更小的纤维层,在增大过滤效率的同时,其阻力会缓慢增大,达到高效低阻目标。滤料平均孔径和所捕集颗粒物尺寸关系:53滤料的平均孔径分布a.对于过滤阻力而言,密度梯度滤料阻力约等于各纤维层阻力之和,即阻力具有加和效应;对于过滤效率而言,密度阶梯滤料不具有加和效应,主要由过滤效率最高的纤维层决定。b.当滤料平均孔径比颗粒物尺寸约大一个数量级及以内时,纤维层具有优良的过滤性能,但是当大两个或以上数量级时,纤维层的过滤效率较低或很差。滤料平均孔径下降约一个数量级,过滤效率则呈现一个数量级以上增加趋势。c.在单位面积质量相近的情况下,随着纤维平均直径变小,滤料平均孔径变小,并且纤维平均直径和滤料平均孔径变动幅度基本保持一致。d.三级梯度滤料的平均孔径为2.12μm,孔径分布为0.89~4.40μm,与二级梯度滤料相比,孔径范围变窄,平均孔径下降了80.5%,过滤效率提高了66.7%,在气体流量为32L/min时,对空气动力学质量中值直径为0.26μm的NaCl固态颗粒物的过滤效率达到