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聚丙烯熔喷非织造过滤布容尘过滤特性研究

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朱锐钿,张 鹏
(中国产业用纺织品行业测试中心,广州市纤维产品检测院,广州,510220)
【摘要】:过滤材料的微观结构及自身性质是决定其过滤特性的主要因素。对聚丙烯(PP)熔喷非织造布的形貌、性质及其容尘过滤特性进行了研究,结果表明:随过滤时间的增加,PP熔喷非织造布的过滤效率和过滤阻力在开始阶段变化不大、随后急剧上升;平均孔径及透气性均是逐渐下降,且由缓慢下降变为急速下降;最终非织造布的空隙被颗粒堵塞,气体阻力过大,导致过滤材料失效。
关键词:聚丙烯熔喷非织造布,容尘过滤性能,空气过滤材料
  聚丙烯(PP)熔喷非织造过滤布具有较大的比表面积和适当的孔隙,能吸附、捕获及阻隔固体颗粒[1]等特点,是一种优秀的空气过滤材料[2] ,通常用于高效空气过滤器、医用口罩等。本文采用聚丙烯熔喷非织造布进行容尘过滤试验,考察PP熔喷布的过滤效率、过滤阻力、孔径特征、透气性等过滤指标随过滤时间的变化。
1  实验
1.1 材料
  PP熔喷非织造布,绍兴叶鹰纺化有限公司提供,测试前样品在标准大气中调湿24小时。
  NaCl,分析纯,广州化学试剂厂。
  水,符合《GB/T 6682-2008 分析实验室用水规格和试验方法》中对三级水的要求。
1.2 过滤性能试验
  美国TSI公司生产的8130型自动滤料检测仪,采用盐性气溶胶进行测试,NaCl溶液浓度为2%。
  设置过滤流量为60 L/min,进行容尘量、过滤效率、过滤阻力测试。容尘时间分别为0、5、15、20、30和40min。
1.3 透气性测试
  瑞士Textest Instruments的FX3300透气性测试仪,采用压头面积为20 cm2,设置压降为100 Pa。进行容尘测试一定时间后,对试样透气性进行检测。
1.4 孔径特征测试
  美国Porous Materials,Inc.生产的CFP-1100A型 PMI毛管流动孔隙仪,夹具有效直径2 cm,润湿油剂为Silwick(表面张力20.1 mN/m)。对容尘一定时间的试样进行孔径特征测试。
1.5 扫描电镜测试
  日本HITACHI生产的S-3000N型扫描电子显微镜,样品测试前进行喷金处理,电压为20kV。
2 结果分析
2.1 PP熔喷布原材料形貌及性质分析
  由于熔喷PP纤维直径较小,直径分布在0.5~5μm,平均直径约1.8μm(图1所示),具有较大的比表面积和较小的孔径,其最大孔径约18μm,平均孔径约9.5μm(图2),因此具有良好的过滤性能,过滤效率为72.1%,且PP熔喷非织造布结构较为蓬松,因此透气性较好,在测试面积为20 cm2,压降为100 Pa时,其透气率达到197 mm/s,同时,其过滤阻力较小,约5.3 mmH2O。

                               
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图1 PP熔喷非织造布的表面微观形貌及其纤维直径分布


                               
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图2 PP熔喷非织造布孔径分布
2.2 容尘时间对PP熔喷非织造布表面微观形貌的影响
  容尘时间对PP熔喷非织造布微观形貌的影响见图3。本试验使用的气溶胶中的NaCl固体颗粒(图3中的白色颗粒物)尺寸较小,远小于PP熔喷纤维直径及非织造布的孔径。本实验通过模拟过滤材料的实际应用情况,考察过滤材料的性能变化。
  从图3可见,在过滤的前15 min内,NaCl固体颗粒主要是在纤维表面沉积,随着时间的推移,纤维表面颗粒逐渐增多,此时纤维间孔隙清晰可见;过滤达到20 min时,PP纤维表面的颗粒较为密集,由于颗粒累积,覆盖了部分的纤维间隙;过滤30 min后,NaCl颗粒不仅覆盖了纤维表面,同时填充了大部分的非织造布的内部空间,仅见非织造布的孔径轮廓;容尘40 min时,纤维表面及纤维间孔隙均被NaCl完全覆盖。

                               
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图3 容尘时间对PP熔喷非织造布微观形貌的影响
2.3 容尘时间对PP熔喷非织造布过滤性能的影响
  过滤过程在理论上可以分成两个阶段:第一阶段称为稳定阶段,在此阶段里过滤器对微粒的捕集效率和阻力是不随时间而改变的,而是由过滤器的固有结构、微粒的性质和气流的特点决定;第二阶段称为不稳定阶段,在此阶段里捕集效率和阻力不取决于微粒的性能而是随着时间的变化而变化,主要是随着微粒的沉积、气体的侵蚀、水蒸气的影响而变化[3]。
  纤维过滤材料对微颗粒的过滤包括阻挡和吸附,阻挡作用主要是指比虑材孔径大的颗粒因被阻碍而无法通过;吸附作用则主要针对粒径较小的颗粒,包括颗粒由于撞击纤维而被捕集、颗粒由于距纤维表面距离较小而被捕集、由于纤维带电荷而捕集微颗粒[4]。
  容尘时间对PP熔喷非织造布的过滤阻力与效率、透气性与平均孔径的影响分别见图4和图5。由图可见:随着过滤时间的增加,PP熔喷非织造布的过滤效率在前15min内变化不大,随后逐渐升高,同时,过滤阻力逐渐增加、平均孔径及透气性逐渐下降。
  在过滤的前15分钟,PP熔喷非织造布的过滤效率和过滤阻力均无太大变化,主要是稳定过滤机理的作用,此外本实验中的NaCl气溶胶颗粒粒径较小,如图3所示,均在1μm以下,计数中值直径(CMD)仅(0.075±0.020)μm,故在此阶段,惯性沉积、扩散效应及静电吸附起主要作用:由于速度较高具有较大动能的粒子与纤维发生碰撞而被捕获;微粒由于与气体分子碰撞,作不规则运动,与纤维碰撞而被捕获;PP是不吸水绝缘材料,易积聚电荷而不易耗散,故粒子容易被带有一定电荷量的纤维吸附。同时,越来越多的NaCl颗粒积聚在PP超细纤维表面,因而滤料的平均孔径及透气性均略有下降。

                               
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图4 容尘时间对滤料过滤效率及过滤阻力的影响


                               
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图5 容尘时间对滤料平均孔径及透气性的影响
  随后,是过滤的不稳定阶段,不稳定过滤占主导地位。PP熔喷非织造布的过滤效率、过滤阻力随时间延长而急剧上升,而其平均孔径与透气性迅速下降。这是由于NaCl粒子在纤维表面不断沉积,滤料的比表面积不断增大,颗粒被捕获几率增加,而且粒子的累积逐渐填充了纤维间隙,能大量阻隔并捕获粒子。此时,在多种因素累积作用下,PP滤料捕获NaCl颗粒的能力大大提高,同时颗粒填满了滤料内部间隙,导致其平均孔径及透气性急剧下降,宏观上即表现为过滤效率及过滤阻力急剧上升。
2.4 滤料的失效
  随着过滤时间的增加,固体颗粒越来越多的在纤网上沉积,逐渐覆盖纤维表面,是纤维间孔隙渐渐变小,最后孔隙被颗粒填充、堵塞,宏观表现为气体阻力急剧增大、透气性急剧减小,此时表明该气体过滤介质失效。不同应用场合下,过滤介质失效的指标均有所差异。
3. 结论
  PP熔喷非织造布的微观结构及本身的材料性质决定了其过滤特性,在过滤初始阶段,稳定过滤起主导作用,随着过滤时间的增加,滤料的过滤效率及过滤阻力变化不大,而平均孔径和透气性略有下降;随着固体颗粒在PP超细纤维表面的累积,不稳定过滤导致滤料的过滤效率和过滤阻力随时间延长迅速升高、同时平均孔径及透气性急剧下降;在实际应用中,滤料的过滤阻力达到一定程度时即导致其失效,滤料失效的本质是颗粒沉积堵塞滤料的孔隙。
参考文献:
[1] 武松梅, 袁传刚. 非织造材料孔径与过滤性能关系的研究[J]. 产业用纺织品, 2010, (232):12-14
[2] 袁传刚, 张勇. 熔喷法聚丙烯过滤材料加工工艺参数对其性能的影响[J] 产业用纺织品, 2008, 20(8): 16-18
[3] 晏雄. 产业用纺织品[M]. 上海: 东华大学出版社, 2003
[4] 柯勤飞, 靳向煜. 非织造学[M]. 上海: 东华大学出版社, 2004
Study on Dust Loading Property of PP Nonwoven Filtration Material
Zhu Ruitian, Zhang Peng
( China Nonwovens and Industrial Textiles Testing Center, Guangzhou Fiber Product Testing Institute,Guangzhou,510220)
Abstract:The micro-structure and property of the filtration material were key to define the filtration performance. The morphologic and property and the filtration characteristic of PP meltblown nonwoven were researched. The result showed that by adding of filtration time, filtration efficiency and filtration resistance of PP meltblown nonwoven changed little in the first stage and then increased sharply, meanwhile the average pore size and breathability decreased gradually and the tendency be from moderate to rapid, finally the pores in nonwoven were clogged by particles and gas resistance would be large, and it caused failure of the filtration material.
Key words: Polypropylene meltblown nonwoven, Dust loading property, Air filtration material

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