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三叶形、十字形和丰字形纤维具有明显的凹槽和发表于: 2019-06-05 18:25

  ( 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东省过滤与湿法无纺复合材料工程技术研究中心,广东广州,510640)

  摘 要: 采用5种截面形状 ( 圆形、三角形、三叶形、十字形、丰字形) 的 PET 纤维与植物纤维配抄过滤纸,探究 PET 纤维截面形状对过滤纸结构和性能的影响。结果表明,与圆形纤维相比,三角形、三叶形、十字形以及丰字形纤维对过滤纸的过滤效率没有显著影响,但容尘量都有不同程度的提高。PET 纤维添加量为 40% 时,与圆形纤维相比,含三角形、三叶形、十字形和丰字形纤维过滤纸的容尘量分别增加了8. 2 g / m2 、11. 7 g / m2 、9. 9 g / m2 、13. 8 g / m2 。其中,三叶形纤维和丰字形纤维对过滤纸的厚度和容尘量的影响较大,丰字形纤维比三角形、三叶形和十字形纤维对过滤纸的孔径和透气度具有更显著的影响。

  近年来,沙尘暴、雾霾等天气日趋频繁,对空气滤清器过滤材料的使用性能提出了更为严格的要求,纤维作为过滤纸的主要组成部分,其特性对过滤纸的结构和性能有着至关重要的影响[1-2]。近 50 年来,国内外学者对纤维过滤纸的性能进行了大量的研究, 随着技术的发展,合成纤维形态的多样化及性能的提升,使其在过滤领域得到广泛应用,尤其是非圆形截面的纤维受到了愈来愈多的关注 [3-4], Javier R.Sánchez 等人[5] 在研究三叶形 ( PET) 纤维、圆形( PEI) 纤维对过滤器捕灰性能的影响时发现,当气溶胶流速为 0. 1 m / s、颗粒尺寸小于 1. 1 μm 时,含三叶形纤维的滤清器的捕灰效率高于圆形纤维,顾丛汇等人[6]研究纤维截面形状对 PM2. 5过滤性能的影响时发现, 同一时刻下 “Y” 形截面的单纤维丝对PM2. 5颗粒物的截留率高于圆形截面的单纤维丝。还有部分研究者对异形截面的纤维在过滤方向进行了模 拟,如 Wang W 等人[7]通过 Zhukovsky 转换对弧形纤维的流场进行了探讨,Hosseini S A 等人[8]对圆形、方形、椭圆形、三叶形纤维的进行了研究,FotovatiaS 等人[9]对不同的尺寸和纵横比的三叶形纤维对压力损失和捕集效率的影响进行了探究。这些研究都表明 纤维截面形状可以影响颗粒的捕集效率和流场情况。但上述研究都没有系统地探究纤维截面形状对湿法成 形过滤纸结构和性能的影响。

  本实验采用 5 种截面形状的 PET 纤维与植物纤维配抄过滤纸,探究 PET 纤维截面形状对过滤纸结构和空气过滤性能的影响,为制备高效过滤纸在纤维 原料的选择方面以及对过滤纸结构和性能的控制方向 提供一定的参考。

  采用圆形、三角形、三叶形、十字形、丰字形5 种截面形状的 PET 纤维与闪急浆配抄过滤纸,定量为 100 g / m2; 其中 PET 纤维含量为 20% 的过滤纸编号分别对应1#、2#、3#、4#、5#;PET 纤维含量为40% 的过滤纸编号分别对应 6#、7#、8#、9#、10#。

  厚度: 采用 YG 142 手提式测厚仪 ( 国产) ,按照国家标准 GB / T 3820—1997 《纺织品和纺织制品厚度的测定》,对过滤纸的厚度进行测定。

  透气度: 采用 FX-3300-IV 透气度仪 ( 瑞士) ,按照EN ISO 9. 237 标准,对过滤纸的透气度进行测定。孔径: 采用 PMI CFP-1100-A 毛细流量孔径测试仪 ( 美国) , 按照美国测试与材料协会标准 ASTMF316,对过滤纸的平均孔径和最大孔径进行测定。

  过滤效率: 采用 TSI 8130 气体透过自动测试台( 美国) ,按照 EN 143 标准,对过滤纸的过滤效率与过滤阻力进行测定。

  图 1 是闪急浆纤维和不同截面形状 PET 纤维的SEM 图。从图 1 中可以看出,闪急浆纤维截面形状为扁平状,经测量闪急浆纤维的宽度在 14 ~ 25 μm 之间, 纤维厚度在 2 ~ 5μm 之间。对 PET 纤维而言,圆形纤维的直径约为 15 μm; 三角形纤维的高约 13 μm,经计算外接圆直径约为 17 μm; 三叶形纤维的外接圆直径约为 18 μm; 十字形纤维的两个叶片顶端之间的距离约为 17. 5 μm,叶片长约 6 ~ 10 μm,经计算外接圆直径约 17. 5 μm; 丰字形纤维的叶片长约 3 ~ 8 μm,宽度约 2 ~ 5 μm,截面的长度约 40 μm。

  为探究 5 种不同截面形状 PET 纤维对过滤纸结构的影响,对自制的 10 种过滤纸进行了截面形貌分析。图 2 是 PET 纤维含量为 20% 的 1# ~ 5#过滤纸截面 SEM 图; 图 3 是 PET 纤维含量为 40% 的 6# ~ 10# 过滤纸截面 SEM 图。

  从图 2 和图 3 中可以清晰地看出,当纤维含量从20% 增加至 40% 时,过滤纸的松厚度增加,且相同含量下,含三角形、三叶形、十字形和丰字形纤维过 滤纸的松厚度大于含圆形纤维的。闪急浆纤维比较扁 平,纤维交织时接触面积较大,5 种截面形状的 PET 纤维在过滤纸中均匀分布,起到骨架作用; 与圆形纤维相比,三角形、三叶形、十字形和丰字形纤维的立 体结构较为明显,如三角形纤维,结构立体,棱角分 明; 十字形、三叶形、丰字形纤维表面具有明显的凹槽结构,增加了过滤纸 Z 向结构的复杂性,纤维间通过凸起的叶片结合,接触面积大大减小,从而过滤 纸的结构较疏松。

  实验探究了 PET 纤维截面形状对过滤纸的厚度、孔径、透气度的影响。为了更准确地评价 PET 纤维截面形状的影响,避免施胶影响 PET 纤维的截面形状,破坏过滤纸的结构,因而对过滤纸没有进行施胶处理,故没有评价过滤纸的力学性能,其他主要性能的测试结果见表 1

  从表 1 可以看出,当PET 纤维含量从 20% 增加到40% 时,过滤纸的厚度、孔径和透气度增加; 相同含量下,含三角形、三叶形、十字形和丰字形纤维过滤纸的厚度、孔径和透气度均大于含圆形纤维的,且PET 纤维含量为 40% 时,物理性能的差别程度更大。

  不同形态的纤维交织时接触方式不同,使得过滤纸 Z 向结构不同,从而影响着过滤纸的厚度[10-11]。当PET 纤维含量为 40% 时,含圆形纤维过滤纸的厚度为0. 483 mm,与含圆形纤维的过滤纸相比,含三角形、三叶形、十字形和丰字形纤维过滤纸的厚度分别增加了 0. 052 mm、0. 080 mm、0. 066 mm、0. 082 mm,可见,丰字形纤维对过滤纸的厚度影响程度较大。三角形纤维具有明显的棱角结构,三叶形、十字形和丰字形纤维具有明显的凹槽和凸起结构,纤维交织时,棱角或者凸起接触大大增加了过滤纸的松厚度,从而过滤纸的厚度大于含圆形纤维的过滤纸,且丰字形纤维的外接圆直径较大,进一步增加了过滤纸的厚度。

  过滤纸的孔径是指与具有相同压力的圆柱形毛细 管所对应的直径大小,过滤纸的孔径间接反映了纤维 网络的结构情况,主要受定量、纤维粗度、纤维本身性质以及过滤纸抄造条件的影响[12]。当 PET 纤维含量为 40% 时,含圆形纤维过滤纸的平均孔径和最大孔径分别为 14. 7 μm 和 34. 8 μm,含丰字形纤维过滤纸的孔径较大,平均孔径和最大孔径分别为 19. 8 μm和 44. 5 μm,含三角形、三叶形和十字形纤维过滤纸的孔径接近。这是由于与圆形纤维相比,三角形、三叶形、十字形和丰字形纤维间结合的紧密程度较低,过滤纸的孔径增大,且丰字形纤维的外接圆直径较大,进一步增加了对过滤纸孔径的影响。

  透气度反映了气体通过滤纸内部结构的阻力大小,以在规定实验面积和压降下,气流垂直通过试样的速率表示,在一定程度上反映了过滤纸的多孔 性[13]。当气流通过过滤纸内部结构时,气体分子与 纤维间发生碰撞,气体分子动能减小,流速降低,单位时间内透过过滤纸的气流量减小,宏观上表现为透气度降低。与圆形纤维相比,含三角形、三叶形、十字形、丰字形纤维过滤纸的透气度增加,当 PET 纤维含量为 40% 时,透气度增加程度更大,含三角形、三叶形、十字形和丰字形纤维过滤纸的透气度分别增加了 39 mm / s、51 mm / s、47 mm / s、49mm / s。随着PET 纤维含量增加,过滤纸的孔径增加,气体分子和纤维之间碰撞的概率减小,透气度会增加; 另一方面,PET 纤维的表面凹槽结构增加了过滤纸孔隙的复杂程度,当气流从过滤纸中穿过时,气流分子与纤维 之间碰撞的次数增加,流速降低,透气度会减小,所 以两者共同作用影响着过滤纸的透气性能。

  过滤阻力和过滤效率是过滤性能最重要的两个指 标。过滤阻力是由气流通过纤维层时受到纤维的阻碍 而引起的,是固定流量下的压差值,而透气度是固定 压差下的流量值,两者成反比关系。本研究中过滤阻 力与透气度的测试值所呈现的规律与理论分析也是一 致的,这里就不重复表述 PET 纤维截面形状对过滤阻力的影响。

  过滤效率指过滤材料所捕集颗粒与进入材料前颗粒的数量之比,过滤纸的过滤效率测试结果如图 4 所示。过滤 效 率 测 试 所 用 气 溶 胶 颗 粒 的 粒 径 为 0. 26 μm,属于过滤纸最易穿透的粒径,颗粒物捕集过程中主要产生了拦截和扩散效应[12]。从图 4 可以看出,相同 PET 纤维含量下,5 种过滤纸的过滤效率差别不显著; 当PET 纤维含量从20% 增加到40% 时, 过滤纸的过滤效率减小。这是由于含三角形、三叶形、十字形和丰字形纤维过滤纸的结构较为疏松,纤维间形成的孔隙较大,气溶胶从纤维层通过时,颗粒与纤维之间发生碰撞的概率减小,过滤纸的过滤效率降低,另一方面,明显的立体结构和凹槽结构增加了纤维的比表面积,颗粒做布朗运动时被捕集到的概率增大, 导致过滤效率增加, 两者共同影响着过滤效率。

  容尘量是过滤纸持续加灰到一定阻力时,单位面积上所容纳灰尘的质量,容尘量反映了过滤纸的过滤寿命,是重要的指标之一。实验中灰尘为 ISO 12103-1 A2 细灰,加灰浓度为 1 g / m ,测试面积为100 cm2,终止阻力为 2000 Pa,过滤纸的容尘量如图 5 所示。

  从图 5 可以看出,PET 纤维含量从 20% 增加至40% 时,过滤纸的容尘量增加。当 PET 纤维含量为20% 时,与含圆形纤维的过滤纸相比,含三角形、三叶形、十字形和丰字形纤维过滤纸的容尘量都增加 了,含丰字形纤维过滤纸的容尘量最大,容尘量增加了 9. 4 g / m2,当 PET 纤维含量增加到 40% 时,与含圆形纤维的过滤纸相比,含三角形、三叶形、十字形和丰字形纤维过滤纸的容尘量分别增加了 8. 2 g / m2、11. 7 g / m2、9. 9 g / m2、13. 8 g / m2。这是由于随着PET 纤维含量的增加,过滤纸的松厚度增加,从而容尘量增加,相同 PET 纤维含量下,含三角形、三叶形、十字形和丰字形纤维的过滤纸的松厚度大于含圆 形纤维的,且随着 PET 纤维含量增加,松厚度的差异进一步增大,所以过滤纸容尘量增加,此外,三叶形纤维和丰字形纤维表面明显的凹槽结构可以容纳灰尘颗粒,被滞留在凹槽内的颗粒并不会堵塞纤维间的空隙,过滤纸的阻力增加较为缓慢,达到终止压差所需时间增长,从而过滤纸的容尘量增加。为了更直接地观察 PET 纤维对过滤纸容尘量的影响,选取 PET 纤维含量为 40% 的过滤纸,观察阻力增加到 100 Pa 时,A2 细灰在过滤纸表面的留着情况,结果如图 6 所示。

  从图 6 可以看出,6#过滤纸的表面已形成一层滤饼 ( 图中圆圈所示) ,而 7#、8#、9#和 10#过滤纸中, 灰尘颗粒进入了过滤纸的内部,表面尚未形成滤饼 层。这是由于 7#、8#、9#和 10#过滤纸的结构较为松散,纤维间的空隙可容纳灰尘的能力较强,从而深层过滤时间较长,过滤纸的阻力增加较为缓慢,有利于提高过滤过滤纸的容尘量,其次,PET 纤维表面的凹槽结构进一步增大了过滤纸容纳灰尘的能力,如 8#、9#、10#过滤纸捕灰的 SEM 图所示,进入过滤纸内部的灰尘颗粒一部分被滞留在 PET 纤维的凹槽内 ( 图中圆圈所示) ,从而容尘量增加。

  采用 5 种截面形状 ( 圆形、三角形、三叶形、十字形、丰字形) 的 PET 纤维与植物纤维配抄过滤纸,探究 PET 纤维截面形状对过滤纸结构和性能的影响。

  3. 1 与圆形纤维相比,三角形纤维结构立体,棱角分明,十字形、三叶形、丰字形纤维表面具有明显的 凹槽结构,增加了过滤纸 Z 向结构的复杂性,纤维间通过凸起的叶片结合,接触面积大大减小,过滤纸 结构较疏松。

  3. 2 与圆形纤维相比,加入三角形、三叶形、十字形和丰字形纤维后,过滤纸的厚度、孔径、透气度增 加,且 PET 纤维含量增加至 40% 时,变化程度更明显,厚度分别增加了 0. 052 mm、0. 080 mm、0. 066mm、0. 082 mm,含丰字形纤维过滤纸的孔径最大,含三角形、三叶形和十字形纤维过滤纸的孔径接近。

  3 当 PET 纤维含量相同时,过滤纸的过滤效率差别不显著,但容尘量有不同程度的增加。PET 纤维含量为 20% 时,含丰字形纤维过滤纸的容尘量最大, 与含圆形纤维的过滤纸相比,增加了9. 4 g / m2,当PET 纤维含量增加到 40% 时,含三角形、三叶形、十字形和丰字形纤维过滤纸的容尘量分别增加了 8. 2 g / m2、11. 7 g / m2、9. 9 g / m2、13. 8 g / m2。综上所述,PET 纤维截面形状对过滤纸的结构和性能具有较大的影响,异形截面的 PET 纤维在空气过滤方面具有较大的应用潜力。

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