本課題在了解空氣過(guò)濾非織造材料發(fā)展背景的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)單分析了紡粘、熔噴、SMS和SS等產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝及工藝流程、生產(chǎn)線設(shè)備布置，以及空氣過(guò)濾非織造材料在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用及發(fā)展前景。本文通過(guò)分析和對(duì)比SMS、SS和熔噴空氣過(guò)濾非織造材料的性能，重點(diǎn)探討了各工藝參數(shù)對(duì)其物理性能、透氣性、過(guò)濾性等性能的影響，發(fā)掘三種不同類(lèi)型空氣過(guò)濾非織造材料性能的優(yōu)勢(shì)，為空氣過(guò)濾材料的復(fù)合化做鋪墊，以減少不必要的損失，提高生產(chǎn)效率。
隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，空氣過(guò)濾材料的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，過(guò)濾材料的用量預(yù)計(jì)也將以每年兩位數(shù)的速度遞增。而非織造過(guò)濾材料作為一種新型的紡織過(guò)濾材料，以其優(yōu)良的過(guò)濾性能、高產(chǎn)量、低成本、易與其他過(guò)濾材料復(fù)合且容易在生產(chǎn)線上進(jìn)行打褶、折疊、模壓成型等深加工處理的優(yōu)點(diǎn)，逐步取代了傳統(tǒng)的機(jī)織和針織過(guò)濾材料在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，并且用量越來(lái)越大。
隨著半導(dǎo)體工業(yè)、電子工業(yè)和精密儀器工業(yè)等行業(yè)的進(jìn)步，對(duì)工廠和人類(lèi)生活環(huán)境中空氣的潔凈程度要求越來(lái)越高。特別是在生物制品、藥品等生產(chǎn)和包裝過(guò)程中，對(duì)環(huán)境污染的控制變得更為重要，“凈室”成為不可缺少的要素之一。
實(shí)驗(yàn)操作得出關(guān)鍵數(shù)據(jù)
非織造過(guò)濾材料做成的空氣過(guò)濾器，其性能主要是通過(guò)壓力損失、初阻力、過(guò)濾效率和容塵量來(lái)表示。由于過(guò)濾效率的不同，可以將過(guò)濾器的種類(lèi)分為三類(lèi)：粗塵級(jí)別(粗效)、中高功能過(guò)濾級(jí)別(中效)和超高功能過(guò)濾級(jí)別(高效)。
粗效過(guò)濾材料的生產(chǎn)方法有：針刺法、噴膠法，或者針刺法和噴膠法復(fù)合使用;產(chǎn)品一般應(yīng)用在廚房換氣扇過(guò)濾、吸塵器過(guò)濾，以及室內(nèi)空調(diào)進(jìn)風(fēng)口和中央空調(diào)進(jìn)風(fēng)口等。中效過(guò)濾材料的生產(chǎn)方法有：聚丙烯熔噴非織造布、SMS復(fù)合非織造布、細(xì)旦紡粘非織造布;產(chǎn)品一般應(yīng)用在中央空調(diào)過(guò)濾器、吸塵器過(guò)濾器、汽車(chē)空調(diào)過(guò)濾器和空氣清新機(jī)過(guò)濾器的過(guò)濾功能上。高效過(guò)濾非織造材料的生產(chǎn)方法大多數(shù)是由熔噴型非織造布與其他類(lèi)型非織造布復(fù)合而成;可以用于對(duì)空氣潔凈程度要求很高的工廠、醫(yī)院、制藥廠等場(chǎng)所做終端過(guò)濾。
原料與儀器
SMS復(fù)合非織造布，其定量分別為15g/m2、25g/m2、40g/m2，實(shí)驗(yàn)標(biāo)記分別為SMS15、SMS25、SMS40(浙江三象新材料有限公司提供);SS復(fù)合非織造布，定量為40g/m2，實(shí)驗(yàn)標(biāo)記為SS40(浙江三象新材料有限公司提供);熔噴高溫濾材，定量為40g/m2，實(shí)驗(yàn)標(biāo)記為M40(天津泰達(dá)材料有限公司提供);YG141型織物厚度儀;YG(B)026D電子萬(wàn)能機(jī)械強(qiáng)力測(cè)試機(jī)，圓形夾具內(nèi)徑25mm，彈子直徑20mm;YG461H全自動(dòng)透氣測(cè)量?jī)x;SX-L1050濾料實(shí)驗(yàn)臺(tái)。
試樣的制備
上述原料中，1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)都是SMS在線復(fù)合非織造布，它們都是由聚丙烯切片經(jīng)過(guò)熔融擠壓紡絲而成，不同之處在于三種樣布具有不同的克重。4號(hào)是SS在線復(fù)合非織造布，5號(hào)為熔噴非織造布，使用的原材料同樣是聚丙烯切片。
厚度測(cè)試
在空氣溫度為20℃、相對(duì)濕度為65%的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。YG141型織物厚度儀壓腳面積為25cm2，取直徑大于壓腳直徑5cm以上的試樣五塊(可不裁樣，測(cè)試點(diǎn)均勻分布，取五個(gè)測(cè)試點(diǎn))，壓塊質(zhì)量為20kg進(jìn)行測(cè)試，最后取平均值和CV值。
測(cè)試前，先將厚度計(jì)清零，將布自然平放在夾頭中間，讀取測(cè)試數(shù)據(jù)，精確到0.01mm。首先在壓強(qiáng)為0.1KPa時(shí)加壓10s，記錄試樣厚度，測(cè)10塊;然后在壓強(qiáng)為0.5KPa時(shí)加壓10s，記錄試樣厚度，測(cè)10塊，計(jì)算試樣壓縮率，判斷屬于何種類(lèi)型。(目測(cè)可確定的不做)
普通型：壓強(qiáng)0.5KPa， 10s，測(cè)10塊
膨松型：壓強(qiáng)0.2KPa， 10s，測(cè)10塊
土工布：壓強(qiáng)2.0KPa， 30s，測(cè)10塊
均勻度測(cè)試
在空氣溫度為20℃、相對(duì)濕度為65%的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在纖網(wǎng)輸出處，用樣板沿機(jī)器縱向及橫向各取若干，試樣采用天平逐一稱(chēng)重，計(jì)算均方差和變異系數(shù)。樣板的尺寸根據(jù)使用場(chǎng)合與測(cè)試精度要求而有不同，一般在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)使用的試樣尺寸為20cm×20cm及40cm×40cm兩種。如果要測(cè)定纖網(wǎng)的長(zhǎng)片段不勻，則沿纖網(wǎng)輸出方向要間隔一定時(shí)間取樣多次。如果改換工藝參數(shù)后測(cè)試，則取樣塊數(shù)和測(cè)試次數(shù)須增多，待纖網(wǎng)基本穩(wěn)定后方可轉(zhuǎn)入正常測(cè)試。
斷裂強(qiáng)力測(cè)試
在空氣溫度為20℃、相對(duì)濕度為65%的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用條樣法，即試樣整個(gè)寬度被夾持器夾持的織物拉伸實(shí)驗(yàn)。每塊樣品分別取MD、CD各5塊，試樣的尺寸大小為50mm×200mm。
校準(zhǔn)強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)的零位。調(diào)整強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)的名義夾持距離為200±1mm，拉伸速度為100±1mm/min。在夾鉗中心位置夾持試樣，并在試樣下端施加預(yù)張力，確保試樣縱向軸線與夾鉗鉗口線成直角，然后旋緊上下夾鉗。開(kāi)動(dòng)機(jī)器，以100mm/min的拉伸速度拉伸試樣至斷裂。記錄最大斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)或記錄每個(gè)試樣的強(qiáng)力-伸長(zhǎng)曲線。最后計(jì)算各個(gè)試樣的縱、橫向斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的平均值。
撕裂強(qiáng)力測(cè)試
空氣溫度為20℃、相對(duì)濕度為65%的條件下進(jìn)行測(cè)試。采用平行法取樣，縱橫向各5塊，尺寸大小為100mm×50mm，用樣板在試樣上畫(huà)等腰梯形，并在規(guī)定處剪一個(gè)10mm的切口。
設(shè)定兩夾鉗的距離為25mm，拉伸速度為100mm/min，選擇適宜的負(fù)荷范圍，使斷裂強(qiáng)力落在滿(mǎn)刻度10%~90%范圍內(nèi)。沿梯形不平行兩邊夾住試樣，使切口位于兩夾鉗中間，梯形短邊保持拉緊，長(zhǎng)邊處于折皺狀態(tài)。啟動(dòng)儀器，如果有條件用自動(dòng)記錄儀記錄撕破強(qiáng)力，單位用牛頓(N)，最后計(jì)算縱向與橫向五塊試樣的平均值和變異系數(shù)。
頂破強(qiáng)力測(cè)試
在空氣溫度為20℃、相對(duì)濕度為65%的條件下進(jìn)行測(cè)試。將試樣放入夾布圓環(huán)內(nèi)并旋緊。設(shè)定彈子的下降速度為100mm/min~110mm/min之間。啟動(dòng)儀器，如果有條件，用自動(dòng)記錄儀記錄撕破強(qiáng)力，單位用牛頓(N)。最后計(jì)算五塊試樣的頂破強(qiáng)力的算數(shù)平均值，精確至小數(shù)點(diǎn)后一位。
透氣性測(cè)試
在溫度為20℃，相對(duì)濕度為36%的條件下進(jìn)行測(cè)試，試樣壓差為100Pa。測(cè)試面積為20cm2。取試樣五塊，尺寸大小為100mm×100mm。將試樣夾在織物透氣儀的進(jìn)氣孔上，按下固定織物的圓環(huán)。啟動(dòng)儀器，待液晶顯示器上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定不在跳動(dòng)選孔徑后，記錄下孔徑值以及透氣率，并計(jì)算各試樣透氣率的算數(shù)平均值及變異系數(shù)。
過(guò)濾性測(cè)試
在空氣溫度為20℃、相對(duì)濕度為65%的條件下進(jìn)行測(cè)試。空氣中微粒在光的照射下發(fā)生光散射的現(xiàn)象，散射和微粒的大小、光波波長(zhǎng)、微粒的折射率和對(duì)光的吸收特性等因素有關(guān)，微粒散射光的強(qiáng)度正比于微粒的表面積，通過(guò)激光粒子計(jì)數(shù)器記錄實(shí)驗(yàn)前后空氣粒子數(shù)，來(lái)判定過(guò)濾器對(duì)粉塵的過(guò)濾效率。
數(shù)據(jù)分析確定最佳工藝
當(dāng)空氣過(guò)濾材料用于醫(yī)用口罩或者防塵口罩時(shí)，在所要求產(chǎn)品性能相當(dāng)?shù)那闆r下，產(chǎn)品的厚度越薄，使用起來(lái)也就越輕盈。厚度的大小可以直接影響產(chǎn)品的強(qiáng)力、透氣、過(guò)濾等系列性能問(wèn)題。
SMS非織造布試樣的厚度隨著其克重的增加而逐漸變大;這是由于當(dāng)單位面積內(nèi)非織造布的質(zhì)量增加時(shí)，纖維量增加，在單位面積內(nèi)的纖維堆積就會(huì)緊而厚，宏觀上就表現(xiàn)為非織造布的厚度增加。而在同一克重下，不同成網(wǎng)方式的非織造布的厚度關(guān)系為：熔噴非織造布厚度>SMS非織造布厚度>SS非織造布厚度。
SMS非織造布的不勻率隨著克重的增大而逐漸增加;這是由于紡粘和熔噴非織造布是鋪置成網(wǎng)，容易造成分布上的隨機(jī)不均勻，而纖網(wǎng)的定量增大，每層的纖維量也增加，也使得不勻率增加。對(duì)于采用不同生產(chǎn)方法的纖網(wǎng)，其不勻率呈現(xiàn)：SMS非織造布>SS非織造布>熔噴非織造布。
根據(jù)圖表可以看出，對(duì)于SMS空氣非織造過(guò)濾材料，隨著克重的增加，無(wú)論是縱向還是橫向的斷裂強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率都有上升的趨勢(shì)。這是由于SMS非織造布的結(jié)構(gòu)隨著厚度的增加而更加緊密和厚實(shí)，纖維間相互纏結(jié)，抱合增強(qiáng)，使得SMS非織造布斷裂時(shí)需要更大的力。
同時(shí)，同一克重的SMS非織造布縱向強(qiáng)力明顯大于橫向斷裂強(qiáng)力，這是因?yàn)槔w網(wǎng)是沿著縱向輸出的，絕大部分纖維是沿著縱向排列的，因此纖維的強(qiáng)力大部分都貢獻(xiàn)在縱向上，而橫向強(qiáng)力主要靠纖維之間的纏結(jié)而形成。從圖表中也可以明顯地看出，在克重相同的情況下，不同成網(wǎng)方式的強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率也是不同的，具體表現(xiàn)為：SS非織造布的強(qiáng)力>SMS非織造布的強(qiáng)力>熔噴非織造布的強(qiáng)力。
實(shí)驗(yàn)中，在每塊試樣上隨機(jī)選取10個(gè)部位進(jìn)行透氣性能的測(cè)試，分別記錄液晶顯示屏所顯示的試樣透氣率，然后對(duì)每塊試樣的測(cè)試結(jié)果取平均值，分析整理數(shù)據(jù)并進(jìn)行匯總，結(jié)果如下：
根據(jù)數(shù)據(jù)分析，SMS過(guò)濾非織造布的透氣性隨著其克重的增加而逐漸降低;這是由于非織造材料的透氣性取決于材料中空隙的大小和多少，而空隙的大小和數(shù)量隨著材料定量的增大而減小，定量增大也使得非織造布的面密度和體積密度增大，纖維間糾結(jié)更加緊密，同時(shí)纖維間縫隙也減小，從而其透氣性也逐漸下降。從圖中也可以明顯的看出，不同成網(wǎng)方式的過(guò)濾材料，其透氣性呈現(xiàn)：SS非織造布>熔噴非織造布> SMS非織造布。
實(shí)驗(yàn)中，對(duì)7塊試樣每塊分別取3個(gè)部位進(jìn)行過(guò)濾性能的測(cè)試，分別記錄其過(guò)濾阻力和過(guò)濾效率，對(duì)每塊的測(cè)試結(jié)果取平均值。
SMS非織造布的過(guò)濾效率隨著其克重的增加緩慢增大，這是由于影響過(guò)濾效率的主要因素有：纖網(wǎng)的厚度、纖維的細(xì)度及孔隙率等，樣品的克重越大，單位面積內(nèi)纖維的數(shù)量和纖網(wǎng)層數(shù)增多，纖維分布越雜亂，使粒子有更多的機(jī)會(huì)與單纖維碰撞和粘附，而不同成網(wǎng)方式的過(guò)濾材料，其過(guò)濾效率的關(guān)系是：熔噴非織造布> SMS非織造布> SS非織造布。