赵博

摘 要：测试了4种聚丙烯非织造针刺过滤材料的性能，分析和比较了不同试样的滤料表面形态、克重、断裂强力、断裂伸长率、顶破强力、透气量、透湿性、容尘量等，实验和测试过程中发现聚丙烯非织造针刺过滤材料的断裂强力、顶破强力、断裂伸长率、透气量、透湿性等均与克重和厚度有一定的相关关系，实验结果得出聚丙烯非织造针刺过滤材料具有独特的性能，适合开发各类功能性过滤产品，在纺织工业上具有广泛的应用性。

关键词：过滤;针刺;聚丙烯非织造布;性能测试

中图分类号：TS171                 文献标志码：C                文章编号：1674-2346（2018）04-0012-07

随着生活水平的不断提高，人们对生活质量与生活环境的要求越来越高，对环境问题日益重视起来。但在工业发展过程中，环境问题日益严重，尤其是土壤污染、大气污染和水污染等，这是目前全世界面临的首要问题。各类过滤材料在空气净化中起到了重要的作用，非织造过滤材料以其优良的特性，得到广泛应用，成为过滤材料研究及产品开发的热点。[1]

为了对聚丙烯非织造针刺过滤材料的性能有一个比较全面的了解，本文对4种聚丙烯非织造针刺过滤材料进行了详细的测试与研究，包括4种非织造过滤材料的基本性能、力学性能、通透性、过滤效率等。通过实验和测试，分析了影响4种聚丙烯非织造针刺过滤材料的物理性能及力学性能的因素，对提高聚丙烯非织造针刺过滤材料产品的质量具有一定的实际意义，对合理选用非织造过滤材料具有一定的参考价值。

1    试验条件

1.1 试验材料 聚丙烯针刺过滤非织造布。

1.2 试验方法 采用厚度测试仪测织物的厚度，采用织物强力仪测强力，采用数字式织物透气量仪测透气性，其它物理性能的测试均采用有关国家标准的测试方法。

1.3 试验条件 温度25℃，相对湿度65%。

1.4 试验仪器： Fast-1型厚度测试仪、电子天平、ZHX-600D型电子显微镜、YG026-250型多功能织物强力仪、YG065H电子织物强力机、YT030N土工布有效孔径测定仪、VHX-600型数字式纤维测量显微仪、YG461型织物透气测量仪、YG（B）461D型数字式织物透气量仪、YG501N-Ⅱ纺织品透湿量仪等。

2 聚丙烯针刺过滤非织造布的主要性能测试与分析[2-5]

2.1    实验材料种类

选用4种聚丙烯针刺过滤非织造材料，试样编号见表1。

2.2    过滤材料的分类和作用

过滤材料一般是指过滤介质[6]，它必须满足3个基本要求：过滤效率、产品质量和优越的物理化学性能。過滤材料包括滤芯、汽车过滤、空气过滤、膜过滤、液体过滤和滤袋空气过滤等，过滤材料在原料的提纯、空气净化、水净化和废弃污染物排放等工业领域中发挥着十分重要的作用，它在环保、卫生、节能和降低成本等方面起着关键的作用。

过滤材料按织造方式可分为机织物过滤材料、针织物过滤材料和非织造布过滤材料。利用非织造技术加工而成的过滤材料，主要包括针刺、熔喷、纺粘、水刺等。

2.3    过滤理论

过滤是指在推动力或者其他外力作用下，流体中的液体或气体通过介质，固体颗粒及其他物质被过滤介质截留，从而使固体及其他物质与液体或气体分离的操作。[6-7]过滤理论由早期的经典过滤理论发展到现代的过滤理论及微孔过滤理论。根据现代的过滤理论，过滤机理基本包括6类：惯性沉降、浅层过滤、随机扩散、拦截机理、凝聚作用和静电作用。前5类机理都可用于解释非织造过滤材料的过滤原理。非织造粗效过滤和中效过滤材料最为常用的是拦截机理和浅层过滤。

非织造材料中的纤维呈现杂乱分布状态，所以材料具有致密三维立体结构，过滤时颗粒物容易被拦截下来，所以在过滤领域内应用比较多。在粗效过滤和中效过滤中，运用较多的是拦截机理，即在错综复杂纤维网一层一层的筛选和过滤，因此传统的过滤无法达到一次就能达到完全除尘的效果。

2.4    针刺过滤聚丙烯非织造材料的形态结构

2.4.1    实验步骤    在200倍放大情况下观察纤维排列和形态结构。

2.4.2    实验结果    图1～图4是在200倍放大情况下观察到的纤维排列和形态结构。

2.4.3    实验分析

在200倍数下，通过显微镜对4 种材料的进行观察，通过照片分析材料中纤维排列和结构特征。

图1～图4所示的材料形态结构为4种滤料的纤维分布情况，放大倍数为200倍。从图中可以明显看出，4种材料中纤维基本呈杂乱分布。这是因为聚丙烯针刺过滤非织造布，是由纤维网经过针刺机的固结作用而形成的，该纤维在纤维网中以交叉、缠绕和钩接等形式存在，纤维之间存在大小不同、结构不同和相互缠结等现象。

2.5    过滤材料的直径（表2）

非织造材料中纤维的粗细程度，不仅直接影响材料的过滤性能，而且也影响材料的克重、厚度以及断裂强力等性能指标。

由表2可知，1#样品材料的直径最大，3#样品材料的直径最细，2#和4#样品材料的直径接近。4种滤料的CV值的差异很大，这与它们的加工机理和纤维粗细及纤维分布状态和规律等有关。

2.6    过滤材料的厚度（表3）

从表3可以看出，聚丙烯针刺过滤非织造材料的厚度随面密度的增加而增加。3#过滤材料的厚度最小，2#过滤材料的厚度最大，1#和4#过滤材料的厚度基本接近。主要原因是与过滤材料的厚度、面密度大小等有一定的正相关关系，当面密度增大时，其厚度增加;反之，厚度则减小。

2.7    过滤材料的面密度（表4）

聚丙烯针刺过滤非织造材料的面密度（克重）与滤料的纤维种类、纤维密度和厚度等有关。

由表4可知，4种聚丙烯针刺过滤非织造材料样品面密度数值大小规律与材料的厚度规律一致，3#材料样品的面密度最小，2#最大，1#和4#材料样品的面密度基本接近，这也间接说明了克重、厚度与面密度之间的相互关系，克重越大，材料样品则越厚;克重越小，材料样品则越薄。CV值反映了材料的重量不匀情况，即材料的均匀性，这主要与生产方法和工艺参数等有关。

2.8    过滤材料的力学性能

表 5为实验中测出的4种试样的断裂强力。

按下式计算试样的断裂强度：

式中：R―断裂强度，单位为cNm/g;P―断裂强力，单位为cN;b―试样宽度，单位为m; m―试样定量，单位为g/m2。

计算所得数据见表6。

由表6可以看出，4种聚丙烯针刺过滤非织造材料均呈现以下规律：纬向断裂强度>斜向断裂强度>纵经向断裂强度;这说明材料的力学性能在不同方向有一定的差异，之所以表现为横向强力大，这与材料的加工工艺等有关。4种材料均为短纤维梳理成网（干法成网）加工而成，在生产过程中材料要经过机械铺网、多级小倍数牵伸等加工，这样就导致材料中的大部分纤维呈横向分布。从表6中还可以看出，断裂强度与材料厚度和定量有一定的相关关系，即随着聚丙烯针刺过滤非织造材料厚度和定量的增加，材料的各向强力都在增大。

2.9    过滤材料的顶破强力（表7）

在非织造过滤材料中，大多数情况下要被加工成过滤袋，因此滤料会被加工弯曲状态，如果滤料顶破强力较小，则无法发挥其有效的过滤作用。

由表7可看出，4 种聚丙烯针刺过滤非织造材料的顶破强力规律为：2#>1#>4#>3#，顶破强力与材料厚度和定量有一定的相关关系，这是因为;当厚度和面密度增加时，纤维间排列缠结更紧密，每个固结点上所作用的纤维数量越多，纤维间的摩擦力和抱合力等较大，因此，当过滤材料受到顶破时，厚度和面密度越大的过滤材料，就会越不易受到力的作用而产生过大的移动，这样顶破所需要的力就越大，所以，过滤材料的厚度和面密度越大，则顶破强力也就越大。

2.10    过滤材料的过滤性能

过滤材料的性能是否优良，主要看其过滤性能是否优良。过滤性能主要包括：有效孔径、容尘量及过滤效率。通过测量有效孔径大小來表达过滤材料的过滤性能。有效孔径与过滤材料可以拦截的颗粒物大小有关。滤料的孔径与滤料的克重、过滤性能、透气性、透湿性等有关，并由铺网的方式、加工工艺方法等决定。

实验仪器采用YT030N土工布有效孔径测定仪。试验方法为：采用的是干筛法，用过滤材料作为筛布，将已知直径的标准颗粒放在过滤材料上振筛，称量通过过滤材料的标准颗粒材料质量，计算通过率，调换不同直径颗粒材料进行试验。

试验时将试样与标准颗粒材料，同时放在标准大气条件下，并进行调湿平衡，支撑筛网直径为200mm，标准振筛机横向摇动频率（220？0）次/min;回转半径（12？）mm。每种过滤材料测试3组，共12组，每一组测试10次，然后计算平均值。标准颗粒材料称取50g，标准颗粒通常可选用玻璃珠，应该洁净，进行清洗和烘干。标准颗粒直径单位为毫米（mm）。然后均匀撒在过滤材料上，将筛框、试样和接收盘夹紧在振筛机上，开动机器，摇筛式样10min。关机后称取标准颗粒材料质量，并记录，重新换试样。直至取得不少于3组连续分段标准颗粒材料的过筛率，并且有1组的过筛率低于5%。表8为孔径实验数据。

按下式计算标准颗粒物通过率：   =

式中：―标准颗粒通过率，单位（%）;m―透过滤料的标准颗粒质量（g）;G―标准颗粒物的总质量（g）。计算得到4种材料标准颗粒通过率，如表9所示。

由表9可以看出，过滤材料的标准颗粒物通过率情况为：1#滤料的有效孔径为0.25mm;2#滤料的有效孔径为0.18mm;3#滤料的有效孔径为0.45mm;4#滤料因为在标准颗粒直径0.25mm到0.45mm之间没有其他更小标准颗粒直径，因此可判定4#滤料的有效孔径在0.25mm到0.45mm之间。

2.11    过滤材料的透气性（表10）

由于滤料材料的透气性直接影响滤料的过滤效率，因此在许多领域，要求滤料具有较好的透气性。滤料材料的透气性与滤料的孔隙、厚度等有关。透气量影响着过滤材料在使用时的空气阻力大小。滤料的透气量越大，则过滤时空气阻力也越小。

由表10可以看出，1#滤料的透气量平均值为545.28mm/s，2#滤料的透气量平均值为796.16mm/s，3#滤料的透气量平均值为1056.01mm/s，4#滤料的透气量平均值为1286.86mm/s。由此可知，4种非织造布的透气性不同，这与材料中纤维间孔隙大小、纤维分布规律及纤维粗细等有关。由表10也可以看出，孔隙率随着试样面密度的增加而减少。当材料的厚度和面密度增加时，这会使纤维间纠缠度、摩擦力和抱合力增大，并使密度增大，导致纤维之间的空隙减少;当滤料的厚度和面密度增大时，透气性越小;反之，透气性则越大。

2.12    过滤材料的透湿性（表11）

滤料主要是在湿润的条件下被使用的，这就要求滤料具有一定的透湿性。透湿量也是用来表征材料的通透性能的重要指标。一般情况下透湿量越大，材料的通透性能则越好。

从表11可以得出，透湿量的变化规律为：2#>1#>4#>3#。4种非织造布的透湿性不同，这与试样中纤维间孔隙大小有一定的相关关系。随面密度和厚度增加，纤维间缠结会更加紧密，导致纤维之间的抱合力和摩擦力加强，使孔隙减少，最终导致透湿量也减少，这样材料的透湿性也就越低。

2.13    过滤材料的容尘量

容尘量是在标准大气条件下，过滤材料能容纳试验粉尘的重量。容尘量越大，过滤材料的过滤性能越好。容尘量是指未通过的标准颗粒物的重量。实验仪器采用YT030N土工布有效孔径测定仪

试验方法为：因没有依据标准，根据有关文献，根据4种滤料的实际有效孔径，均采用直径0.18标准颗粒物20g、直径0.25mm标准颗粒物20g和直径0.45mm标准颗粒物20g，3种标准颗粒物总共60g，均匀混合。模拟粉尘经过4 种过滤材料过滤后的情况变化，并在3D显微镜下观察其结构形态等情况。

试验时将试样与标准颗粒材料同时放在标准大气条件下进行调湿平衡，支撑筛网直径为200mm，标准振筛机横向摇动频率（220？0）次/min;回转半径（12？）mm。每种过滤材料测试10次，共40组。表12为容尘量实验数据。

从表12 可以知道，未通过的标准颗粒物就为其容尘量。未通过滤料1#的标准颗粒物的质量为43.76g，为四种滤料中最大，所以它的容尘量也是最大的。未通过滤料4#的标准颗粒物质量为3.25g，为四种滤料中最小的，所以它的容尘量也是最小的。

3    结语

通过测量4种聚丙烯非织造针刺过滤材料的性能和特点，可以得出以下結论：聚丙烯非织造针刺过滤材料中纤维是杂乱分布的。它的各种性能都与纤维直径、纤网厚度、纤维结构面密度和厚度均匀性等有关，厚度和面密度越大，它的断裂强力、断裂伸长率、顶破强力和容尘量就越好。透气性和透湿性与过滤材料的面密度和厚度的大小成一定的正相关关系，当材料厚度、克重增大时，透气性和透湿性降低;反之，材料的透气性和透湿性都增大。

参考文献

[1]郭秉臣.非织造布的性能与测试[M].北京：中国纺织出版社，1997.

[2]于伟东.纺织材料学[M].北京：中国纺织出版社，2006.

[3]郭秉臣.非织造布学[M].北京：中国纺织出版社，2002.

[4]刘呈坤，马建伟.非织造布过滤材料的性能测试及产品应用[J]. 非织造布，2005，13（1）：30-34.

[5]朱冰，靳向煜.熔喷复合材料的过滤性能研究[J].非织造布，2010，18 （4）：31-35.

[6]蔡杰.空气过滤ABC[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[7]克莱德.奥尔编，邵启祥译.过滤理论与实践[M].北京：国防工业出版社，1982.

Test and Study of Properties of Polypropylene Nonwoven Needle-Punched Filtration Material

ZHAO Bo

（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou，Henan 450007，China）

Abstract： The properties of four kinds of polypropylene nonwoven needle-punched filter materials were tested. The surface morphology，gram weight，breaking strength，elongation at break，top breaking strength，air permeability，moisture permeability and dust tolerance of different samples were analyzed and compared.In the course of experiment and test，it was found that the breaking strength，top breaking strength，elongation at break，air permeability and moisture permeability were all related to gram weight and thickness.The experimental results show that polypropylene nonwoven needle-punched filter material has unique properties and is suitable for the development of various functional filtration products and has wide application in textile industry.

Key words： filtration;needle-punch;polypropylene nonwovens;performance test