纺粘熔喷非织造布纤网细观结构及其过滤性能

纺粘/熔喷非织造布纤网细观结构及其过滤性能

高效空气过滤材料的研制是应对大气污染的有效方法之一。对相同或不同成网方式制成的非织造材料进行复合加工,优化纤网细观结构、提高材料力学性能,是制备优质高效空气过滤材料的一个有效途径。

非织造布纤网细观结构呈现出随机性和复杂性的特征。目前非织造布纤网结构参数在实际生产中可控性较差,难以制备出符合预定规格要求的非织造材料。

此外非织造布纤网结构参数与过滤性能之间存在复杂的非线性关系,运用传统数学方法进行分析已无法获得满意的效果。针对这一现状,本论文运用数字图像处理技术、粗糙集、支持向量机等工具研究纺粘、熔喷等薄型单层非织造纤网的细观结构特征,提取出影响材料过滤性能的最具代表性的少量关键细观结构参数并揭示其数值机理,在此基础上研究复合非织造布细观结构的形成机理,包括孔隙结构随复合层数和复合方式变化的规律。

探讨复合层数和复合方式对材料过滤性能的影响规律,为制备高效空气过滤材料提供理论依据。研究结果如下:1.纺粘和熔喷非织造布孔隙形状参数降维结果均显示,孔隙偏心率和孔隙紧凑度是最能代表孔隙形状特征的两个参数;纺粘非织造布纤网细观结构参数降维的结果显示,厚度、纤维直径、孔径、孔径变异系数和孔隙偏心率是最具有代表性的5个纤网结构参数;熔喷非织造布纤网细观结构参数降维的结果显示,厚度、纤维直径、纤维直径变异系数、孔径和孔隙偏心率是最具有代表性的5个纤网结构参数。

纺粘和熔喷两种非织造布在细观结构方面的差异表现在:首先,纺粘非织造布的纤维直径大且较为均匀,相对而言熔喷非织造布纤维直径则表现为小而不匀;其次,熔喷非织造布的基平面征长度远大于纺粘非织造布;其三,两种非织造布的孔径数值差异不大,但纺粘非

织造布的孔径变异系数远大于熔喷非织造布;其四,熔喷非织造布的孔隙率高于纺粘非织造布。2.为探明单个纤维相结构参数对孔隙结构的影响规律,以纤维根数、纤维直径、纤维直径变异系数和纤维取向角为模型输入,运用数字图像技术构建非织造布基平面网模型。

研究结果表明,随着纤维根数增加,孔径呈明显减小趋势,孔径变异系数略有增大;随着纤维平均直径的增大,平均孔径呈小幅下降趋势,孔径变异系数则呈小幅增大的态势;随着纤维直径变异系数的增大,孔径变异系数呈小幅增大态势;随着纤维取向角的减小,孔隙偏心率呈明显增大趋势,而孔径变异系数呈小幅减小态势。纤维根数是对孔径影响最大的基平面网结构参数。

基于基平面网模型进行理论分析得出的结论与实际测试的结果相一致。3.运用支持向量机建模,将纺粘/熔喷非织造布纤网细观结构参数约简集内参数的不同组合作为输入对过滤性能进行预测,并对预测准确度进行比较分析。

实验结果显示,无论是纺粘还是熔喷非织造布,以纤网细观结构参数全集为输入的过滤性能预测模型的预测准确度均达到较高水平。以纤网细观结构参数约简集5个参数为输入的模型在几乎所有预测准确度指标上均优于以参数全集为输入的模型,表明在原始参数集中含有与过滤性能关联度较低的参数。

对于两种非织造布,均以厚度、纤维直径和孔径这3个参数为输入模型的预测准确度为最高,其过滤效率和过滤阻力的预测精度均高于98%,且CV值均在3%以下,表明厚度、纤维直径和孔径是影响纺粘/熔喷非织造布过滤性能的3个关键参数。4.与单层非织造布相比,层压复合后非织造布细观结构的变化表现在:材料厚度和孔隙率均有较大幅度减小;纤维当量直径的变化根据复合方式的不同而异,单成分复合非织造布的纤维当量直径在数量级上没有发生变化,而混合复合非织造布的纤维当量直径与单成分纺粘非织造布相比有大幅度

的下降;基平面征长度比复合单元有较大幅度的增大。

复合层数越多,材料的孔径将变得越小,复合单元的孔径变异系数越大,复合后孔径下降率就越高;孔径变异系数呈上升趋势,且复合层数越多,孔径变异系数越大。5.以厚度、纤维直径和孔径为输入的基于支持向量机的复合非织造布过滤性能预测达到很高的预测准确度,所有模型的MPA值均超过97%,且CV值均低于3%,表明将复合非织造布看作是各个单层非织造布(复合单元)所构成的多级过滤器这一观点是客观的、正确的,同时也验证了对于复合非织造布而言,厚度、纤维直径和孔径仍然是影响其过滤性能的关键纤网细观结构参数。

6.以单一熔喷非织造布复合单元进行复合的非织造布的过滤效率和过滤阻力数值高于以单一纺粘非织造布复合单元进行复合的非织造布;随着复合层数的增加,混合复合非织造布的过滤效率和过滤阻力数值不断趋近单成分熔喷复合非织造布的数值,尤其是四层混合复合中的3S1M型、2S2M型和1S3M型的各15个样本的平均过滤效率分别达到90.3985%、92.7092%、91.6731%,具有较好的实际应用价值。随着复合层数的增加,材料过滤品质呈下降态势,从单层增加到2层时品质因子数值下降较多,但此后下降幅度逐层减小,而相同复合层数各种复合方式非织造布的品质因子数值差异总体较小。

通过综合分析,非织造过滤材料的复合层数以四层为最佳,复合方式以2S2M为最优。