基于水刺复合的PPS /PTFE 复合材料的
Structure Characters and Filtration Performance of PPS/PTFE
Composites Based on Hydroentanglement
文 |  张    恒    甄    琪    康桂田    周真佳    张一风
摘要：基于水刺加固的非织造复合材料依靠水射流的冲击作用而加固成形，水射流能量和水刺工艺是影响水刺非织造复合材料结构和过滤性能的主要因素。文章通过调整水刺工艺的关键参数，研究了水针能量和水刺工艺对非织造材料的结构和过滤性能的影响。结果表明，多层叠合的纤维网在水射流冲击作用下会相互柔性纠缠而形成梯度结构，样品的厚度和模态孔径随着水针能量和水刺压力的变化而不同；在其他条件不变的情况下，样品对2.5 ～ 10 μm 区间的细小颗粒物具有良好的拦截效率，过滤效率和过滤阻力随着水针能量的增大而增大。“梯度结构”PPS /PTFE 非织造复合材料具有迂曲孔隙结构可能是其对2.5 ～ 10 μm 颗粒物进行有效拦截的关键。关键词：水刺；非织造复合材料；工艺；过滤性能中图分类号：TS174.1          文献标志码：A
作者简介：张  恒，男，1986年生，讲师，主要从事领域为非织造复合材料的结构和性能。
通信作者：张一风，教授，E-mail ：m-esp@163 。
作者单位：张  恒、张一风，中原工学院纺织学院；甄  琪，中原工学院服装学院；康桂田，郑州纺机工程技术有限公司；周真佳，河南省产业用纺织品行业协会。
基金项目：国家重点研发计划资助项目（2017YFB0309100）；纺织服装产业河南省协同创新中心资助项目（2017CYY006）；中原工学院青年人才创新能力基金项目（K2018QN011）。
Abstract: Spunlaced nonwoven composites are reinforced by the impact effect of water jets. Water jet energy and spunlace process are the main factors affecting the structure and filtration performance of nonwoven composites. By adjusting the key parameters of spunlace process, the effects of water needle energy and spunlace process on the structure and filtration performance of the nonwovens were studied. Results showed that, the multi-layer fiber webs will be entangled with each other and form a gradient structure under the impact effect of water jet. The thickness and modal aperture of the sample changed with the different arrangement of water needle energy and spunlace pressure. When other conditions remain unchanged, the samples have good interception efficiency for fine particles in the range of 2.5~10 µm, and filtration efficiency and filtration resistance both increase as the water needle energy increases. And the tortuous pores of PPS/PTFE composite nonwovens with “gradient structure” may be the key to effective interception for 2.5~10 µm particles.
Key words: hydroentanglement; nonwoven composites; process; filtration performance
非织造复合材料是指基于非织造复合技术制备而成的纤维相互连接组成的多孔介质，其纤维间孔隙具有三维立体迂曲的特点，为空气、水、油等连续流体的传输
和目标颗粒物的捕获提供了孔道基础，因此在气固过滤领域得到了大量的应用。PPS 和PTFE 纤维均具有优良的热稳定性，可以在240 ℃下长期使用，并且对于酸、碱等腐蚀性环境有很好的抵抗性，在垃圾焚烧、火力发电等高温尾气过滤领域应用广泛，特别是基于水刺加固多层复合的耐高温滤料，已经成为非织造过滤材料领域的研究热点。
现有研究表明，非织造复合材料的性能由纤维的特性（线密度、长度和卷曲度等）和非织造材料的结构特征（厚度、克重和孔径大小等）共同决定，同时，非织造材料的结构特征又受到其加固方式的影响。基于水刺
加固的非织造复合材料依靠水射流对纤维的冲击作用加固成形，水射流能量和水刺工艺是影响水刺非织造复合材料的结构特征，进而影响非织造复合材料结构和过滤性能（过滤效率、过滤阻力）的主要因素。众多研究者为了提高水刺非织造复合材料的过滤性能（高效低阻），在水刺非织造复合材料的结构和性能方面进行了大量研究，并提出了用于高温过滤领域，基于高压水刺复合技术而制备的由多层具有结构差异的纤维层组成的“梯度结构”纤维毡制备技术。本文制备了“梯度结构”的PPS /PTFE 复合材料，
并通过调整水刺压力分布和水针能量获得不同孔隙结构和过滤性能的水刺非织造复合材料样品，最后通过实验分析得到水刺工艺对PPS /PTFE 复合材料样品结构和过滤性能的影响规律，为非织造复合过滤材料的水刺成形技术优化提供实际案例。
1  样品制备
图 1 为PPS /PTFE 非织造复合材料的制备工艺流程。PPS 纤维和PTFE 纤维分别经开松、混合后送入梳理机梳理成PPS 和PTFE 纤维网；PPS 纤维网经交叉铺网铺叠成所需要克重的多层纤网并送入到预针刺机进行针刺固网，制成PPS 纤维毡；PTFE 纤维网叠放在PPS 纤维毡表面并送入针刺机进行预加固；最后喂入到高压水刺机内进行水刺复合加固。所使用PPS 纤维和PTFE 纤维的性能如表 1 所示。
图 1    PPS /PTFE 复合材料的水刺加固工艺流程
本文所制备的PPS 纤维毡克重为500 g /m 2，针刺深度为 6 mm ，针刺密度为175刺/cm 2；PTFE 纤维层克重为
50 g /m 2。为了探究水刺压力的配置和水针能量对产品结构和性能的影响，设计了 5 种水刺工艺方案，如表
2 所示。
根据文献[10]的研究，单位时间内单位质量的纤维网所承受的水针冲击总能量可由式（1）表示。
（1）
式中：E s 为单位时间内单位质量纤维网所受的水针冲击总能量，J /kg ；C v 为孔口流速系数，0.98；C q 为孔口流量系数，0.98；ρ为水的密度，998 kg /m 3；W 为纤网克重，g /m 2；S 为纤网前进速度，m /s ；d i 为第i 个水刺头的水针孔径，均为120 μm ；P i 为第i 个水刺头水针压力，Pa ；N i 为第i 个水刺头水针孔密度，1 667孔/m 。
2  性能测试
参照GB /T 24218.1 — 2009 《纺织品 非织造布试验方法第 1 部分：单位面积质量的测定》测定样品克重；参照GB /T 24218.2 — 2009《纺织品 非织造布试验方法 第 2 部分：厚度的测定》，使用YG141D 型数字式织物厚度仪测试样品厚度；使用PSM165孔径测试仪（德国Topas 公司）分析样品的模态孔径（为非织造材料中出现概率最大的孔径）大小，测试液表面张力为20.1 mN /m ；使用Topas AFC 131 滤料测试平台分析试样对气溶胶癸二酸二异辛酯（DEHS ）的过滤效率和过滤阻力。按式（2）计算过滤材料的质量因子，用来表征过滤材料的综合过滤性能。
Q =－ln （1－E ）/Δp                      （2）
式（2）中，Q 为质量因子；E 为过滤效率，%；Δp 为过滤阻力，Pa 。
3  结果与讨论
3.1  水刺工艺对材料结构的影响
图 2 为PPS /PTFE 非织造复合过滤材料的结构示意图。从图 2 中可以看出，PPS /PTFE 非织造复合材料由PPS 纤维层和PTFE 纤维层上下叠放组成，PTFE 纤维层组成致密的超细纤维面层，与PPS 纤维层在高压水射流的作用下形成“梯度结构”非织造复合材料。PTFE 纤维层作为迎尘面，其致密结构以及纤
维间小的孔隙可提高过滤材料对细小颗粒物的捕获能力，进而提高材料的过滤性能。同时，“梯度结构”还使得材料中过滤孔径为前窄后宽的弯曲喇叭形，越远离迎尘面孔径越大，从而过滤材
表 1    PPS 纤维和PTFE 纤维特性
长度/mm
线密度/dtex 断裂强度/
（cN ·dtex －1）断裂伸长率/ %密度/（g ·cm －3）PPS 纤维53  2.2    4.725.6  1.4PTFE 纤维
55
1.9
12.8
31.4
2.1
表 2    各方案水刺工艺水针压力配置                      bar
所制备的试样，如前文所述，可能是由于水刺压力排列造成的4#方案有更大的纤维间隙（模态孔径）所致（表3）。
（a）分级效率
（b）过滤阻力
注：测试气体流量为3.4 m3/h。
图 3    不同水刺工艺配置所制备试样的分级效率和过滤阻力
图 4 为样品过滤效率、过滤阻力和质量因子随水针
甄琪能量变化情况。从图 4 可以看出，样品的过滤效率随着
水针能量的增大而从72.52%逐渐增大到83.28%；同时，
过滤阻力也随着水针能量的增大从75.58 Pa增大到85.85
Pa。可能的原因是：水针能量的增大会促使样品内纤维
的相互纠缠更加紧密，一方面使得纤维间孔隙降低（模
态孔径从44.42 μm降低到20.22 μm），进而增大样品对细
小颗粒物的直接拦截能力；另一方面，纤维的相互纠缠
也会增大细小颗粒物与纤维碰撞和被黏附而被捕获的概
率；同时，紧密的纤维缠结也是导致样品过滤阻力逐渐
增大的关键因素。值得一提的是，当水针能量从21 684.3
kJ/kg增大到22 063.6 kJ/kg时，样品的过滤效率和过滤
阻力都急剧增大，样品的质量因子则从0.020 93降低至
0.020 83。这说明水针能量与PPS/PTFE非织造复合材料
的过滤性能之间存在一个最佳的数值，这也为“梯度结
构”的优化提供了基础和进一步的研究方向。
料内的孔隙不易被细小颗粒物堵塞，减少了粒子在过滤
材料内的沉积，由此可降低过滤材料的过滤阻力，延长
过滤材料的使用寿命。
图 2    PPS/PTFE非织造复合过滤材料的结构示意图
表 3 为不同水刺工艺配置下试样的特征参数。从表
3 可以看出，水针能量对材料的厚度和模态孔径有显著影
响。在其他条件不变的情况下，样品的厚度和模态孔径
均随着水针能量的增大而减小。其中，随着水针能量从
10 230.8 kJ/kg增大到22 063.6 kJ/kg，模态孔径从44.42
μm逐渐降低到了20.22 μm。可能的原因是：（1）由于较
大的水针能量促使纤维的缠结更加紧密，进而降低材料
的厚度和模态孔径，并且PTFE纤维经过数道高压水针固
网形成较好的缠结和致密结构；（2）测试误差。另外，
对比1#方案和4#方案的模态孔径可知，在水针能量大小基
本一致的情况下，水刺压力排列也会影响模态孔径的大
小，4#方案的水刺压力分布为预水刺后直接进行了240 bar
的高压水刺，而预水刺的纤维网内纤维缠结较为松散，
此时过高的水射流冲击力会直接破坏纤维之间的纠缠，
进而破坏纤维网结构完整性而形成较大的纤维间隙。
3.2  水刺工艺对过滤性能的影响
图 3 为不同水刺工艺配置所制备试样的分级效率
和过滤阻力。从图 3 可以看出，不同水刺工艺配置的样
品对于2.5 ～ 10 μm区间的细小颗粒物均有很好的拦截
效果，并且均呈现出颗粒物直径越大被拦截效率越高的
趋势。结合 5 种方案的模态孔径分布（20.22 ～ 44.42
μm），说明“梯度结构”PPS/PTFE非织造复合材料所具
有的迂曲孔隙结构可能是其对2.5 ～ 10 μm颗粒物进行有
效拦截的关键。其次，从图 3 中还可以看出，水针能量
较高的4#方案所制备试样的过滤效率小于1#、2#和3#方案
表 3    试样的特征参数
PTFE纤维层
水刺复合
PPS纤维层
（a）过滤效率
（b）过滤阻力
（c）质量因子
注：测试气体流量为3.4 m3/h。
图 4    样品过滤效率、过滤阻力和质量因子随水针能量变化情况
4  结论
本研究制备了“梯度结构”的PPS/PTFE非织造复合材料，并通过调整水刺压力分布和水针能量获得了不同孔隙结构和过滤性能的水刺非织造复合材料样品。通过对其结构和性能的分析得出，PTFE纤维层组成致密的超细纤维层，与PPS纤维层在高压水射流的作用下形成“梯度结构”非织造复合材料；样品的厚度和模态孔径均随着水针能量和水刺压力的变化而变化，在其他条件不变的情况下，模态孔径与水针能量呈现正相关关系，参考文献
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具体为随着水针能量从10 230.8 kJ/kg增大到22 063.6 kJ/ kg，模态孔径从44.42 μm逐渐降低至20.22 μm；同时，随着水针能量的增大，样品过滤效率从72.52%逐渐增大到83.28%，过滤阻力从75.58 Pa增大到85.85 Pa，质量因子随水针能量的增大先增大后降低，这为“梯度结构”的优化提供了基础和进一步的研究方向。