针刺工艺对静电棉过滤效率与阻力的性能影响研究

云高杰 ,杨丽英 ,王 蕾，云献立

（1.常州百朋纺织有限公司，江苏常州 213165；2.江南大学纺织科学与工程学院，江苏无锡 214122）

随着经济持续发展和煤炭、石油等能源的不断消耗，工业集聚地的持续增多以及化肥农药的广泛施用，污染物不断排放到环境中。根据国家生态环境部、国家统计局和国家农业农村部在2020年6月发布的《第二次全国污染普查公报》显示，2017年，全国大气污染物排放量为二氧化硫6.96×106t，氮氧化物17.85×106t，颗粒物16.84×106t[1]，其中，工业污染源排放量占比最大。大气污染物威胁着农产品的安全和人类的健康。

现阶段，主要依靠多孔过滤材料从气固两相流中捕集大气污染物，达到净化空气的效果，提高空气的洁净程度[2]。静电棉是用静电纤维制备而成的非织造过滤材料，它利用静电荷对空气中的微小灰尘进行捕捉和吸附[3]，不但具有针刺棉的超低风阻，亦具有静电荷吸附微细颗粒[4]，从而具有较好的空气过滤效果。周全考虑过滤效率与风阻二者的矛盾十分重要，静电棉主要用于口罩及室内空气净化器等，尤其作为防疫口罩的原材料，已受到人们的普遍关注。

本研究针对静电棉过滤效率和阻力的性能，设置不同针刺工艺参数，如改变针刺频率、针刺深度和输出速度，研究针刺工艺参数对静电棉过滤效率和阻力的影响，以及过滤效率和阻力之间的关系，试为高过滤效率、低阻力静电棉的制备提供理论参考。

1 静电棉生产工艺

静电棉针刺生产工艺流程主要包括开包、初开松、混棉、精开松、梳理、铺网、预刺、主刺、修面针刺、收卷。

首先，将特种化学静电纤维定重，进行初步松解，使大的纤维团开松，纤维均匀混合；然后进行精开松，进一步使纤维松解，整个过程应避免对纤维造成损伤。再将经过开松与充分混合的纤维放入气压棉箱，做好梳理前的准备。当纤维进入梳理机，剥辊与锡林对纤维进行梳理，然后通过道夫输出形成轻薄的纤维网。进入铺网工序，齿形带传动纤维网进行折叠形成多层纤网，进而多层纤网进入针刺工序。在针刺工序中，采用预刺、主刺和成型刺3道工序，通过大量带有刺钩的刺针对多层纤网反复穿刺，增加纤维之间的摩擦力，使原本蓬松的多层纤网逐步产生挤压，达到提高强力的效果[5]。最终通过卷取工序制成非织造卷装材料。

2 实验设计

2.1 实验材料

试样平方米克重选用90g/m2，由常州百朋纺织有限公司生产。

2.2 针刺工艺参数调节

针刺工艺参数主要包括预刺频率、主刺频率、成型刺频率、预刺深度、主刺深度、成型刺深度、预刺输出速度、主刺输出速度和成型刺输出速度，实验设计如表1所示。

为了达到提高棉网强力的目的，从预刺、主刺到成型刺的频率逐渐加快；成型刺的深度也较前两道针刺工序的深；各道针刺输出速度逐渐变大，有利于形成轻薄型针刺材料，降低平方米克重。

2.3 性能测试方法

本研究采用YG141型厚度仪，依据GB/T24218.2-2009测量试样厚度；采用圆型取样器，依据GB/T 24218.1-2009测量试样平方米克重；采用TSI8130自动滤料测试仪，依据GB 19083测量试样过滤效率和阻力。

表1 针刺工艺参数设计

3 结果与分析

对试样进行过滤性能测试，其过滤效率和阻力的测试数据如表2所示。

表2 实验结果

表2数据通过TSI 8130型自动滤料检测仪测得，用0.3μm作为检测过滤效率的颗粒物的粒径指标[5]，在32L/min浓度和流量条件下，试样大小为100cm2，实验结果为4次重复实验的平均值。从表2可以看出，针刺频率、针刺深度和输出速度对静电棉过滤效率和阻力有一定影响，8组实验结果的过滤效率与阻力之间相关系数达到0.87，说明过滤效率与阻力的变化趋势一致。

3.1 针刺频率对静电棉性能的影响

表1中，序号1～4的实验结果可以用于分析针刺频率对静电棉性能的影响，序号2试样各道针刺工序的针刺频率依次比序号1试样的高200刺/min，序号3试样的针刺频率比序号2的高200刺/min，序号4试样的针刺频率比序号3的高200刺/min。从表2的过滤效率结果可以看出，序号2试样的过滤效率比序号1试样提高6.6%，序号3试样的过滤效率比序号2试样降低9.8%，序号4试样的过滤效率比序号3的降低18.7%。从阻力的测试结果可以看出，序号2试样的阻力比序号1试样高0.8 Pa，序号3试样的阻力比序号2试样低0.9 Pa，序号4试样的阻力比序号3试样低0.5 Pa，证明了当采用序号2的针刺工艺时，过滤效率可显著提高，相应阻力提升程度较低。

因此，当预刺频率为600刺/min、主刺频率为730刺/min、成型刺频率为780刺/min时，所制备静电棉的过滤效率较好，相应阻力也较大。在实验过程中发现，当针刺频率达到900刺/min以上时，被刺断的短纤维逐渐增多，随着短纤维的积累，碎屑比例增多，导致粉尘产生，这样不但不会提高过滤效率，反而使之过滤效果变差，针刺频率工艺变化对阻力的影响与对过滤效率影响的规律一致。

3.2 针刺深度对静电棉性能的影响

序号1、5和6的实验结果反映了针刺深度对静电棉性能的影响规律。序号1、5和6的预刺深度、主刺深度和成型刺深度依次增加1mm，从表2中可以看出，3种工艺条件下的过滤效率依次为89.1%、90.5%和90.6%，呈现逐渐增大的趋势；3种工艺条件下的阻力分别为1.1 Pa、1.3 Pa和1.4 Pa，所呈现的规律与过滤效率一致。说明了针刺深度越深，加强了纤维与纤维之间的摩擦效果，使纤维网内部结构更加稳固，密度更大。但针刺深度过大，其过滤性能没有改善，其单位面积上的刺针密度与针刺力度急剧增大，其布面针痕的程度会加大，外观效果不佳。

3.3 输出速度对静电棉性能的影响

序号1、7和8的实验结果反映了棉网输出速度对静电棉性能的影响规律。序号1、7和8的预刺输出速度、主刺输出速度、成型刺输出速度依次增加1mm，从表2中可以看出，3种工艺条件下的过滤效率依次为89.1%、88.6%和88.3%，呈现逐渐降低的趋势；3种工艺条件下的阻力分别为1.1 Pa、1.1Pa和1.0Pa，呈现出先不变后减小的趋势。说明了棉网输出速度越快，针刺作用使纤维间摩擦越不充分，降低了纤维网的强力，使纤维网不够致密。值得注意的是，当棉网输出速度过小，棉网收到针刺作用程度越大，会造成棉网堵积在针刺板上，导致刺针过度，不利于过滤效率的提升；当棉网输出速度过大，则容易因拉扯导致刺针弯曲，从而产生断针。

4 结语

在新冠肺炎疫情防控工作丝毫不松懈的当下，应用于防护口罩生产的静电棉的质量和性能受到了高度关注，通过研究不同针刺工艺对静电棉过滤效率和阻力影响的因素，将有利于提升过滤材料的质量，更有效地保护人们的生命安全。研究结果表明，在一定范围内，过滤效率随着针刺频率变大呈现先升高后下降的趋势，随着针刺深度加深而提升，随着棉网输出速度降低而提升；此外，过滤效率与阻力变化规律一致。