李筱一 繆旭紅

(江南大學(xué)教育部針織技術(shù)工程研究中心，無錫，214000)

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針織氣體過濾材料的應(yīng)用與開發(fā)*

李筱一 繆旭紅

(江南大學(xué)教育部針織技術(shù)工程研究中心，無錫，214000)

針織物的特殊結(jié)構(gòu)使針織過濾材料的市場價值和發(fā)展?jié)摿χ饾u凸顯。介紹了影響針織氣體過濾材料過濾性能的主要因素，原料纖維的特點和選擇原則，以及作為氣體過濾材料用的網(wǎng)格織物、毛絨織物、彈性毛圈織物和間隔結(jié)構(gòu)織物等不同結(jié)構(gòu)針織物的優(yōu)缺點和應(yīng)用領(lǐng)域。

針織物，氣體過濾材料，應(yīng)用，開發(fā)

隨著全球工業(yè)時代的來臨，人類的生存環(huán)境也遭到破壞，頻繁出現(xiàn)的沙塵暴和霧霾等天氣極大地威脅著人們的健康。與此同時，隨著空調(diào)的使用量增加，室內(nèi)密閉性加強，粉塵顆粒物、揮發(fā)性氣體和細(xì)菌增多，嚴(yán)重影響了室內(nèi)空氣的質(zhì)量?？諝庵械姆蹓m顆粒物會沉積在人體中，其所攜帶的各種有害物質(zhì)和不可溶顆粒物會引起各類呼吸系統(tǒng)疾病。據(jù)統(tǒng)計，全球每年約有210萬人死于因PM2.5等顆粒物濃度上升而引起的疾病[1]。空氣質(zhì)量的下降使氣體過濾顯得尤為重要，因此氣體過濾材料的研究和開發(fā)得到了空前的重視。

氣體過濾材料不僅應(yīng)用在工業(yè)廢氣排放處理上，而且應(yīng)用在常溫下濾去微小粒子的室內(nèi)空氣凈化處理上，如家用或者工業(yè)用空調(diào)過濾器等。

氣體過濾材料按織物結(jié)構(gòu)可分為機織、針織和非織造過濾材料，以非織造布和機織物為主。機織過濾材料的組織有單層簡單組織和雙層復(fù)雜組織，具有良好的力學(xué)性能、易清灰和孔隙大小可控等優(yōu)點，但很難形成濾餅。非織造過濾材料具有生產(chǎn)流程短、自動化程度高、原料范圍廣和容塵量大等特點，但其強力較低、耐久性差，在高負(fù)荷或高壓場合往往需要加筋或復(fù)合增強[2]，產(chǎn)品使用周期短。針織過濾材料通道彎曲遷回，能阻擋很小的顆粒，達(dá)到更高的過濾效率，且強力較高，但其尺寸穩(wěn)定性差、過濾效率不穩(wěn)定。針織物以線圈為基本單元相互鉤接，結(jié)構(gòu)變化多樣，設(shè)計靈活[3]，使用特殊材料與相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的針織物可以在一定程度上克服其穩(wěn)定性差等缺點。尤其是隨著近年來無縫加工等技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，針織過濾材料的市場價值和發(fā)展?jié)摿σ苍谥饾u凸顯。

1 針織氣體過濾材料的材質(zhì)

針織過濾材料常用的纖維原料主要分為傳統(tǒng)纖維和高技術(shù)纖維兩類。傳統(tǒng)纖維有棉、滌綸等；高技術(shù)纖維又分為高性能纖維、功能性纖維和精細(xì)加工纖維。高性能纖維包括聚苯硫醚(PPS)纖維、聚四氟乙烯(PTFE)纖維等；功能性纖維包括阻燃纖維、駐極體纖維等；精細(xì)加工纖維包括超細(xì)纖維、納米纖維和異形截面纖維等。影響過濾材料性能的因素主要包括纖維的種類、特性，紗線的捻度和纖維的分布等。

針織氣體過濾材料材質(zhì)的選擇應(yīng)從實際需要出發(fā)，綜合考慮各種因素。

1.1 纖維種類

纖維種類的選擇需要從過濾材料的用途出發(fā)。

對于特殊用途的過濾材料可以使用高性能纖維，如PPS纖維和PTFE纖維。PPS纖維是一種耐高溫纖維，具有優(yōu)異的耐熱性、阻燃性，力學(xué)性能優(yōu)良，尺寸穩(wěn)定性好，在冶金工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，適宜于高溫氣體過濾；PTFE纖維具有極好的耐高溫性能、極強的耐腐蝕性和耐水解能力，在冶金、化學(xué)和水泥工業(yè)具有樂觀的應(yīng)用前景。但是，這類高性能纖維往往剛性較大，韌性不足，進(jìn)行針織編織時易磨損纖維并損傷成圈機件，因此在進(jìn)行針織編織時可以對紗線作特殊處理或改進(jìn)機器。

對于普通用途的過濾材料可以選擇精細(xì)加工纖維，如超細(xì)纖維和納米纖維。超細(xì)纖維直徑小，比表面積大，雖然其單絲強力不高，但是紗線的總強度較高，柔軟性較好，適宜針織加工[4]。由超細(xì)纖維制成的絨類針織過濾材料空隙率高、孔徑均勻，可應(yīng)用于家用和產(chǎn)業(yè)用空調(diào)過濾器上。納米纖維制成的過濾材料具有高性能，可以有效地過濾納米級的塵粒。納米技術(shù)目前還處于研究階段，相信納米纖維憑借其獨特的性能必然會在將來的過濾材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1.2 纖維性能

纖維性能的選擇需要從多方面考慮。

(1)一般纖維越細(xì)，其制成的過濾材料過濾效率越高。但是，針織用紗需要具有一定強力，纖維太細(xì)不利于針織加工且易遭到損傷而影響產(chǎn)品質(zhì)量[5]，同時全部由細(xì)纖維制成的織物納污容量小、流體阻力大，不適宜作為過濾材料使用。

(2)用外表面光滑的纖維制成的過濾材料比用表面粗糙的纖維制成的過濾材料的流體阻力小，過濾效果好，同時表面粗糙的紗線經(jīng)過成圈機件時會產(chǎn)生較大的紗線張力，造成線圈結(jié)構(gòu)不勻，成圈過程中與多種機件接觸摩擦，會磨損機件。

(3)用纖維橫截面葉片越多的纖維制成的過濾材料，其過濾效率越高。

(4)用卷曲纖維制成的過濾材料比用非卷曲纖維制成的過濾材料的過濾效果好[6]。

1.3 紗線捻度

紗線的捻度對過濾效率也有影響。捻度過高會使紗線的柔軟性變差，織造時易造成疵點，也會使針織物線圈歪斜，影響過濾材料的質(zhì)量；捻度過低會使紗線強度不夠，增加織造難度，影響生產(chǎn)效率。高捻度紗制成的過濾材料的空氣阻力較低捻度紗制成的過濾材料低，但是捻度增大會使織物間隙變大，過濾效率也會有所下降。

1.4 纖維分布

加工過濾材料時可以采用密度梯度法，或使用不同線密度的纖維，將細(xì)纖維盡量分布在濾餅的形成面，以提高過濾效率和防止過濾材料阻塞。

2 針織氣體過濾材料的結(jié)構(gòu)

2.1 網(wǎng)格織物

網(wǎng)格織物是在成圈紗中織入襯經(jīng)紗和襯緯紗，兼有機織和針織過濾材料的特點。網(wǎng)格織物既有類似機織物的結(jié)構(gòu)，尺寸穩(wěn)定性得到改善，又可使經(jīng)紗、緯紗沒有因交織產(chǎn)生的織縮，具有良好的顆粒分離特性，其過濾效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通種類的針織物，且生產(chǎn)效率高。緯編網(wǎng)格織物可直接按照過濾材料所要求的直徑尺寸進(jìn)行編織，省去縫紉工序，操作方便；經(jīng)編網(wǎng)格織物生產(chǎn)速度快，尺寸穩(wěn)定性更好，過濾效率更為穩(wěn)定。使用耐高溫纖維(如PPS纖維)的網(wǎng)格織物過濾材料能在高溫下保持體積彈性，耐熱沖擊和機械振動，可用于冶金行業(yè)等高溫環(huán)境。網(wǎng)格織物過濾材料中使用較為廣泛的是襯經(jīng)襯緯圓筒過濾織物，見圖1。

圖1 襯經(jīng)襯緯織物

2.2 毛絨織物

針織絨類織物可以通過多種方法形成。緯編形成毛絨織物的方法主要有毛條喂入和毛紗割圈兩種方法。毛條喂入式織物毛高較大，但其產(chǎn)品彈性較大，需經(jīng)底部上漿和定型；毛紗割圈織物毛高較小，而尺寸穩(wěn)定性有所改善。經(jīng)編形成絨類織物方法主要有起絨、剖幅和剪絨等方法。起絨織物可獲得較長的絨毛，透氣性好，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有良好的彈性和延伸性；雙針床剖幅織物絨毛不倒伏、抗壓性強，抗靜電效果好；剪絨織物可以根據(jù)需要獲得平整或凹凸的絨面。

針織絨類織物表面的絨毛層可使織物的孔隙不是呈簡單的直通狀態(tài)，尤其是使用超細(xì)纖維等特殊材料時，絨毛層的存在使絨類過濾材料的過濾效率和清灰性能優(yōu)于普通針織過濾材料，孔徑減小可以有效攔截流體中直徑小于孔隙的塵粒。過濾時流體中的塵粒在通過絨毛層的彎曲通道時會受到擴(kuò)散、慣性和攔截等作用而沉積下來，部分塵粒被阻擋在底部組織附近形成粉塵層，依靠粉塵層的作用，過濾效率(尤其是過濾初期)提高。毛絨織物過濾材料的空隙度大、透氣性能好、過濾阻力低、容塵量大，同時絨毛層表面清除粉塵更為容易，清灰性能好。對于針織絨類織物，一般密度越大、空隙越小，則其過濾阻力越大、過濾效率越高；絨毛平均長度越長、過濾孔隙平均直徑越小，則過濾效率和過濾阻力越高、容塵量越大，同時也更易受到過濾風(fēng)速和塵粒濃度變化的影響，過濾穩(wěn)定性不好[7]。

與機織物和非織造布相比，針織絨類織物尺寸穩(wěn)定性差，因此限制了該類過濾材料的發(fā)展。隨著針織技術(shù)的不斷發(fā)展，織造和后整理技術(shù)的不斷完善，針織絨類織物必將在過濾材料領(lǐng)域迅猛發(fā)展。

目前作為過濾材料使用最為廣泛的絨類織物是針織長毛絨織物。該織物以添紗組織為地組織形成襯墊組織，面紗和地紗一起成圈，形成添紗組織，襯墊紗在織物的某些線圈上形成不封閉的懸弧，在另一些線圈背面形成浮線，并經(jīng)過起絨工藝，表面形成均勻的絨毛層，見圖2。

圖2 針織長毛絨織物

2.3 彈性毛圈織物

針織彈性織物可分單向彈性織物和雙向彈性織物，也可分為經(jīng)編彈性織物和緯編彈性織物。單向彈性織物僅在縱向或橫向有彈力，結(jié)合使用普通纖維，可充分發(fā)揮高彈性纖維的特點，適宜作為過濾材料使用；雙向彈性織物縱橫向均具有彈性，但是彈性過大使其孔隙尺寸不夠穩(wěn)定，無法作為過濾材料使用。經(jīng)編彈性織物比緯編彈性織物的延伸性小，織物的尺寸穩(wěn)定性好，但緯編織物可使用的原料范圍更廣。該過濾材料一般使用氨綸等高彈性纖維編織線圈，使用普通化學(xué)纖維編織毛圈，與普通結(jié)構(gòu)的過濾材料相比其孔徑和透過率更小，阻攔能力更高。由于兩種纖維彈性不同，在進(jìn)行氣體過濾時，氣體從毛圈一側(cè)流過，過濾材料表面的毛圈在氣體的壓力下緊貼過濾材料表面，降低了透過性，使過濾材料的透氣率減少，阻攔能力提高。當(dāng)氣體出現(xiàn)回流現(xiàn)象時，過濾材料在縱橫向受到拉伸，高彈性化學(xué)纖維編織的線圈伸長，普通化學(xué)纖維編織的毛圈部分隨之伸直，使得過濾孔隙變大，有利于過濾材料表面沉積的塵粒脫落[8]。

通常作為過濾材料使用的是單面彈性織物，是單向彈性織物的一種，其反面分布毛圈，正面分布線圈，見圖3。

圖3 彈性毛圈織物

2.4 三維間隔織物

三維間隔織物分為經(jīng)編間隔織物和緯編間隔織物，見圖4。經(jīng)編間隔織物可以由經(jīng)編雙針床機器編織，緯編間隔織物可以在緯編橫機和圓機上織成。與普通二維織物不同，三維間隔織物由上下兩個表面層和中間一個間隔層組成。該特殊的三維立體結(jié)構(gòu)使得間隔層中的纖維呈空間曲折分布，形成具有無數(shù)微小孔隙的纖維三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此塵粒必須沿著過濾材料內(nèi)間隔層的曲折網(wǎng)狀路徑進(jìn)行過濾，隨時都有可能與纖維發(fā)生碰撞而被截留。過濾材料可以對塵粒進(jìn)行攔截、慣性、擴(kuò)散和篩濾等各種效應(yīng)的表面和內(nèi)部分離，有效攔截比過濾材料孔徑更小的塵粒。間隔層的存在還可以提高流體的流動速度，加快過濾過程，具有阻力小、透氣性能好等優(yōu)點。但是也同樣由于上述原因，使得過濾不僅僅發(fā)生在過濾材料的表面，也發(fā)生在其內(nèi)部孔隙之中，易造成過濾材料阻塞，使清灰工作難以進(jìn)行，從而加大壓力損失。相信隨著紡織加工技術(shù)的進(jìn)步，可以通過使用特種纖維或者特殊整理的方法解決三維間隔織物易阻塞和清灰困難的問題。

圖4 三維間隔織物

3 結(jié)語

空氣質(zhì)量的日漸下降使氣體過濾顯得至關(guān)重要，氣體過濾已經(jīng)成為全球過濾領(lǐng)域中發(fā)展最快的部分，因此氣體過濾材料在產(chǎn)業(yè)用紡織品領(lǐng)域中具有極大發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳搬樋椷^濾材料在某些產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)得到應(yīng)用。隨著針織技術(shù)的進(jìn)步和各種高性能纖維的廣泛應(yīng)用，加上針織物本身具有的原料適應(yīng)性廣、結(jié)構(gòu)變化性強等優(yōu)點，將使針織過濾材料在未來的氣體過濾材料領(lǐng)域具有極大的競爭力。

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The application and development of knitted gas filter material

LiXiaoyi,MiaoXuhong

(Engineering Research Center of Knitting Technology, Ministry of Education, Jiangnan University)

The market value and the potential development of the knitted filter material gradually were emerged due to its special structure. The main factors influencing properties of knitted gas filter material, the characteristics and selection principle of fiber raw material, as well as the advantages, disadvantages and applications of different structure knitted fabric, such as mesh fabric, plush fabric, elastic looped fabric, spacer fabric and so on, were introduced.

knitted fabric, gas filter material, application, development

*國家科技支撐項目(2012BAF13B03)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2013015-14)

2014-12-26；修改稿：2015-03-15

李筱一，女，1994年生，在讀本科生。主要研究方向是紡織材料與紡織品設(shè)計。

繆旭紅，E-mail：miaoxuhong@163.com

TS186.6+2

A

1004-7093(2015)07-0034-04