紡粘-熔噴非織造布纖網(wǎng)細觀結(jié)構(gòu)及其過濾性能.pdf

1、高效空氣過濾材料的研制是應對大氣污染的有效方法之一。對相同或不同成網(wǎng)方式制成的非織造材料進行復合加工，優(yōu)化纖網(wǎng)細觀結(jié)構(gòu)、提高材料力學性能，是制備優(yōu)質(zhì)高效空氣過濾材料的一個有效途徑。非織造布纖網(wǎng)細觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出隨機性和復雜性的特征。目前非織造布纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)在實際生產(chǎn)中可控性較差，難以制備出符合預定規(guī)格要求的非織造材料。此外非織造布纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與過濾性能之間存在復雜的非線性關(guān)系，運用傳統(tǒng)數(shù)學方法進行分析已無法獲得滿意的效果。
　　針對這

2、一現(xiàn)狀，本論文運用數(shù)字圖像處理技術(shù)、粗糙集、支持向量機等工具研究紡粘、熔噴等薄型單層非織造纖網(wǎng)的細觀結(jié)構(gòu)特征，提取出影響材料過濾性能的最具代表性的少量關(guān)鍵細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)并揭示其數(shù)值調(diào)控機理，在此基礎上研究復合非織造布細觀結(jié)構(gòu)的形成機理，包括孔隙結(jié)構(gòu)隨復合層數(shù)和復合方式變化的規(guī)律。探討復合層數(shù)和復合方式對材料過濾性能的影響規(guī)律，為制備高效空氣過濾材料提供理論依據(jù)。研究結(jié)果如下:
　　1.紡粘和熔噴非織造布孔隙形狀參數(shù)降維結(jié)果均顯示，孔

3、隙偏心率和孔隙緊湊度是最能代表孔隙形狀特征的兩個參數(shù);紡粘非織造布纖網(wǎng)細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)降維的結(jié)果顯示，厚度、纖維直徑、孔徑、孔徑變異系數(shù)和孔隙偏心率是最具有代表性的5個纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù);熔噴非織造布纖網(wǎng)細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)降維的結(jié)果顯示，厚度、纖維直徑、纖維直徑變異系數(shù)、孔徑和孔隙偏心率是最具有代表性的5個纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。紡粘和熔噴兩種非織造布在細觀結(jié)構(gòu)方面的差異表現(xiàn)在:首先，紡粘非織造布的纖維直徑大且較為均勻，相對而言熔噴非織造布纖維直徑則表現(xiàn)為小而不

4、勻;其次，熔噴非織造布的基平面網(wǎng)特征長度遠大于紡粘非織造布;其三，兩種非織造布的孔徑數(shù)值差異不大，但紡粘非織造布的孔徑變異系數(shù)遠大于熔噴非織造布;其四，熔噴非織造布的孔隙率高于紡粘非織造布。
　　2.為探明單個纖維相結(jié)構(gòu)參數(shù)對孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，以纖維根數(shù)、纖維直徑、纖維直徑變異系數(shù)和纖維取向角為模型輸入，運用數(shù)字圖像技術(shù)構(gòu)建非織造布基平面網(wǎng)模型。研究結(jié)果表明，隨著纖維根數(shù)增加，孔徑呈明顯減小趨勢，孔徑變異系數(shù)略有增大;隨著纖維平

5、均直徑的增大，平均孔徑呈小幅下降趨勢，孔徑變異系數(shù)則呈小幅增大的態(tài)勢;隨著纖維直徑變異系數(shù)的增大，孔徑變異系數(shù)呈小幅增大態(tài)勢;隨著纖維取向角的減小，孔隙偏心率呈明顯增大趨勢，而孔徑變異系數(shù)呈小幅減小態(tài)勢。纖維根數(shù)是對孔徑影響最大的基平面網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)?；诨矫婢W(wǎng)模型進行理論分析得出的結(jié)論與實際測試的結(jié)果相一致。
　　3.運用支持向量機建模，將紡粘/熔噴非織造布纖網(wǎng)細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)約簡集內(nèi)參數(shù)的不同組合作為輸入對過濾性能進行預測，并對預測

6、準確度進行比較分析。實驗結(jié)果顯示，無論是紡粘還是熔噴非織造布，以纖網(wǎng)細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)全集為輸入的過濾性能預測模型的預測準確度均達到較高水平。以纖網(wǎng)細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)約簡集5個參數(shù)為輸入的模型在幾乎所有預測準確度指標上均優(yōu)于以參數(shù)全集為輸入的模型，表明在原始參數(shù)集中含有與過濾性能關(guān)聯(lián)度較低的參數(shù)。對于兩種非織造布，均以厚度、纖維直徑和孔徑這3個參數(shù)為輸入模型的預測準確度為最高，其過濾效率和過濾阻力的預測精度均高于98％，且CV值均在3％以下，表明厚

7、度、纖維直徑和孔徑是影響紡粘/熔噴非織造布過濾性能的3個關(guān)鍵參數(shù)。
　　4.與單層非織造布相比，層壓復合后非織造布細觀結(jié)構(gòu)的變化表現(xiàn)在:材料厚度和孔隙率均有較大幅度減小;纖維當量直徑的變化根據(jù)復合方式的不同而異，單成分復合非織造布的纖維當量直徑在數(shù)量級上沒有發(fā)生變化，而混合復合非織造布的纖維當量直徑與單成分紡粘非織造布相比有大幅度的下降;基平面網(wǎng)特征長度比復合單元有較大幅度的增大。復合層數(shù)越多，材料的孔徑將變得越小，復合單元的孔徑

8、變異系數(shù)越大，復合后孔徑下降率就越高;孔徑變異系數(shù)呈上升趨勢，且復合層數(shù)越多，孔徑變異系數(shù)越大。
　　5.以厚度、纖維直徑和孔徑為輸入的基于支持向量機的復合非織造布過濾性能預測達到很高的預測準確度，所有模型的MPA值均超過97％，且CV值均低于3％，表明將復合非織造布看作是各個單層非織造布（復合單元）所構(gòu)成的多級過濾器這一觀點是客觀的、正確的，同時也驗證了對于復合非織造布而言，厚度、纖維直徑和孔徑仍然是影響其過濾性能的關(guān)鍵纖網(wǎng)細觀

9、結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　6.以單一熔噴非織造布復合單元進行復合的非織造布的過濾效率和過濾阻力數(shù)值高于以單一紡粘非織造布復合單元進行復合的非織造布;隨著復合層數(shù)的增加，混合復合非織造布的過濾效率和過濾阻力數(shù)值不斷趨近單成分熔噴復合非織造布的數(shù)值，尤其是四層混合復合中的3S1M型、2S2M型和1S3M型的各15個樣本的平均過濾效率分別達到90.3985％、92.7092％、91.6731％，具有較好的實際應用價值。隨著復合層數(shù)的增加，材料過濾