紡粘-熔噴非織造布纖網(wǎng)細(xì)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(yīng)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(jìn)行復(fù)合加工，優(yōu)化纖網(wǎng)細(xì)觀結(jié)構(gòu)、提高材料力學(xué)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(xì)觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出隨機性和復(fù)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(yù)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(fù)雜的非線性關(guān)系，運用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法進(jìn)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(xì)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(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)并揭示其數(shù)值調(diào)控機理，在此基礎(chǔ)上研究復(fù)合非織造布細(xì)觀結(jié)構(gòu)的形成機理，包括孔隙結(jié)構(gòu)隨復(fù)合層數(shù)和復(fù)合方式變化的規(guī)律。探討復(fù)合層數(shù)和復(fù)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(xì)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(xì)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(xì)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(yuǎn)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(yuǎn)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(jìn)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(xì)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(jìn)行預(yù)測，并對預(yù)測

6、準(zhǔn)確度進(jìn)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(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)全集為輸入的過濾性能預(yù)測模型的預(yù)測準(zhǔn)確度均達(dá)到較高水平。以纖網(wǎng)細(xì)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(yù)測準(zhǔn)確度指標(biāo)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(yù)測準(zhǔn)確度為最高，其過濾效率和過濾阻力的預(yù)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(fù)合后非織造布細(xì)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(dāng)量直徑的變化根據(jù)復(fù)合方式的不同而異，單成分復(fù)合非織造布的纖維當(dāng)量直徑在數(shù)量級上沒有發(fā)生變化，而混合復(fù)合非織造布的纖維當(dāng)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(fù)合單元有較大幅度的增大。復(fù)合層數(shù)越多，材料的孔徑將變得越小，復(fù)合單元的孔徑

8、變異系數(shù)越大，復(fù)合后孔徑下降率就越高;孔徑變異系數(shù)呈上升趨勢，且復(fù)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(fù)合非織造布過濾性能預(yù)測達(dá)到很高的預(yù)測準(zhǔn)確度，所有模型的MPA值均超過97％，且CV值均低于3％，表明將復(fù)合非織造布看作是各個單層非織造布（復(fù)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(fù)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(xì)觀

9、結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　6.以單一熔噴非織造布復(fù)合單元進(jìn)行復(fù)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(fù)合單元進(jìn)行復(fù)合的非織造布;隨著復(fù)合層數(shù)的增加，混合復(fù)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(fù)合非織造布的數(shù)值，尤其是四層混合復(fù)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(dá)到90.3985％、92.7092％、91.6731％，具有較好的實際應(yīng)用價值。隨著復(fù)合層數(shù)的增加，材料過濾