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孔隙形状对熔喷非织造布过滤品质的影响目前,大气污染非常严重,高效空气滤材料的开发具有重要的现实意义熔喷非织造布虽然自身机械性能不足,无法单独用作滤材,但其纤维直径小,比表面积大,有利于过滤效率的提高1材料和方法
1.1样品表面为非织布制成本文选取5块聚丙烯熔喷非织造布作为样品进行研究,样品均来自浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室试样
11.2过滤质量的表现和测量
1.
3.1过滤性能的影响理想的过滤材料应具有良好的高效低阻性能,即在拥有尽可能高的过滤效率的同时,其过滤阻力要尽可能低然而过滤效率和阻力是过滤性能中的一对主要矛盾,一般来说随着过滤效率的增大,过滤阻力也将升高材料的高效低阻性能称为过滤品质,本文采用Spumy定义的品质因子q式中:FE材料的过滤效率,%;△P材料的过滤阻力,Paq过滤性能采用美国TSI公司生产的TSI-8130型自动滤料测试仪(气溶胶为石蜡油型)测试过滤效率和过滤阻力,滤速
5.3cm/s,粒径
0.3um每个样品取10个不同部位进行测试,求平均值
1.3开口形状的表现和测量
1.
3.1孔隙形状因子孔隙区域特征最重要的两个方面是孔隙形状的扁平程度和孔隙边界的光滑程度
(1)形状因子将孔隙的长宽比定义为孔隙形状因子,计算式见式
(2)式中:FL孔隙最小外接矩形长度;W宽度形状因子可用于描述孔隙形状的扁平程度,数值越大,孔隙形状就越扁平
(2)圆度孔隙圆度按式
(3)计算式中:C孔隙圆度;孔隙周长;PS孔隙面积圆度是表征孔隙边界光滑程度的指标,圆度数值越大,孔隙边界就越光滑孔隙形状边界检测法对于熔喷、纺粘等薄型非织造布来说,可运用SEM图对其孔隙结构(包括孔径与形状等)进行研究由于经A/D转换数字化后的图像不可避免地存在着噪声、光照不均匀和清晰度不够等问题,须采用数字图像处理技术(直方图处理、中值滤波、二值化和数学形态处理)对SEM图像进行预处理图像二值化的关键和难点在于最佳阈值的选取,本文的选取原则是图像经二值化后,在确保其孔隙区域无空洞的前提下使孔隙形状与原始图像最为接近,采用多人评定法确定,即由5位评价主体各自作判断、选择,然后求取平均值在求取孔隙的形状参数时,须提取相应的子矩阵并编号在对孔隙进行标识的基础上,构建一个元胞数组E(广义矩阵),E中每一个元胞即为一个孔隙子矩阵,代表相应的单孔在每个子矩阵中,令数值等于标识序号的像素值为1,否则为0,由此得到规整的单孔隙图像,然后通过边缘检测获取孔隙边界的完整信息首先对图像子矩阵进行适当改造,本文采用类似“砌围墙”的方法实施改造,其原理是在矩阵的四周即上、下、左、右各添加一个像素值均为0的一维矩阵,从而使得孔隙具备完整的边缘轮廓线以便进行边缘检测作为并行边界技术,边缘检测法是借助空域微分算子通过对图像的卷积完成,本文选取prewitt算子作卷积运算以1在完成上述图像预处理后,运用Matlab编程软件测取孔隙形状参数值基于旋转法原理获取孔隙最小外接矩形,可得孔隙长宽比(形状因了•)数值;根据边缘检测结果获取所有边界点坐标,则可计算出区域周长和面积等数据,从而得到圆度的数值去除图像边界部位的不完整孔隙后,从上述5个样品的50幅SEM图像中共提取849个孔隙,对每个孔隙求取其形状因子和圆度的数值2结果与讨论样品
12.1滤品质因子的拟合根据测得的所有孔隙的形状因子数值可求出每个样品各自的孔隙形状因子的平均值;根据上述过滤效率和过滤阻力的测试结果,按式
(1)可求得过滤品质因子数值采用Origin软件对孔隙形状因子与过滤品质因子的数值进行拟合,求取两者之间的关系,如图3所示线性拟合方程见式
(4):相关系数R=
0.99366,表明线性拟合程度很高由图3可见,过滤品质因子与孔隙形状因子之间有着良好的相关性,随着孔隙形状因子数值的增大,过滤品质随之提升非织造过滤材料所要过滤的微粒具有一定的粒径,且存在因微粒的布朗运动导致的扩散效应,常温下
0.1口m的微粒扩散距离可达17口m/s
2.2线性拟合程度按
1.
3.2测得的所有孔隙的圆度数值可求出每个样品各自的孔隙圆度平均值图4为孔隙圆度与过滤品质因子之间的关系,线性拟合方程见式
(5):相关系数R=
0.96534,表明线性拟合程度很高由图4可见,过滤品质因子与孔隙圆度之间有着良好的相关性,随着孔隙圆度数值的增大,过滤品质呈下降的趋势分析认为随着孔隙圆度的提高即孔隙边界光滑度的上升,孔隙最大内切圆直径增大,使得可以穿越孔隙的微粒数量增多,即过滤效率下降此外孔隙边界光滑度提高会使得空气阻力相应减小(尤其是小尺寸孔隙),因此随着孔隙圆度数值的增大,材料过滤阻力会相应减小但相对于纳米级尺度的空气,微米级尺度的微粒因孔隙边界光滑度提高导致的通透阻力减小的幅度会更大,因此材料过滤品质因子数值将减小3孔隙形状对过滤品质的影响熔喷非织造布具有微米级尺度的孔隙结构,其孔径大小是影响材料过滤性能的主要因素之一,且孔隙的形状能够影响材料的高效低阻性能研究结果表明,随着孔隙形状因子数值的增大,熔喷非织造布的过滤品质随之提高;随着孔隙圆度的提高,过滤品质呈下降的趋势对熔喷非织造布孔隙形状与其过滤性能关系的研究可为研制高效低阻多层复合非织造空气过滤材料提供相应的理论依据。