《Advanced Powder Technology》：Quantitative optimization of calendering process parameters for industrial nonwoven filter media using μCT-based structural and filtration analysis
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通过响应面法-中心复合设计优化热压光工艺参数，研究显示131℃和6.9bar条件下针刺聚丙烯非织造过滤材料可实现93.1%过滤效率与53.6Pa压力降的平衡，X射线微CT证实孔径由74μm降至14μm并增加曲折度2.7倍，有效解释效率提升机制。
作者：Keivan Naderi、Parham Soltani、Yu Song
伊朗伊斯法罕工业大学纺织工程系，伊斯法罕 84156-83111
摘要
在工业过程中控制细颗粒物（PM）的排放需要一种过滤介质，这种介质能够在实际操作条件下实现高颗粒去除效率与可接受的压降之间的平衡。本研究通过采用响应面方法（RSM-CCD）分析了压延温度（115–145°C）和辊压（1.2–6.8 bar）对针刺聚丙烯无纺布过滤介质的影响，从而对其热压延工艺进行了定量优化。过滤性能根据ISO 11057标准进行了评估，评估对象为粒径范围在0.3–13 μm的颗粒，这些颗粒代表了工业粉尘气溶胶。利用X射线微CT对样品进行了三维微观结构表征，结果显示压延过程导致介质密度增加，平均孔径从约74 μm减小到14 μm，孔隙弯曲度从约1.4增加到2.7。这些结构变化使得整体过滤效率从54.7%提高到了92.8%，但同时压降也从36 Pa增加到了61.8 Pa。为了在效率与压降之间找到平衡点，本研究采用质量因子作为统一的性能评估指标进行了优化。最终确定的最佳压延条件（131°C和6.9 bar）下，过滤效率为92.4%，压降为53.76 Pa，质量因子为0.048 Pa?1。
引言
工业活动的持续扩张推动了制造业、能源生产和运输领域的经济增长和技术进步。然而，这种增长也导致了颗粒物（PM）排放量的增加，这成为工业空气污染控制中的一个主要挑战。在物料处理、燃烧和机械加工等过程中产生的细颗粒和粗颗粒显著恶化了空气质量并降低了运行效率。因此，通过工业过滤系统有效控制颗粒物已成为满足环境法规、保护下游设备以及确保工业可持续运行的关键。
为了减少工业环境中的颗粒物排放，广泛采用了高效的空气过滤系统。在各种过滤技术中，无纺布过滤介质（尤其是针刺织物）因其高孔隙率、机械强度以及适用于后续处理而常用于工业袋式和筒式过滤器中[4][5][6][7]。热压延是一种这样的处理方法，通过平滑的辊子施加热量和压力来改变无纺布介质的表面和内部结构。这一过程提高了机械稳定性，改善了粉尘饼的释放性能，并改变了孔隙结构和气流路径，从而影响了过滤效率和压降[9][10][11]。
多项研究已经探讨了压延对无纺布物理和结构特性的影响，如厚度、密度和孔隙结构[12][13][14][15][16]。然而，专门研究压延如何影响这些材料实际过滤性能的研究仍然较少。Holme和Mehrotra[17]指出压延处理显著降低了空气渗透性。Jabri等人[18]研究了压缩行为对粉尘持留能力（DHC）的影响，发现优化纤维介质的压缩性能可以显著提升DHC性能。Cui等人[19]发现压延在提高针刺过滤材料性能方面起着关键作用，尤其是通过改善渗透性和减少内部堵塞。这不仅减少了强力清洗的需求，还有助于降低能耗、减少材料损坏，并延长了过滤器的使用寿命。Chauhan等人[20]发现，最初增加压延辊压力会提高过滤效率，但之后这一效果会趋于稳定。类似地，提高压延辊温度也会提升过滤效率，但温度进一步升高会导致效率下降。Thilagavathi等人[21]研究了用于纺织废水处理厂过滤压榨机的聚酯针刺无纺布，他们的研究发现压延改善了这些无纺布材料的滤饼排放性能。
尽管之前的研究为压延无纺布过滤介质的机械和功能行为提供了宝贵见解，但大多数研究要么仅关注机械性能，要么仅关注宏观过滤性能，通常将过滤效率和压降视为独立参数。此外，许多早期研究中过滤性能的评估缺乏一致性，因为并未始终采用标准化的测试方法或成熟的工业过滤装置。这限制了研究结果的可比性及其在真实工业过滤系统中的应用。此外，过滤效率与压降之间的权衡仍然是过滤设计中的一个持续挑战，因为通过增加材料密度或减小孔径来提高效率通常会导致气流阻力增加、能源效率降低以及潜在的操作限制。因此，需要对压延参数（如温度和压力）进行系统优化，以实现平衡的过滤性能。
为了解决这些挑战，本研究采用了一种综合实验和分析方法，结合了响应面方法（RSM）与中心复合设计（CCD）和高分辨率X射线微计算机断层扫描（μCT）。这种方法不仅能够进行统计上严谨的过程优化，还能对工业针刺无纺布过滤介质的微观结构演变进行三维定量表征。与以往主要依赖宏观性能指标的研究不同，本研究系统地将压延参数与孔隙形态、孔隙弯曲度、整体结构和过滤行为的变化联系起来。μCT分析直接证明了压延引起的结构致密化，包括平均孔径从约74 μm减小到14 μm以及孔隙弯曲度的增加，这从物理上解释了过滤效率的提升。通过确定统计上优化的压延条件（131°C和6.9 bar），获得了93.1%的过滤效率、53.6 Pa的压降和0.047 Pa?1的质量因子，并通过实验验证了这些结果，本研究建立了一个连贯的过程-结构-性能框架。这种综合方法有助于更深入地理解可控加工条件如何控制工业无纺布过滤介质的过滤行为，并为空气污染控制领域的工艺优化提供了实际指导。
纤维生产
用于生产的纤维级等规聚丙烯（PP）产品名为Moplen HP552R，由Shazand石化公司提供。这种均聚物PP具有较高的熔融流动性，适用于生产用于无纺布制造的低旦数短纤维。纤维生产过程使用了熔融纺丝机。聚合物颗粒在挤出机中熔化，其长度与直径比（L:D）为30，温度范围为160℃至215℃。在145 bar的压力下进行熔融...
样品的物理、微观结构和过滤性能
无纺布过滤介质的物理、微观结构和过滤性能分别在表3和表4中进行了总结，表3对应未处理样品，表4对应经过压延处理的样品。未处理样品代表未经处理的针刺无纺结构，而压延样品则是根据RSM-CCD实验设计在系统变化的温度和压力条件下制备的。未处理样品的过滤性能相对较低...
结论
本研究表明，系统优化热压延参数对于实现工业无纺布过滤介质的平衡过滤性能至关重要。精确控制压延温度和辊压显著影响了过滤效率和压降，这突显了在处理这两者固有权衡时的工艺优化重要性。方差分析确认温度是最具影响力的因素...
作者贡献声明
Keivan Naderi: 数据验证、软件开发、调查、数据分析、数据整理。
Parham Soltani: 文章撰写与编辑、初稿撰写、监督、资源协调、数据整理、数据分析、概念构思。
Yu Song: 数据验证、监督、软件开发、资源协调、数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
