不锈钢纤维牵伸条的线密度对气流成网均匀性的影响

金属纤维烧结毡是近年来国内外广泛关注的一种新型多孔功能材料，是由直径达微米级的金属纤维经非织造工艺铺制、多层叠配及高温烧结而成，具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、三维孔道结构稳定、渗透性能好、强度高等优点，在过滤分离、微生物燃料电池、阻尼减振、吸声降噪、电磁屏蔽和高效燃烧等领域具有广泛的应用前景。

目前在金属纤维烧结毡制备过程中，金属纤维的成网方法主要包括湿法、梳理法和气流成网法。其中气流成网法是一种高效铺制金属纤网的非织造铺制技术。该技术的难点在于如何铺制出均匀性好的纤网。气流成网均匀性的影响因素主要包括设备参数和纤维属性，前者主要包括刺辊速度、成网压力、输出帘速度等，后者主要包括纤维丝径、强度、表面状态、卷曲度、气流中纤维的密度等。本文在现有设备条件下，以不同丝径的316L不锈钢纤维为研究对象，探究其牵伸条的线密度对气流成网均匀性的影响。

1 实验

1.1 金属纤网的铺制

8、12、22 μm丝径的纤维单束分别为8 000、4 000、2 000根。不同丝径的单束纤维均分别合成4、5、6、7、8束，然后分别送入纤维牵伸机中牵切得到分散蓬松的金属纤维牵伸条。将牵伸条分别喂入美国Rando（兰多）公司生产的气流铺毡机中，金属纤维在空气气流下进行铺制，得到克重为200～300 g/m2的金属纤网。

1.2 牵伸条线密度和纤网均匀性的测定

线密度用来描述牵伸条的粗细程度。将牵伸好的金属纤维条随机剪取不同长度10组，分别称其重量，计算10组长度不同牵伸条的线密度并求其平均值。

采用取样称重法测定纤网的均匀性，在气流铺制的纤网中随机取面积均为100 cm2的样本30片，并逐一称重，求出均方差和变异系数（CV值）。CV值越高，纤网单重的离散程度越大，纤网的均匀性越差；CV值越低，纤网单重的离散程度越小，纤网的均匀性越好。

1.3 不锈钢金属纤维烧结毡的制备

分别将丝径为8、12、22 μm的纤维铺制的均匀纤网，按照8 μm（2层）＋12 μm（2层）＋22 μm（2层）的顺序叠配在一起，在真空炉中烧结制得金属纤维毡。在平整机上将其平整为8 mm厚，进行无损透气性和泡点压力测试。

2 结果与讨论

本文通过集束拉拔法制备了丝径为8、12、22 μm的316L不锈钢纤维，其扫描电子显微镜（SEM）照片如图1所示，从中可以看出不同丝径的纤维均呈长条圆棒状，表面有条纹沟痕。将不同丝径的不锈钢纤维经合束-牵切得到不同线密度的牵伸条。

图1 不同丝径316L不锈钢纤维的SEM照片

牵伸条的线密度影响纤维在气流中的分布密度，进而影响气流成网的均匀性。因此，本文以丝径为8、12、22 μm的316L不锈钢纤维为研究对象，探究其牵伸条的线密度变化对气流成网均匀性的影响。图2（a）是丝径为8 μm的316L纤网样本的CV值与牵伸条线密度的关系曲线，从中可以看出，当牵伸条的线密度为7 610 tex时，纤网样本的CV值为3.94%，是5组中最小的，说明在此条件下铺制的纤网均匀性较好。图2（b）是丝径为12 μm的316L纤网样本的CV值与牵伸条线密度的关系曲线，从中可以看出，当牵伸条的线密度为12 360 tex时，纤网样本的CV值为3.20%，是5组中最小的，说明在此条件下铺制的纤网均匀性较好。图2（c）是丝径为22 μm的316L纤网样本的CV值与牵伸条线密度的关系曲线，从中可以看出，当牵伸条的线密度为14 520 tex时，纤网样本的CV值为5.51%，是5组中最小的，说明在此条件下铺制的纤网均匀性较好。

图2 不同丝径纤网样本的CV值与牵伸条线密度的关系

综合上述实验结果可以看出，牵伸条的线密度过大或过小都会造成纤网的不匀率增加。当牵伸条的线密度过大时，在一定条件下气流中纤维的密度过大，纤维的“絮凝”作用显著增加，造成纤网的不均匀性增加。当牵伸条的线密度过小时，在一定条件下气流中纤维的密度过小，在空气气流和重力的作用下，纤维缓慢沉积下来时容易发生偏移，造成纤网的不均匀性增加。因此，只有当牵伸条的线密度取适度的数值，纤维在气流中合理分布，铺制纤网的均匀性才能更好。图3为22 μm 316L不锈钢纤维经气流铺制成网后纤网的宏观照片，可以看出纤维呈三维杂乱分布，纵、横向强力差异小，基本显示各向同性的特点。

图3 22μm 316L不锈钢纤维经气流铺制后纤网的宏观照片

图4是将8、12、22 μm不锈钢纤维铺制最均匀的纤网叠配在一起制备的金属纤维烧结毡的SEM照片。纤维毡按8 μm（2层）＋12 μm（2层）＋22 μm（2层）的顺序叠配在一起烧结而成，图4呈现的是纤维毡细丝径（8 μm）的一面。从中可看出，纤维杂乱分布搭载焊接在一起，并呈现出丰富的孔结构。将制备的金属纤维烧结毡平整为厚8 mm，在纤维毡上随机选取20个不同位置，对其进行无损检测透气度和泡点压力。结果表明，20组数据的平均透气度为3.568 L/（cm2·min），透气度CV值为2.12%，小于同类纤维毡；20组数据的平均泡点压力为2 050 Pa，泡点压力CV值为2.95%，也小于同类纤维毡，表明丝径为8、12、22 μm的不锈钢纤维铺制的均匀纤网叠配在一起可以制备出均匀性较好的金属纤维烧结毡。

图4 金属纤维烧结毡SEM照片

3 结论

（1）牵伸条的线密度影响纤维在气流中的分布密度，进而影响气流成网的均匀性。线密度过大或过小都会加剧纤网的不均匀性，因此需要选取适当的牵伸条线密度。实验证明，当丝径为8、12、22 μm的316L不锈钢纤维的牵伸条线密度分别为7 610、12 360、14 520 tex时，气流铺制纤网的均匀性较好。

（2）将上述3种丝径不锈钢纤维铺制的均匀纤网叠配在一起，可以烧结制备出均匀性较好的金属纤维烧结毡，其透气度CV值仅为2.12%、泡点压力CV值仅为2.95%。