面对全球环境危机,随着国家重工业的大力推广及排放要求的进一步提高,开发具有高过滤效率和长使用寿命的高性能过滤材料是当代空气过滤行业的研究重点。传统滤袋由空气过滤材料缝制而成,目前存在以下两个问题:首先,滤袋在使用过程中其缝制处由于脉冲气流的作用,易产生破裂;其次,缝制处材料重叠、针迹过大造成的粉尘堆积降低了空气过滤材料的有效过滤面积,由此降低整个滤袋的过滤效率。本课题制备了静电增强型聚四氟乙烯单丝,并以此作为结构增强原料,研发的纬编双轴向无缝空气过滤材料可以有效的解决以上两个问题。针对以上新型纬编双轴向结构,本课题研发了专用的双轴向圆纬机和圆筒针刺机,实现了新型纬编双轴向无缝空气过滤材料的成功制备。针对空气过滤材料使用过程中涉及到的各项性能,将纬编双轴向无缝空气过滤材料与传统空气过滤材料进行对比。最后通过数值模拟,揭示纬编双轴向无缝空气过滤材料在力学性能和过滤效率上的优势。(1)本课题采用挤出法纺丝制备了新型聚四氟乙烯单丝,利用其力学性能和静电性能的优势提高无缝过滤材料的力学性能和过滤效率。在预处理时加入不同粒径和不同含量的电气石颗粒进行混合,纺制含电气石颗粒的聚四氟乙烯单丝,电气石颗粒含量的变化对聚四氟乙烯静电增强体单丝的表面形态、力学性能和电学性能有较大影响。研究表明,随着电气石的含量和粒径增大,单丝表面沟槽数目越多且越深,导致力学性能下降,但由于电气石自带静电,单丝表面的静电压明显提升且呈指数分布,综合考虑单丝力学性能和电学性能对无缝结构材料力学性能和过滤效率的提升作用,确定了电气石的最佳含量为5 wt%,最佳粒径为5μm,为纬编双轴向无缝空气过滤材料的研发提供原料支撑。(2)设计了新型纬编双轴向结构,以双面罗纹组织为地组织,加入衬经和衬纬纱,针对该新型无缝织物结构,设计研发了新型纬编双轴向圆纬机和圆筒针刺机。其中,新型双轴向圆纬机配备专用的成圈机构、给纱机构和传动机构,通过不断地解决纱嘴相对位置、纱线张力与织物牵拉力、机构之间的配合等问题,实现了纬编无缝双轴向织物的编织。基于无缝管状的结构特性,本课题开发了针对不同筒径圆筒织物的针刺机,对其织物结构进行进一步增强,改善其孔隙率,最终获得纬编无缝双轴向空气过滤材料。新型结构及设备的研发为纺织领域新产品研发和新应用的拓展带来机遇,也为空气过滤材料新产品的开发提供设计思路。(3)对不同结构的纬编无缝空气过滤材料和传统空气过滤材料组成的六种样品进行拉伸强度、顶破强度、静电压、透气率、孔径分布、过滤效率和过滤阻力测试,并对这些性能指标进行模糊综合分析。在拉伸和顶破的过程中,纬编双轴向无缝空气过滤材料的横纵向增强结构有利于材料在拉伸和顶破强度上的提高,且由拉伸和顶破曲线可得纬编双轴向无缝空气过滤材料的拉伸和顶破性能较稳定;在过滤性能中,纬编双轴向无缝空气过滤材料的透气性和平均孔径均低于传统材料,但由于静电增强材料和无缝结构的使用其过滤效率有效提升。最终通过六种空气过滤材料的力学性能、电学性能和过滤性能模糊综合分析,最终结果显示由于其静电增强聚四氟乙烯和无缝结构的应用,本文研发的纬编双轴向无缝空气过滤材料在力学性能和过滤性能上均有明显提升,为其在过滤行业的应用提供性能参考。(4)通过ANSYS建立了空气过滤材料物理模型,理论分析了纬编无缝空气过滤材料在过滤性能上的优势。将无缝结构过滤材料和有缝过滤材料、不同PTFE单丝含量的无缝结构过滤材料形成两组对比,从过滤过程、过滤机理和过滤效率三个方面揭示了无缝结构对该材料的过滤效率有提升作用,将入PTFE后的无缝结构过滤材料对细小颗粒具有明显的吸附作用,且与实验数据相匹配,证实了模型的有效性。(5)利用MATLAB建立了除尘系统广义模型,通过无缝结构过滤材料力学性能和过滤效率的提高,改变模型中对应参数,结果显示无缝结构过滤材料的使用使除尘系统的稳定型明显提高。利用袋式除尘系统各种因素的分析,得到系统的微分方程组,建立除尘系统模型的广义系统模型。利用广义系统稳定性的分析,得到相关参数满足一定的条件下除尘模型可以达到稳定,利用除尘模型达到稳定的时间作为衡量系统稳定性性能的标准时间越短,系统稳定性越高。通过改变系统中力学性能和初始除尘效率的参数值,计算系统稳定性的变化,结果显示,过滤材料力学性能和过滤效率提升,除尘系统的稳定性明显提升。袋式除尘器广义系统模型的建立和稳定性分析为不同规格参数的滤袋提供选择依据。上述五个方面均针对目前传统过滤材料力学性能和过滤效率不足的问题,以研发纬编双轴向无缝空气过滤材料为目的,从原料、结构、设备、性能和模拟五个方面出发,以无缝结构和制造设备为研究重点,以性能研究对比为最终目的,配合数值模拟,最终得出力学性能和过滤性能较优越的新型无缝结构空气过滤材料,为该类具备优异力学和过滤性能的新型无缝空气过滤材料的开发和应用奠定理论基础。