徐 彪

（上海博格工業(yè)用布有限公司，上海 200030）

新型水刺復(fù)合過濾材料的開發(fā)與應(yīng)用

徐 彪

（上海博格工業(yè)用布有限公司，上海 200030）

介紹了水刺復(fù)合工藝的優(yōu)點(diǎn)，分析了新型水刺復(fù)合濾料的三種先進(jìn)形式—針刺與水刺、紡粘與水刺、機(jī)織與水刺的特點(diǎn)及其市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，為濾料研究提出了新的方向。

水刺復(fù)合;過濾材料;復(fù)合形式

前言

目前，針對(duì)工礦爐窯條件的復(fù)雜性，普通的針刺過濾材料已經(jīng)不能滿足新的PM2.5排放標(biāo)準(zhǔn)和用戶對(duì)過濾材料的使用壽命和成本控制的要求。為克服現(xiàn)有普通針刺生產(chǎn)線的缺陷，適應(yīng)PM2.5的排放標(biāo)準(zhǔn)，水刺復(fù)合技術(shù)已成為環(huán)保過濾行業(yè)的濾料研究新方向。

水刺復(fù)合材料是非織造材料中技術(shù)含量高、產(chǎn)品性能好，倍受消費(fèi)者好評(píng)的產(chǎn)品之一，在我國(guó)已取得近二十年的發(fā)展。水刺復(fù)合技術(shù)是近幾年興起的新技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)非織造技術(shù)的重大創(chuàng)新。該技術(shù)通過多種技術(shù)的交叉、滲透和融合，使水刺產(chǎn)品的性能和功能更加豐富，大大拓展了水刺產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，國(guó)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)結(jié)合水刺復(fù)合技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，把傳統(tǒng)的過濾材料生產(chǎn)工藝—針刺、紡粘、水刺，三者有機(jī)結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，開發(fā)出了多種形式的水刺復(fù)合新型過濾材料。

1 水刺復(fù)合工藝的優(yōu)點(diǎn)及形式

水刺的柔性纏結(jié)復(fù)合技術(shù)對(duì)纖維和基布損傷小，且與普通的過濾產(chǎn)品相比，產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度高，產(chǎn)品手感好，易清灰，并且在過濾效率和過濾精度方面也有了一定的提高。

目前，水刺復(fù)合過濾材料有以下幾種形式：1） 針刺與水刺的復(fù)合形式；2） 紡粘與水刺的復(fù)合形式；3）機(jī)織與水刺的復(fù)合形式。

2 水刺過濾材料的復(fù)合形式

2.1 針刺與水刺復(fù)合的工藝

傳統(tǒng)的針刺工藝以產(chǎn)品開發(fā)門類廣泛、工藝手段靈活的綜合優(yōu)勢(shì)一直占據(jù)著過濾材料生產(chǎn)工藝中的主導(dǎo)地位。然而，由于針刺是以剛性的帶鉤的刺針在纖網(wǎng)中往復(fù)運(yùn)動(dòng)使纖維之間相互纏結(jié)而成布的，因此在針刺過程中會(huì)對(duì)纖維和基布造成不可避免的損傷，而且針刺非織造布常存在有針痕、手感硬、表面有折狀等問題。對(duì)于某些高密度、高品質(zhì)的針刺布來講，這些問題可能顯得更為嚴(yán)重。

新型的針刺+水刺復(fù)合生產(chǎn)工藝是將經(jīng)過預(yù)針刺的纖維網(wǎng)，經(jīng)過水刺加固，利用高速水流的沖擊作用，將纖維纏結(jié)，最終形成具有很高強(qiáng)力的過濾材料。

水刺的柔性纏結(jié)復(fù)合技術(shù)原理是，利用高壓水射流對(duì)纖網(wǎng)進(jìn)行連續(xù)噴射，在水力作用下使纖維運(yùn)動(dòng)、位移而重新排列和相互纏結(jié)，纖維得以加固并且獲得一定的物理性能（見圖1）。

圖1 水刺原理

采用針刺水刺復(fù)合工藝即先用刺針進(jìn)行預(yù)針刺，后經(jīng)水刺加工成氈（水刺頭的局部見圖2，水刺的工作狀態(tài)見圖3）。水刺的柔性纏結(jié)復(fù)合技術(shù)有效地解決了普通針刺工藝中帶鉤的鋼針對(duì)基布不可避免的損傷問題，突破了針刺復(fù)合過程中大量切斷長(zhǎng)絲而造成濾袋機(jī)械強(qiáng)度下降的瓶頸約束，并且在過濾效率和過濾精度方面有了一定的提高。在高倍顯微鏡下的實(shí)際水刺柔性纏繞結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 水刺頭局部圖

圖3 水刺的工作狀態(tài)

圖4 水刺柔性纏繞結(jié)構(gòu)

水刺過濾材料新工藝融合了針刺和水刺的優(yōu)點(diǎn)，又克服了兩種工藝的缺點(diǎn)。如普通針刺過濾材料由于刺針對(duì)過濾材料中基布損傷較大（針刺對(duì)纖維的損傷一般達(dá)到25%），導(dǎo)致濾料的經(jīng)向強(qiáng)度明顯比緯向強(qiáng)度低；而單純水刺工藝對(duì)于厚重的產(chǎn)品存在含水量太高、不易烘干，加工難度大等難題。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，水刺對(duì)纖維的損傷一般為5%；提高了經(jīng)緯向的強(qiáng)度，并使經(jīng)緯向的強(qiáng)度接近。

水刺過濾材料在工藝上是一個(gè)新的突破，它是以柔性高壓水流取代刺針在纖網(wǎng)中由上至下連續(xù)噴射并通過托網(wǎng)簾的反射作用而使纖維之相互纏繞成布的。它的突出優(yōu)秀品質(zhì)是通過調(diào)整水針的壓力、水刺頭數(shù)量、水刺頭與布面的距離及托網(wǎng)簾的形式等方式獲得的。由于針刺是剛與柔的結(jié)合，而水刺是柔與柔的結(jié)合，所以水刺品的品質(zhì)更為柔軟，手感舒適。水刺復(fù)合過濾材料要獲得良好的纏結(jié)效果，與水刺壓力密切相關(guān)，同時(shí)其也直接影響著耗能的大小。

把針刺與水刺生產(chǎn)工藝結(jié)合起來，生產(chǎn)出新型結(jié)構(gòu)的多材質(zhì)復(fù)合材料，該產(chǎn)品尤其適合作為過濾介質(zhì)使用，并能開發(fā)多種新型過濾材料。

新型針刺與水刺復(fù)合過濾材料的特點(diǎn)有：

（1）原料來源廣泛，可以使用一系列的短纖維包括聚酯、聚丙烯腈、Nomex?、Conex?、Ryton?、P84、玻纖，所有的化學(xué)和天然纖維，雙組分和可分裂纖維，不同粗細(xì)的纖維，有基材加固以及結(jié)合以上特點(diǎn)的復(fù)合材料。

（2）突破了傳統(tǒng)針刺產(chǎn)品的性能局限性。有著更光滑和平整的表面，濾料表面纖維毛羽極少，產(chǎn)品手感好。

（3）孔徑分布比針刺濾料更均勻、緊密和集中，透氣性好。

（4）產(chǎn)品強(qiáng)度高。與針刺法相比，濾料的纖維和基布損傷小，在相同的單位面積下，水刺針刺復(fù)合法生產(chǎn)的濾料能達(dá)到更高的拉伸強(qiáng)度，MD/CD縱橫向強(qiáng)度比?。换甲鳛闉V料的增強(qiáng)骨架，是濾料強(qiáng)度的保證。

（5）耐磨性好。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（如圖5所示），PPS涂層針刺氈涂層面在1000圈發(fā)生了漏基布現(xiàn)象；而PPS涂層水刺氈涂層面在3000圈時(shí)試樣表層纖維層脫落（漏基布，但基布未有斷裂問題）。

圖5 PPS涂層水刺與針刺涂層過濾氈耐磨性的比較

（6）過濾效率更高。以0.1～3D不同細(xì)度纖維分布，梯次型結(jié)構(gòu)的形成，可更有效過濾微細(xì)粉塵，且濾料不容易發(fā)生堵塞。

（7）降低濾料使用成本。濾料厚度相對(duì)針刺濾料較薄，在達(dá)到同樣過濾效果或強(qiáng)于現(xiàn)有過濾效果的情況下，濾料纖維用量減少。

（8）在相同的工況條件下，可獲得更穩(wěn)定、更高的除塵效率，熱穩(wěn)定性更高，具有較小的壓力降和較長(zhǎng)的使用壽命。

2.2 紡粘與水刺復(fù)合的工藝

紡粘水刺復(fù)合工藝是將化纖中的復(fù)合紡絲技術(shù)與紡粘法非織造布技術(shù)（如圖6所示）加上非織造布的水刺加固技術(shù)結(jié)合在一起。并且還可以將中空桔瓣型復(fù)合超細(xì)纖維長(zhǎng)絲開纖、固結(jié)，不需要再經(jīng)過紡紗織造，就能一次成布。其工藝流程圖見圖7。

圖6 紡粘成網(wǎng)局部圖

圖7 紡粘與水刺復(fù)合工藝流程

該過濾材料是由迎塵層與支撐層組成。迎塵層由超高壓水射流剝開的中空桔瓣形絲束纏結(jié)打開的超細(xì)纖維組成（如圖8、圖9所示），平均纖維直徑＜0.2dtex（通常在0.075～0.175dtex）制成的雙層超細(xì)纖網(wǎng)面層。超細(xì)面層可提高過濾精度，替代昂貴的覆膜濾料；雙層纖維紡粘面層可以增加過濾布的強(qiáng)度、耐磨性以及過濾效率。

迎塵層一般為20～100g/m2的雙層纖網(wǎng)，這些雙組分纖維可被超高壓的水刺針刺開，形成分裂型的三角形或多邊形橫截面，這種橫截面可提供比圓形橫截面大1.75倍的表面面積，因而可以實(shí)現(xiàn)更好的灰塵過濾與分離。

支撐層可以是3.0dtex以上增強(qiáng)紡粘長(zhǎng)絲布，該層纖網(wǎng)可以直接通過熱粘合來制成，也可用中粗的皮芯結(jié)構(gòu)長(zhǎng)絲紡粘加工。粗的纖維保證支撐層有足夠大的孔眼，允許任何粒子通過而不被阻塞；同時(shí)為濾料提供主要的拉伸強(qiáng)力和強(qiáng)度。

圖8 橘瓣形纖維結(jié)構(gòu)

圖9 開纖分裂后纖維結(jié)構(gòu)

為生產(chǎn)有更高過濾效率的過濾布，使用有第四層的多層結(jié)構(gòu)來制備該多層復(fù)合材料，所述第四層有著更粗直徑的紡粘長(zhǎng)絲結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)形成前密后疏的流體通道，使濾料內(nèi)層不易集塵，保持濾料長(zhǎng)期運(yùn)行而濾料固有阻力上升變化速度減緩；還可以提高濾料的整體強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)力和耐磨性。

將多紡絲成網(wǎng)層通過超高壓水刺臺(tái)的水刺，就制成了紡粘水刺層壓復(fù)合材料（紡粘水刺布實(shí)際效果見圖10）。它可以生產(chǎn)兩層或多層材料，從而形成過濾所需要的厚度、密度與孔隙度的梯度層。這種過濾材料也適合用于生產(chǎn)薄的、剛性的和打褶的濾筒。

圖10 紡粘水刺布效果圖

用于所有這些紡粘纖網(wǎng)的聚合物包括聚酯、聚酰胺、聚酰胺6、聚酰胺66、聚乙烯、間聚苯乙烯甚至是耐高溫的聚苯硫醚以及上述的混合材料。通過擠壓機(jī)中的內(nèi)部聚合物引入也可添加抗油整理劑、抗水整理劑與著色顏料。

2.2.1 新型紡粘與水刺復(fù)合過濾材料的特點(diǎn)

通過技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新，新型紡粘水刺復(fù)合濾料的最大重量可達(dá)到500g/m2。突破了紡粘產(chǎn)品用作過濾材料的局限性，這項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新完全改變了現(xiàn)有的過濾材料的生產(chǎn)模式，縮短了工藝流程，擴(kuò)大了原料來源，降低了能源及原材料的消耗，同時(shí)也節(jié)約了短纖維的運(yùn)輸費(fèi)用。使用該工藝生產(chǎn)的過濾材料細(xì)而薄，原材料消耗節(jié)約20%。

2.2.2 雙組分紡粘水刺過濾材料其技術(shù)特點(diǎn)

（1）開創(chuàng)了紡粘+水刺固結(jié)成水刺無(wú)紡布的新工藝，生產(chǎn)流程短。

（2）紡粘水刺過濾材料強(qiáng)度高，縱橫向強(qiáng)度比趨近于1。

（3）耐磨強(qiáng)度好，由于雙組分纖維經(jīng)過超高壓水刺的復(fù)合，被分裂的纖維之間互相纏繞，濾料的抱合力很高，更耐磨。

（4）雙組分多層紡粘水刺纖維網(wǎng)形成的超細(xì)梯度過濾材料，可有效提高過濾效率。

（5）除塵阻力低。多層紡粘水刺濾料的梯度結(jié)構(gòu)可使大部分粉塵被分離，極細(xì)的粉塵可從粗的纖維間逃逸，不易發(fā)生堵塞。

（6）手感柔軟，剝離強(qiáng)度高。雙組分超細(xì)纖維經(jīng)水刺后，布面平整光潔，手感更加柔軟，剝離強(qiáng)度和耐折、牢度也大為提高。

（7）成本降低。制作紡絲成網(wǎng)與水射流加固結(jié)合的非織造過濾材料產(chǎn)品的原材料為切片，與機(jī)械成網(wǎng)或者水刺復(fù)合的原材料為纖維相比，成本價(jià)格具有很大的優(yōu)勢(shì)。

（8）生產(chǎn)速度快。紡粘氣流牽伸、擺絲成網(wǎng)比機(jī)械梳理成網(wǎng)速度可提高10倍，采用速度高的水刺工藝與其配套，生產(chǎn)速度可達(dá)20m/min。

（9）紡粘長(zhǎng)絲不需要梳理工藝，沒有雜質(zhì)和纖維屑，對(duì)水刺工序的污染少，同時(shí)不浪費(fèi)原料，具有明顯的節(jié)能減排效果。

（10）紡粘加水刺兩種工藝的結(jié)合，使產(chǎn)品質(zhì)量和外觀都有很大提升，而且強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過短纖維非織造布，產(chǎn)品性能十分優(yōu)越。

2.3 機(jī)織與水刺復(fù)合工藝

袋式除塵器初期使用的濾料為普通工業(yè)機(jī)織布（如圖11 729濾布和圖12 208濾布），一般采用平紋、斜紋、緞紋織造方法和燒毛、熱定型等后處理工藝，20世紀(jì)80年代末被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、建材、有色、火電廠、垃圾焚燒等諸多領(lǐng)域。同一時(shí)期，高溫工況使用的玻纖機(jī)織布也得到了大力發(fā)展。

機(jī)織類濾布由于過濾精度低、耐磨耐折性差等原因，一般用于過濾風(fēng)速較低的反吹風(fēng)除塵。而反吹風(fēng)除塵系統(tǒng)因占地面積較大、成本高，且機(jī)織布濾料壽命低等原因，造成其經(jīng)濟(jì)性不高。在國(guó)家大力提倡節(jié)能環(huán)保和減排的背景下，不同的煙氣環(huán)境給袋式除塵器濾料提出了新的要求，簡(jiǎn)單的機(jī)織布已經(jīng)不能適應(yīng)環(huán)保要求。

圖11 729濾布

圖12 208濾布

但機(jī)織布濾料的強(qiáng)度一般比較高，且價(jià)格低廉，因此將機(jī)織布的優(yōu)點(diǎn)同其他先進(jìn)的加工方法結(jié)合，制成一種強(qiáng)度高、耐磨性好、過濾精度高的濾料，已成為一個(gè)新的研究方向。

機(jī)織布與水刺復(fù)合方法的亮點(diǎn)是，借助機(jī)織布作為支撐層，通過水刺的方式把一層纖維層覆合在機(jī)織布上。水刺法就是利用高壓水流刺入纖維網(wǎng)內(nèi)，使纖維相互纏繞，使原來松散的纖維網(wǎng)或者把兩種材質(zhì)覆合在一起具有一定的強(qiáng)力及完整的結(jié)構(gòu)（如圖13所示）。

圖13 機(jī)織布+水刺復(fù)合材質(zhì)示意

機(jī)織與水刺復(fù)合工藝的特點(diǎn)有：

（1）產(chǎn)品原料廣泛，機(jī)織布可與任意品種的纖維相混合，制成復(fù)合濾料。

（2）柔軟、懸垂性好，柔軟的水刺方式結(jié)合，從而保持了纖維網(wǎng)固有的柔軟性。

（3）強(qiáng)度好，高壓水刺復(fù)合機(jī)織布的工藝對(duì)纖維損傷小，同時(shí)將部分纖維與機(jī)織布之間紗線纏結(jié)，提高了復(fù)合濾料的抱合力和強(qiáng)度。

（4）低起毛性，層與層之間很難剝離。

（5）過濾精度高，超細(xì)纖維濾料的緊密結(jié)合以及整體性好，提高了機(jī)織布的過濾精度。

（6）表層纖維可以任意選擇多種耐腐蝕、耐高溫纖維，可提高產(chǎn)品的整體使用性能，使它特別適用于惡劣的工況。

（7）與高端的高溫濾料相比，成本較低。

（8）外觀類似紡織品，且耐磨，使用壽命長(zhǎng)，纖維網(wǎng)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，可達(dá)紡織品強(qiáng)度的80%～90%。

（9）突破了以往機(jī)織布僅用于反吹風(fēng)除塵系統(tǒng)的局限，可在脈沖除塵系統(tǒng)中使用。

（10）相比于針刺與水刺復(fù)合濾料和紡粘與水刺復(fù)合濾料，機(jī)織與水刺復(fù)合濾料的生產(chǎn)速度和生產(chǎn)量較低。

3 市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域

以上復(fù)合濾料產(chǎn)品主要應(yīng)用在鋼鐵、水泥、垃圾焚燒、火力發(fā)電、化工等行業(yè)的煙塵過濾上，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的產(chǎn)品還基本依賴進(jìn)口。從國(guó)外的使用效果來看，水刺復(fù)合濾料比針刺過濾材料的性能優(yōu)越，過濾精度也更高，可以替代昂貴的覆膜過濾材料。

3.1 針刺與水刺復(fù)合過濾氈應(yīng)用領(lǐng)域

冶煉、鑄造、建材水泥、燃煤鍋爐、垃圾焚燒爐、鋼鐵、發(fā)電、化工等，尤其適用于需要提高過濾精度、過濾能力、增加產(chǎn)量的老除塵器的改造。

3.2 紡粘與水刺復(fù)合過濾氈應(yīng)用領(lǐng)域

高排放標(biāo)準(zhǔn)要求下的粉塵及顆粒物過濾、空氣過濾；高排放標(biāo)準(zhǔn)要求下的煙氣、煤氣過濾。

3.3 機(jī)織布與水刺復(fù)合過濾氈應(yīng)用領(lǐng)域

適合替代價(jià)格高昂的PTFE濾料，應(yīng)用于垃圾焚燒、鋼鐵廠、水泥廠、化工、火力發(fā)電廠等高溫、高濕、高腐蝕性的煙氣凈化。

（略）

Development and Application of New Spunlace Composite Filter Materials

XU Biao
(Shanghai BG Industrial Fabric Co., Ltd, Shanghai 200030, China)

This paper describes a new type of filter - the filter of the three advanced spunlace composite forms and characteristics, and puts forward a new direction for filter research.

ultrahigh-pressure spunlace composite; filter material; compound forms

X701.2

A

1006-5377（2011）12-0023-05