劉延波 王 振 張澤茹 張 維

(天津工業(yè)大學(xué)，天津，300387)

耐高溫針刺過(guò)濾材料性能的研究

劉延波 王 振 張澤茹 張 維

(天津工業(yè)大學(xué)，天津，300387)

對(duì)PTFE、PPS和P84三種耐高溫針刺過(guò)濾材料進(jìn)行了物理性能和過(guò)濾性能測(cè)試;研究了在類似的工藝條件下三種過(guò)濾材料的過(guò)濾性能，并與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求進(jìn)行對(duì)照，分析三種過(guò)濾材料的優(yōu)缺點(diǎn)及適用的工況條件，為袋式除塵器過(guò)濾材料的選用提供依據(jù)。

聚苯硫醚，聚酰亞胺，聚四氟乙烯，耐高溫針刺過(guò)濾材料，性能

目前解決大氣污染的主要手段是利用袋式除塵器除塵。袋式除塵器具有高效、穩(wěn)定、可靠的分離能力，能夠滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求［1］。袋式除塵器主要由袋室、濾袋、框架和清灰裝置等組成，其除塵過(guò)程主要由濾袋完成，濾袋是袋式除塵器的關(guān)鍵部件。選用合適的纖維原料加工濾袋是袋式除塵技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。

國(guó)內(nèi)外使用的過(guò)濾材料多數(shù)是針刺非織造布［2］。本文選取聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯硫醚(PPS)和聚酰亞胺(P84)針刺過(guò)濾材料，對(duì)其進(jìn)行面密度、厚度、透氣性、孔徑分布、過(guò)濾效率、阻燃性能和力學(xué)性能測(cè)試，并進(jìn)行比較，旨在為過(guò)濾材料選擇合適的纖維原料，以延長(zhǎng)濾袋的使用壽命，節(jié)省成本，并達(dá)到更佳的過(guò)濾效果。

1 試樣制備

本試驗(yàn)所用的PTFE、PPS和P84針刺過(guò)濾材料均采用以下工藝制備:

纖維開(kāi)松→梳理成網(wǎng)→交叉鋪網(wǎng)→預(yù)針刺→中線分切→加基布→主刺→分切卷繞。

1.1 PPS針刺過(guò)濾材料

PPS纖維原料由日本東麗公司生產(chǎn)，纖維規(guī)格為2.4 dtex×76 mm，用德國(guó)Dilo生產(chǎn)線生產(chǎn)。梳理毛網(wǎng)面密度32 g/m2，交叉鋪網(wǎng)18層后喂入預(yù)刺機(jī);經(jīng)牽伸后，由牽伸機(jī)后設(shè)有的切刀將毛網(wǎng)切成同幅寬的兩半，通過(guò)翻轉(zhuǎn)將兩層毛網(wǎng)層疊，引入基布(本樣品的基布為120 g/m2的PPS織物);喂入主刺機(jī)，針刺頻率約3 850 r/min，針刺密度888.9 刺/cm2，針刺深度8.3 mm，經(jīng)過(guò) 4 塊針板上下同步對(duì)刺，最后分切卷繞。

1.2 P84針刺過(guò)濾材料

P84纖維原料由奧地利蘭精公司生產(chǎn)，纖維規(guī)格為2.2 dtex×51 mm，用德國(guó)Dilo生產(chǎn)線生產(chǎn)。鋪網(wǎng)層數(shù)為20層，添加120 g/m2的PTFE基布;梳理毛網(wǎng)面密度24 g/m2，鋪網(wǎng)后進(jìn)行預(yù)刺，針刺密度37.2刺/cm2，針刺深度13 mm;牽伸后中點(diǎn)分切，加入基布，再送入主刺機(jī)中，主刺深度7.3 mm，針刺密度888.9 刺/cm2，針刺頻率約 3 852.3 r/min，最后分切卷繞。

1.3 PTFE針刺過(guò)濾材料

PTFE纖維原料來(lái)自常州中澳興城高分子材料有限公司，纖維規(guī)格為(3.3 ～5.5)dtex×51 mm，用海潤(rùn)紡織機(jī)械有限公司生產(chǎn)的針刺生產(chǎn)線生產(chǎn)?；紴?20 g/m2的PTFE織物。生產(chǎn)過(guò)程始終保持室溫20℃、相對(duì)濕度75%。為使纖維容易梳理，在梳理過(guò)程中添加滑石粉?；圻€能使PTFE過(guò)濾材料有更好的過(guò)濾性能。平均針刺密度180刺/cm2，針刺頻率約750 r/min。

2 性能測(cè)試

參考《除塵布袋制造的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量控制》和GB 12625—1990《袋式除塵器用濾料及濾袋技術(shù)條件》所規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行檢測(cè)。

2.1 面密度

過(guò)濾材料面密度按GB/T 4669—1995《機(jī)織物單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測(cè)定》［3］的規(guī)定測(cè)定。

測(cè)試設(shè)備:FA2004B電子天平，上海精密儀器有限公司;

測(cè)試條件:溫度20℃，相對(duì)濕度65%，0.1 MPa;

試樣:PPS、PTFE和 P84針刺過(guò)濾材料各10 塊，面積 100 cm2。

2.2 厚度

過(guò)濾材料的厚度按GB/T 3820—1997《紡織品與紡織制品厚度的測(cè)定》［4］的規(guī)定測(cè)定。

測(cè)試設(shè)備:YG141織物厚度儀，常州第二紡織機(jī)械廠;

測(cè)試條件:溫度20℃，相對(duì)濕度65%，0.1 MPa;

試樣:PPS、PTFE和 P84針刺過(guò)濾材料各10 塊，面積 100 cm2。

2.3 透氣性

過(guò)濾材料的透氣量按GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》［5］的規(guī)定測(cè)定。

測(cè)試設(shè)備:YG461型中壓透氣量?jī)x;

測(cè)試條件:溫度20℃，相對(duì)濕度65%，0.1 MPa;

試樣:PPS、PTFE和 P84針刺過(guò)濾材料各10 塊，面積 200 cm2。

2.4 孔徑分布

通過(guò)電鏡掃描儀觀察三種樣品的孔徑分布及其大小。

試驗(yàn)條件:溫度20℃，相對(duì)濕度65%，0.1 MPa;

試樣:PPS、PTFE和P84針刺過(guò)濾材料各2塊，面積1 cm2。

2.5 過(guò)濾效率

潔凈過(guò)濾材料阻力和靜態(tài)除塵率按GB 12625—1990《袋式除塵器用濾料及濾袋技術(shù)條件》［6］的規(guī)定采用過(guò)濾材料靜態(tài)性能測(cè)試儀測(cè)定。

（2）通過(guò)對(duì)未來(lái)10年左右用水量預(yù)測(cè)，可知農(nóng)業(yè)、工業(yè)和其他用水量均在逐步上升，因此積極推廣節(jié)水技術(shù)已經(jīng)成為綏中縣可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

測(cè)試設(shè)備:SX-L1050濾料試驗(yàn)臺(tái);

測(cè)試條件:溫度20℃，相對(duì)濕度65%，0.1 MPa;

試樣:PPS、PTFE和P84針刺過(guò)濾材料各6塊，試樣尺寸20 cm×20 cm。

2.6 阻燃性能

袋式除塵器用于高溫或含有可能發(fā)生自燃現(xiàn)象粉塵的過(guò)濾時(shí)，由于高溫或者灼熱的顆粒附著于濾袋，或者是自燃物質(zhì)發(fā)火均會(huì)使過(guò)濾材料燒毀，造成嚴(yán)重后果。為了防止濾袋發(fā)生燃燒事故，需要對(duì)于除塵器的過(guò)濾材料進(jìn)行阻燃性能的測(cè)定。

過(guò)濾材料的阻燃性能根據(jù)GB/T 12138—1989《袋式除塵器性能測(cè)試方法》［7］進(jìn)行，用垂直法測(cè)定其阻燃性能。

測(cè)試設(shè)備:垂直燃燒試驗(yàn)儀;

測(cè)試條件:調(diào)濕調(diào)溫24 h，溫度20℃，0.1 MPa;

試樣:采用梯形取樣，試樣尺寸30 cm×8 cm，PPS、PTFE和P84針刺過(guò)濾材料分別按縱橫向各取樣5塊。

2.7 力學(xué)性能

針刺過(guò)濾材料的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率按GB/T 3923.1—1997《紡織品織物拉伸性能》［8］的規(guī)定測(cè)定。

測(cè)試條件:調(diào)濕調(diào)溫24 h，溫度20℃，0.1 MPa;

試樣:采用平行法取樣，試樣尺寸300 cm×50 cm，PPS、PTFE和 P84針刺過(guò)濾材料分別按縱橫向各取樣5塊。

3 結(jié)果與分析

3.1 針刺過(guò)濾材料的物理性能

3.1.1 面密度與厚度

三種過(guò)濾材料的面密度和厚度，以及面密度和厚度標(biāo)準(zhǔn)差的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1和表1。

圖1 三種過(guò)濾材料的面密度和厚度測(cè)試結(jié)果

表1 三種過(guò)濾材料面密度和厚度的標(biāo)準(zhǔn)差

由圖1可以看出，PTFE過(guò)濾材料的厚度在三種過(guò)濾材料中最小，但是面密度卻最大，其原因是PTFE單纖密度高達(dá)2.2 g/cm3，而PPS和P84單纖密度分別為1.36和1.41 g/cm3。表1數(shù)據(jù)顯示，PTFE過(guò)濾材料的面密度標(biāo)準(zhǔn)差大，說(shuō)明其面密度不均勻，比其他兩種過(guò)濾材料均勻性差。一是因?yàn)镻TFE過(guò)濾材料的生產(chǎn)設(shè)備為國(guó)產(chǎn)針刺設(shè)備，而另外兩種過(guò)濾材料均由德國(guó)Dilo公司進(jìn)口的設(shè)備生產(chǎn)，PTFE過(guò)濾材料的生產(chǎn)受到設(shè)備的影響，導(dǎo)致纖網(wǎng)的面密度不勻;二是因?yàn)镻TFE過(guò)濾材料本身的面密度較大，在生產(chǎn)工藝上不容易控制，也會(huì)導(dǎo)致面密度不勻。用作除塵器濾袋的針刺材料，厚度和面密度是根據(jù)所使用環(huán)境的具體要求而定的，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求面密度標(biāo)準(zhǔn)差為±25 g/m2，厚度標(biāo)準(zhǔn)差為 ±0.2 mm。

3.1.2 力學(xué)性能

三種過(guò)濾材料的強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)圖2和圖3。

由圖2和圖3可以看出，三種過(guò)濾材料中力學(xué)性能最好的是PPS針刺過(guò)濾材料，而PTFE針刺過(guò)濾材料受到纖維自身特性的影響，其力學(xué)性能較差，但是PTFE過(guò)濾材料橫縱向的強(qiáng)力較為均勻。由于PPS與P84針刺過(guò)濾材料的生產(chǎn)設(shè)備與PTFE針刺過(guò)濾材料的生產(chǎn)設(shè)備不同，造成鋪網(wǎng)方式不同，所以PPS與P84過(guò)濾材料的橫向斷裂強(qiáng)力大于縱向斷裂強(qiáng)力，而PTFE針刺過(guò)濾材料是縱向斷裂強(qiáng)力大于橫向斷裂強(qiáng)力。

圖2 三種過(guò)濾材料強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果

圖3 三種過(guò)濾材料斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試結(jié)果

一般情況下，材料斷裂強(qiáng)力大，其斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)小，但是上述三種過(guò)濾材料是強(qiáng)力大的過(guò)濾材料其伸長(zhǎng)率也大。這種現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)與產(chǎn)品添加了基布有關(guān)。三種過(guò)濾材料分別添加了PPS或PTFE基布?；疾捎媒?jīng)緯平紋織造，基布兩側(cè)均有纖網(wǎng)，在基布兩側(cè)纖網(wǎng)的纖維基本都斷開(kāi)時(shí)，基布尚未斷開(kāi)，因此過(guò)濾材料的伸長(zhǎng)率受到影響。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 12625—1990《袋式除塵器用濾料及濾袋技術(shù)條件》對(duì)于合纖過(guò)濾材料強(qiáng)力和伸長(zhǎng)的要求是:

由此可見(jiàn):PTFE過(guò)濾材料的橫向強(qiáng)力稍差，P84過(guò)濾材料的縱向強(qiáng)力也未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，而三種過(guò)濾材料的橫縱向斷裂伸長(zhǎng)率均達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的指標(biāo)。在生產(chǎn)中可以通過(guò)調(diào)整鋪網(wǎng)工藝和調(diào)整基布的方法提高過(guò)濾材料的強(qiáng)力，同時(shí)考慮到刺針對(duì)于強(qiáng)力的影響，也可以通過(guò)調(diào)整針布和刺針，以減少對(duì)于針刺材料中纖維和基布的損傷。

3.2 針刺過(guò)濾材料的過(guò)濾性能

3.2.1 透氣量和過(guò)濾效率

圖4是三種過(guò)濾材料透氣量、過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力的測(cè)試結(jié)果，并測(cè)得PPS、PTFE和P84過(guò)濾材料透氣量的標(biāo)準(zhǔn)差分別為5.17、28.7 和11.87 L/(m2·s)。

圖4 三種過(guò)濾材料過(guò)濾性能測(cè)試結(jié)果

過(guò)濾材料的透氣量因纖維種類、線密度及材料的結(jié)構(gòu)形式、密度不同而異。透氣量小，單位面積單位時(shí)間內(nèi)允許通過(guò)的風(fēng)量小，則過(guò)濾效率高，阻力也大。透氣量標(biāo)準(zhǔn)差的大小反映了過(guò)濾材料質(zhì)地的均勻程度［9］。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》規(guī)定，材料的透氣量作為只參考不考核的項(xiàng)目，要求透氣量標(biāo)準(zhǔn)差在±25%即可。三種過(guò)濾材料的標(biāo)準(zhǔn)差均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，且PPS過(guò)濾材料的質(zhì)地均勻性優(yōu)于其他兩種過(guò)濾材料。

過(guò)濾效率的測(cè)試均在潔凈狀態(tài)下進(jìn)行。由圖4可以看出:PTFE過(guò)濾材料的過(guò)濾效率最高，過(guò)濾阻力較小;P84過(guò)濾材料的過(guò)濾阻力最小，過(guò)濾效率也最小;PPS過(guò)濾材料的過(guò)濾阻力最大，過(guò)濾效率較低。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 12625—1990《袋式除塵器用濾料及濾袋技術(shù)條件》對(duì)于針刺過(guò)濾材料的要求，在靜態(tài)下的過(guò)濾除塵率應(yīng)達(dá)到99.5%以上。上述三種過(guò)濾材料中以PTFE過(guò)濾材料的過(guò)濾效果為最好。

3.2.2 孔徑

圖5是PTFE、PPS和P84過(guò)濾材料的掃描電鏡照片。

由圖5可以清晰地看出:PTFE過(guò)濾材料的孔隙要比PPS與P84過(guò)濾材料的孔隙小，PTFE纖維的形狀與PPS、P84纖維明顯不同，呈扁平狀且表面不光滑;P84纖維的截面呈現(xiàn)三葉形。扁平且表面不光滑的PTFE纖維增加了纖維的比表面積，也提高了纖維對(duì)于粉塵的攔截效果;而三葉形的P84纖維與普通的圓形纖維相比，比表面積增大，也提升了微粒的捕集效率。

3.2.3 孔隙率

通常情況下，材料的過(guò)濾性能也可以用孔隙率來(lái)間接的反映。根據(jù)下式可以計(jì)算得出過(guò)濾材料的孔隙率:

圖5 三種過(guò)濾材料的掃描電鏡照片

式中:η——孔隙率(%);

G——面密度(g/m2);

ρ——纖維密度(g/m3);

σ——厚度(m)。

計(jì)算得到PPS、P84和PTFE過(guò)濾材料的孔隙率分別為96%、97%和88%。對(duì)比三種過(guò)濾材料的過(guò)濾效率可以發(fā)現(xiàn)，過(guò)濾效率與過(guò)濾材料的孔隙率成反比。針刺非織造過(guò)濾材料孔徑分布分散程度高，針刺加工形成的微孔較大，大孔徑的孔隙多，有很高的孔隙率，微孔為含塵氣流提供了通道，導(dǎo)致過(guò)濾效率較低和過(guò)濾阻力低。根據(jù)透氣性與孔徑之間的關(guān)系，說(shuō)明大部分氣體都經(jīng)大孔徑孔隙流走。過(guò)濾材料的孔徑大，不能有效地截留氣流中的顆粒物，則通過(guò)過(guò)濾材料的顆粒物數(shù)量多，過(guò)濾效果差，因而很難達(dá)到理想的過(guò)濾效果［10］。

結(jié)合三種過(guò)濾材料的過(guò)濾效率和透氣量測(cè)試結(jié)果以及掃描電鏡照片進(jìn)行分析，影響三種材料過(guò)濾效率的因素包括針刺生產(chǎn)過(guò)程中的針刺頻率、刺針的粗細(xì)，以及原料纖維的線密度和形狀對(duì)于微粒攔截效應(yīng)的影響。

3.3 針刺過(guò)濾材料的阻燃性能

在阻燃性能測(cè)試過(guò)程中，三種過(guò)濾材料均未出現(xiàn)陰燃和續(xù)燃現(xiàn)象。根據(jù)三種過(guò)濾材料的面密度分別選擇對(duì)應(yīng)的重錘，PPS、PTFE和P84針刺過(guò)濾材料分別選用 340.2、453.6 和 340.2 g的重錘。將重錘掛于試樣一側(cè)的下端，三種過(guò)濾材料縱橫向的撕裂長(zhǎng)度(即損毀長(zhǎng)度)基本無(wú)差異。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 三種過(guò)濾材料的損毀長(zhǎng)度 (單位:mm)

未經(jīng)阻燃后整理的針刺過(guò)濾材料，其阻燃性能取決于纖維本身的阻燃性能。根據(jù)纖維能達(dá)到的瞬間耐溫值可以看出，PTFE纖維＞P84纖維＞PPS纖維，因此PPS過(guò)濾材料的損毀長(zhǎng)度最大。PPS針刺過(guò)濾材料適用于煙氣溫度較低的工況。PTFE過(guò)濾材料的阻燃性能最好，適用于溫度更高的工況，并且其耐酸堿腐蝕性好，最適宜用于垃圾焚燒爐煙氣的過(guò)濾［11］。P84過(guò)濾材料的阻燃耐高溫性也很出色，因此是煤爐、水泥窖煙氣過(guò)濾的最佳選擇。

4 結(jié)論

(1)在三種過(guò)濾材料中，PPS和P84袋式除塵針刺過(guò)濾材料力學(xué)性能指標(biāo)能夠達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，但PTFE針刺過(guò)濾材料的力學(xué)性能較其他兩種針刺過(guò)濾材料差，如果能夠通過(guò)改進(jìn)PTFE過(guò)濾材料的生產(chǎn)工藝來(lái)進(jìn)一步提高其力學(xué)性能，將會(huì)大大提高PTFE針刺過(guò)濾材料濾袋的使用壽命，從而進(jìn)一步降低濾袋的使用成本。

(2)PTFE針刺過(guò)濾材料的過(guò)濾性能大大好于其他兩種針刺過(guò)濾材料，在未作任何后整理的情況下即可達(dá)到98%的過(guò)濾效率。

(3)PPS與P84針刺過(guò)濾材料在未進(jìn)行PTFE覆膜或是后整理的情況下不能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于針刺過(guò)濾材料的技術(shù)要求，但在覆膜后過(guò)濾效率會(huì)有所提高，因此如果能夠?qū)PS和P84針刺過(guò)濾材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓δ苄哉恚绶烙头浪淼?，可有效提高其袋式除塵過(guò)濾材料的過(guò)濾性能，使PPS和P84針刺過(guò)濾材料的市場(chǎng)前景更加廣闊。

［1］肖容緒.我國(guó)的袋式除塵器和耐高溫過(guò)濾材料［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2005，23(8):23-25.

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Research on high temperature resistance needle-punched filtration materials

Liu Yanbo，Wang Zhen，Zhang Zeru，Zhang Wei
(Tianjin Polytechnic University)

The mechanical property and filtration performance of PTFE and PPS as well as P84 needle-punched filtration materials with high temperature resistance were tested.The filtration performances of three kinds of filtration materials were studied at similar process conditions and compared them to the technology requirements of the national standard.The advantages and faults of the filtration materials and the feasible technique condition were analyzed and provided the selection of filtration materials for the bag-house duster.

PPS，P84，PTFE，high temperature resistance needle-punched filtration material，property

TS176+.5

A

1004－7093(2012)07－0016－05

2011－10－28

劉延波，女，1964年生，副教授/高級(jí)工程師。主要從事非織造材料的研究。