王一帆，錢曉明

(天津工業(yè)大學紡織學部，天津300387）

綜述與專論

氣體過濾用纖維材料的設(shè)計與選用

王一帆，錢曉明

(天津工業(yè)大學紡織學部，天津300387）

本文主要目的是在對纖維制品型氣體過濾材料進行研究時，能對纖維材料進行合理的設(shè)計和選用，以期達到最優(yōu)過濾性能。因此，本文首先介紹了對氣體過濾材料的特性要求，在此基礎(chǔ)上介紹了氣體過濾用纖維的基本種類及其性能、不同化學纖維濾布特點以及過濾用功能性化學纖維等。最后，強調(diào)了纖維過濾材料的設(shè)計和選用與環(huán)境的相容性。

氣體過濾；纖維材料；紡織品；設(shè)計選用

當前大氣的凈化是保障人類健康和精密工業(yè)極為關(guān)心的內(nèi)容之一。有文獻[1-3]表明，粉塵、煙塵具有巨大的危害性。因此，過濾水平的高低，已成為衡量一個國家或民族環(huán)境保護程度進步發(fā)達的重要標志。過濾可分離、捕集分散于氣體中的顆粒狀物。過濾材料具有較大內(nèi)表面和適當空隙，它有能力捕獲和吸附固體顆粒，使之從混合物質(zhì)中分離出來?？勺鬟^濾材料的原料種類很多，但以纖維制品作為原料[4]具有輕便、柔軟、容易彎曲等特點，并通過對纖維的細度、長度、強力、耐摩擦性、耐高溫性、耐化學及生物藥品性的選擇，在結(jié)構(gòu)上可進行短纖維紡織、長絲織造和非織造加工，并可根據(jù)需要作阻燃[5-8]、抗靜電等特種整理[9]，由此可制成品種繁多、規(guī)格系列化的過濾材料，以滿足不同條件的過濾要求。 有文獻[1-2,4,10-11]指出，纖維型過濾材料起著主要作用。在長期過濾的實踐中得出：以纖維為原料制成的紡織品過濾材料，構(gòu)成的孔徑尺寸一般在十至幾十微米之間，但卻能捕集1 μm及小于0.1 μm的顆粒塵埃。

然而，纖維種類繁多且性能差異較大，并不是所有的纖維材料都適應(yīng)于氣體過濾。這給纖維原材料在過濾方面的快速設(shè)計與選用造成了些許不便，而設(shè)計和選擇適宜的纖維制成紡織品過濾材料可以優(yōu)化紡織品的過濾性能，減少壓降以節(jié)省能源等。目前，對過濾氣體用纖維材料進行系統(tǒng)而全面介紹的文獻較少，因此有必要對此類纖維材料進行分類總結(jié)，以便于根據(jù)具體的過濾要求來設(shè)計和選擇合適的纖維。基于此，本文完成了以下主要內(nèi)容：

（1）對氣體過濾材料的特性要求進行了論述，為纖維原材料的設(shè)計選用提供了理論支撐，如應(yīng)主要考慮高分離效率 （減少環(huán)境污染）、低壓降 （節(jié)省能源，提高工廠總的效率等）、延長使用壽命 （減少所用的原料數(shù)量）等。

（2）歸納了氣體過濾用纖維材料的種類及其性能，歸納了不同化學纖維濾布的特點，歸納了功能性化學纖維在氣體過濾領(lǐng)域的應(yīng)用等，基于此可根據(jù)具體的過濾要求來快速設(shè)計和選擇合適的纖維材料。

（3）最后論述了過濾氣體用纖維材料有關(guān)生態(tài)方面的發(fā)展，強調(diào)了纖維過濾材料的設(shè)計選用與環(huán)境的相容性。

1 過濾材料的特性要求

（1）過濾效率：即凈化效率，與濾材結(jié)構(gòu)有關(guān)，也取決于附著粉塵層的厚度。一般紡織品濾材均可達到99.5%以上的效率[11]。

（2）容塵量：指濾材達指定阻力值時，單位面積積存粉塵量，以kg/m2計。容塵量大小與濾材孔隙率、透氣率有關(guān)，容塵量大，濾袋清灰周期長，濾袋壽命也相應(yīng)長，一般非織造產(chǎn)品過濾材料較織物容塵量大[11]。

（3）透氣率及阻力：透氣率指在一定的壓差下濾材單位面積通過的氣體量。濾材阻力直接影響透氣率。透氣率取決于濾材纖維細度、品種及布的織物組織。非織造布過濾材料透氣率一般為400～800 m3/m2·h[11]。

（4）耐溫性：采用耐高溫濾材處理高溫煙氣。

（5）幾何尺寸穩(wěn)定性：一般要求濾材的脹縮率應(yīng)小于1%。脹縮率大，將改變?yōu)V材的孔隙率，直接影響凈化效率或增加阻力，同時濾袋也易磨損。為保證濾材的穩(wěn)定性一般應(yīng)進行熱定型處理。

（6）抗靜電性：濾材靜電性大，將影響清灰效果，或因粉塵靜電聚集產(chǎn)生火花，引起可燃氣體粉塵爆炸或火災(zāi)。

（7）吸濕性：濾材吸濕性大，將引起粉塵粘結(jié)糊住濾材影響除塵設(shè)備的運行。

（8）物理性：主要要求濾材耐磨，抗折，強度高，使用壽命長。

（9）耐腐性：一些含塵氣體具有酸性或堿性，要求濾材有一定抗腐能力，特別是對酸和氟的抗蝕能力。

（10）附著粉塵剝落性：剝落性的好壞，主要影響清灰的效果。

（11）耐燃性：特殊情況下要求濾材具有一定耐燃性。

（12）價格：指使用濾材的經(jīng)濟性，一般以濾材的價格與使用年限之比來衡量[12]。

2 氣體過濾用纖維種類及性能

根據(jù)上述要求的基本過濾材料特性，天然纖維、無機纖維及化學纖維都可用作過濾材料，但在選用時必須考慮被過慮物質(zhì)的形狀 (顆粒的大小)和物理化學性能如黏度、比重、溫度、pH值等基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況合理選用。

2.1 天然纖維

（1）棉花：可利用其膨潤性，適合微塵過濾、一般液體過濾與集塵等。例如化學纖維制造業(yè)用純棉9.7 tex/2或7.28 tex/2府綢作原液過濾布。

（2）羊毛：它的皮質(zhì)部分以鱗片覆蓋著，因此具有成氈性。羊毛氈集塵率高而過濾速度大，具有優(yōu)良的過濾性能。但羊毛價格高，耐化學藥品性能差，因而在對濾材功能性較苛刻的條件下，一般都以合成纖維針刺氈來代替。

2.2 玻璃纖維

可耐溫度250℃，價格便宜，取材方便，已被用于制作耐高溫過濾材料。但是它不耐酸，不耐磨，不抗折，不宜用在過濾含氟的煙氣和作為脈沖袋式吸塵器的過濾材料。

2.3 化學纖維

采用化學纖維作過濾材料日益廣泛，對不同特性的過濾物質(zhì)，宜選用最合適的化學纖維，以達到高效和經(jīng)濟合理的目的。其中主要有化學纖維的熱穩(wěn)定性、對化學藥品的穩(wěn)定性、強伸度及品種規(guī)格。

2.3.1 熱穩(wěn)定性

它是化學纖維高聚物本身形成的固有屬性，不受紡織加工過程的影響。對苯二甲酸乙二酯型滌綸的熱穩(wěn)定溫度為150℃；聚四氟乙烯為250℃。在工業(yè)上有些過濾過程中溫度較高，在流化床中煤充分燃燒時，需在1 000℃條件下過濾熱氣體，這就需要選用耐高溫的過濾材料。如二氧化硅型纖維可承受700～800℃高溫；氧化鋯、二氧化硅耐溫達1 400℃；礬土、鐵粉、二氧化硅達1 300℃；礬土、氧化鉻、二氧化硅達1400℃；氧化鋁和硼氮纖維達1 500～1 600℃。但這類纖維的耐磨強力太低，不能在傳統(tǒng)紡織工藝上進行加工，不過可以非織造成網(wǎng)[13]。

各種常用纖維的耐熱性能優(yōu)劣順序：

（1）耐干熱性：玻璃、含氟纖維＞芳族聚酰胺＞聚酯 （滌綸）＞聚丙烯腈 （腈綸）＞聚乙烯醇 （維綸）＞聚酰胺＞棉＞聚烯烴＞羊毛＞聚偏氯乙烯。

（2）耐濕熱型：玻璃、含氟纖維＞芳族聚酰胺＞聚丙烯腈 （腈綸）＞聚酰胺＞聚烯烴＞棉＞聚酯 （滌綸）＞聚乙烯醇 （維綸）＞羊毛＞聚偏氯乙烯。

2.3.2 化學穩(wěn)定性

一般被過濾的高溫氣體大都含有化學腐蝕作用的組分如 SO3、SO2、NO2、H2S、NH3等。隨著溫度的提高，化學反應(yīng)的速度加快。根據(jù)Arrhenius定律：

式中：R—普通氣體常數(shù)；

T—絕對溫度。

因此，熱氣體過濾布對氧化反應(yīng)、路易斯酸和堿必須有特殊的穩(wěn)定性。

隨著溫度的提高，氣體的體積和黏度將會增大，由此產(chǎn)生顆粒沉降速度放慢，過濾壓力增加，從而導致高溫氣體過濾材料的機械應(yīng)力的增加[14]。

各種常用纖維的耐化學品性能優(yōu)劣順序：

（1）耐苛性鈉：含氟纖維＞聚丙烯＞偏氯乙烯＞聚酰胺＞聚乙烯醇＞聚丙烯腈。

（2）耐硫酸：含氟纖維＞聚丙烯＞聚酯＞聚丙烯腈＞聚乙烯醇＞聚酰胺。

（3）耐鹽酸：含氟纖維＞聚丙烯＞聚酯＞聚乙烯醇、聚酰胺。

（4）耐硝酸：含氟纖維 ＞聚丙烯 ＞偏氯乙烯＞聚酯＞聚丙烯腈＞聚乙烯醇、聚酰胺。

（5）耐磷酸：含氟纖維＞聚丙烯＞聚酯＞聚乙烯醇、聚酰胺。

（6）耐蟻酸：含氟纖維＞聚丙烯、聚酯＞聚丙烯腈＞聚酰胺、聚乙烯醇。

2.3.3 強伸度

錦綸強度最高但伸度也較大。滌綸與丙綸強度也較高但滌綸伸度小，丙綸伸度大[14]。棉花強度低且伸度也小。聚偏氯乙烯與維綸強度雖比棉略高，但伸度較大。

3 不同化學纖維濾布的特點

3.1.1 丙綸濾布

在合成纖維中丙綸最輕且容易處理，耐化學藥品性優(yōu)良。其主要用途有染料和顏料的精制，粘土、陶瓷土、化學藥品的制造，清油、啤酒、精糖等其他各種工業(yè)過濾。

3.1.2 滌綸濾布

滌綸耐干熱 （150℃）強度及耐磨性優(yōu)良。耐酸性好，但能溶解于高溫強堿液中，在特殊條件下水解發(fā)脆。主要用途有水泥、制鐵、制碳廠的高溫氣體的集塵。

3.1.3 維綸濾布

維綸在濕潤時，特別是加熱時發(fā)生收縮。主要用途有陶瓷土的過濾等。

3.1.4 腈綸濾布

腈綸耐藥品性優(yōu)良。主要用途有對具有腐蝕性氣體的集塵等。

4 功能性化學纖維

4.1 要求阻燃的過濾材料

4.1.1 偏氯綸

是由氯乙烯30%～10%與偏二氯乙烯70%～90%共聚纖維。它具有較高的耐磨性、抗霉和抗腐爛性，不吸濕，在水中不膨脹，在75℃溫度下能保持正常的機械強度，并且有耐濃堿性。用作有腐蝕性的氣體物質(zhì)的過濾。

4.1.2 維氯綸

又稱SE纖維，它的極限氧指數(shù)為28%～33%，耐磨性、回彈性及抗靜電性能均屬優(yōu)良，適合制作阻燃過濾布。

4.1.3 阻燃滌綸

有不少的滌綸過濾布需要經(jīng)過阻燃處理。國際上已實現(xiàn)商品化的阻燃滌綸種類較多，大都以共聚法或共混法制造阻燃滌綸，或以后整理法加阻燃劑。

4.2 耐高溫過濾用纖維

4.2.1 芳綸

它的全稱為芳族聚酰胺纖維。由于這類纖維的高分子中存在著芳香環(huán)，在受熱時不易發(fā)生熱分解而揮發(fā)出烴類化合物，因而亦稱耐熱纖維。例如Nomex織物可用于高溫下過濾氣體和分離固體顆粒的濾袋，在180～220℃溫度下連續(xù)使用，短期使用不超過250℃[15]。

4.2.2 聚苯并咪唑纖維

比芳綸1313具有更優(yōu)良的耐熱性、阻燃性、及服用性的一種耐熱纖維。LOI為48﹪，其使用極限溫度可達700℃，在550℃下仍能保持良好性能。其缺點是對一些化學藥品的穩(wěn)定性較差，故作過濾材料時應(yīng)注意被過濾物品的性質(zhì)。

4.2.3 聚砜酰胺纖維

又稱芳砜綸或PSA纖維，它具有優(yōu)良的絕緣性和耐熱性，可在100～270℃溫度范圍內(nèi)保持尺寸穩(wěn)定性。LOI為33﹪，分解溫度為400℃，耐輻射性較好，并具有良好的對化學藥品穩(wěn)定性。用PSA纖維制成的耐高溫過濾絨布、非織造針刺氈可用作溫度為200～250℃煙道氣過濾袋、鈦礦粉塵過濾袋等，過濾效率可達97﹪～99﹪，且操作方便，經(jīng)久耐用，因而是一種理想的過濾材料[15]。

4.2.4 碳纖維

有機纖維在1 000℃以上碳化，含碳量在85%以上的纖維稱為碳纖維。碳纖維按其性能可分為高強度、高模量碳纖維，活性碳纖維等和離子交換碳纖維。隨原料的不同最終碳纖維的性能和用途既有區(qū)別。

4.2.5氟綸

即聚四氟乙烯纖維，用聚四氟乙烯編織布或針刺氈制成的濾袋或濾墊，可在高溫及化學腐蝕環(huán)境中使用，還可用于固體粒子的吸附，而且維護費用低，其作為過濾材料使用溫度范圍為120～180℃。

4.2.6 聚酰亞胺纖維

該纖維呈金黃色，又稱 “黃金絲”。其性能是能耐輻射、耐高溫、在550℃短時間內(nèi)仍有使用價值，該纖維的熱穩(wěn)定性也好，在火焰中不燃燒但緩慢分解，可用作燃燒性氣體及高腐蝕性氣體的過慮。

4.2.7 聚苯撐硫醚纖維

LOI為34%，熔點285℃，在188℃酸性介質(zhì)中能長時期工作。能耐一般酸、堿，但不能經(jīng)受強酸和甲苯、氧化劑的侵蝕?？勺髂蜔徇^濾材料如工業(yè)煤炭鍋爐的過濾袋等[15]。

4.2.8聚醚酮醚纖維 （PEEK）

具有優(yōu)良的耐熱性、耐化學藥品性和耐輻射性的塑形高聚物，且具有優(yōu)良的耐熱水性。它適合作過濾高溫、濕熱的蒸汽的過濾材料。

4.2.9 交聯(lián)的聚丙烯酸酯類纖維

纖維燃燒時不降解而碳化，燃燒時發(fā)煙少，無毒氣放出，燃燒后碳化，能耐紫外線輻射。纖維在干熱狀態(tài)很穩(wěn)定，長時間暴露在 150～160℃溫度中強度不變。能耐各種普通溶劑、強酸和強堿的腐蝕，但對硝酸、濃硫酸和強鹽酸則有緩慢的腐蝕性。它可制作高溫及腐蝕性氣體的過濾材料。

4.2.10 超細纖維

纖維由粗變細，其性質(zhì)也隨之變得更加柔軟、透氣、透濕，能制成蓬松的織物，提高了過濾性能。超細纖維可用于超微除塵過濾等。這些由超細及特細纖維制成的材料在過濾方面主要用于分離0.1～1.0 μm的顆粒狀物質(zhì)。

4.2.11 硅纖維

耐熱可達1 100℃，熱膨脹系數(shù)較低，熱和電性能好，比重輕，抗化學性好，特別是防酸性優(yōu)良，可作熱氣體過濾材料[15]。

5 與環(huán)境的相容性

選擇和設(shè)計合適的纖維材料在過濾氣體方面有著較大的優(yōu)勢，但同時也產(chǎn)生了和生態(tài)問題直接或間接有關(guān)的效果，如表1所示。

表1 過濾氣體用纖維在生態(tài)方面的發(fā)展趨勢

因此，在設(shè)計和選用纖維材料作原材料制成氣體過濾用紡織品介質(zhì)時，除了理想地滿足使用要求，更應(yīng)注重節(jié)省能源、材料，在生產(chǎn)、使用中確保完成其壽命周期和在對環(huán)境友好的條件下仍然保持最佳性能。

6 結(jié)論

綜上所述，氣體過濾對纖維過濾材料有較高的特性要求，而如何快速設(shè)計和選用此類纖維對其過濾性能有著重要影響。如今，中國正在進軍全球過濾材料和產(chǎn)品市場[16]，隨著人們對環(huán)境要求的不斷提高，以纖維為原料制成的紡織品過濾材料以其獨特的優(yōu)勢將會得到更快的發(fā)展、更廣泛的應(yīng)用范圍。可預見今后對氣體過濾用纖維材料的設(shè)計和選用要求應(yīng)是：開發(fā)新型多功能纖維材料，提高纖維材料除塵效率，提高耐溫程度、提高耐化學腐蝕程度等；合理選用纖維原料的同時，要適當設(shè)計濾材結(jié)構(gòu)與組合及開拓復合技術(shù)和表面處理技術(shù)，以滿足不同過濾要求；注重環(huán)境保護，留意生態(tài)方面的標準，盡量從源頭減少環(huán)境污染，降低能源消耗。

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DESIGN AND SELECTION ON GAS FILTRATION FIBER MATERIAL

WANG Yi-fan，QIAN Xiao-ming
(School of Textile，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

The main objective of this paper is to make reasonable design and selection when research the fiber materials of gas filtration.Introduced the demanding performance of filtration materials，the variety and performance of gas-filter fibers，the different characters of chemical fiber filter cloth，functional chemical fibers in filtration field.Finally，the environment compatibility of fiber design and selection was also emphasized.

gas filtration，fiber material，textile，design and selection

TS109

A

10.3969／j.issn.1672-500x.2016.04.005

1672-500X(2016)04-0022-05

2016-10-11

王一帆 （1993-），女，碩士研究生，主要研究方向為纖維制品型氣體過濾材料。

錢曉明 （1964-），男，工學博士，教授，博士生導師，主要研究方向為環(huán)保功能型非織造產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用、非織造加工技術(shù)等。