范嘉堃，陳海平，許佳偉，楊亮，張晨

（中海石油氣電集團有限責任公司， 北京 100028）

1 濾材選擇

現(xiàn)場在用濾芯的濾材以及其他4種表面改性及參數(shù)優(yōu)化濾材，5種濾材類列及參數(shù)見表1。

2 濾材表面形態(tài)

五種濾材在掃描電子顯微鏡下放大200倍的照片見圖1。濾材A、B、D、E均為迎風面照片，濾材C為由三層不同的纖維濾材復合而成，照片分別展示了三層的表面形態(tài)。照片較好地反映了濾材的結(jié)構(gòu)。從照片中可以清楚看出，不同種類濾材結(jié)構(gòu)不同，纖維直徑大小不一，纖維排布方式也不相同。

表1 濾材種類與參數(shù)

圖1 濾材表面形態(tài) 200×

3 濾材厚度及克重

濾材厚度及克重結(jié)果如表2所示。

表2 濾材厚度及克重

納米纖維復合的濾材A、B、E厚度較小，而由粗細不一的纖維構(gòu)成的濾材C、D厚度較大。C濾材由密度較小的合成纖維制成，所以其克重最小。

各濾料的孔徑分布如圖2所示。從圖2中可以看出濾材A、B、E的孔徑分布范圍較大，A的分布范圍為15～39μm，B為18～34μm，E為7～24μm，濾材C、D的孔徑范圍較小，分別為11～17μm和10～17μm；濾材A、B孔徑分布離散程度最大，濾材C、D孔徑分布離散程度較小，濾材E孔徑分布離散程度最小。

圖2 濾材孔徑分布

濾材A、B均為靜電紡絲納米纖維濾材，納米纖維本身強度低，力學性能差，將納米纖維與傳統(tǒng)非織造過濾材料復合，不但能夠提高過濾材料的過濾效率，也解決了過濾材料的強度問題。測試的孔徑分布范圍大說明少量的細直徑纖維對孔徑測試結(jié)果影響不大，但是納米纖維的存在，對過濾性能有顯著提升，所以平均孔徑的測試結(jié)果對于多層復合的濾材意義不大。

4 濾材抗?jié)裥阅?/h2>

濾材的抗?jié)裥约丛诔睗癍h(huán)境中保持原有性能的能力。本文對濾材的抗?jié)裥詮臐裢笟舛缺Ａ袈蕘砜紤]。

4.1 濾材吸水率

吸水會對纖維的性質(zhì)造成很大影響，吸水性能是衡量非織造布抗?jié)裥阅艿闹匾匦灾?，實驗參考纖維吸水率的測試方法，對五種濾材的吸水率進行測試，測得的吸水率結(jié)果見表3。

表3 濾材吸水率

濾材A、B吸水率遠高于其他三種濾材，分別為52.3%和34.3%，這是因為這兩種濾材的主要組成為纖維素，纖維素含有大量的親水基團，易與水結(jié)合，Eriksson等研究表明纖維素材料在不經(jīng)過任何處理的情況下，可以吸收與其本身質(zhì)量相同的水。但是化學組成相同的纖維，吸水性卻不一定相同，纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的結(jié)晶度和聚合同樣對纖維吸水性造成影響。

合成纖維分子中的處于自由狀態(tài)的親水基團較少，同時極性也較弱，因此合成纖維的吸水性遠低于纖維素纖維。由于濾材C、D、E均為全合成纖維濾材，所以這三種濾材吸水率較低。

4.2 濾材濕透氣度保留率

濾材的濕透氣度保留率即濾材在水中飽和浸泡一定時間后濾材的透氣度與標準狀態(tài)下測試值之比，濾材的透氣性直接影響過濾器成品的流通阻力，因此該指標可反映濾材抵抗水造成的纖維潤脹或糊孔的能力。

取五種濾材的三個樣品按前述方法測試濾材的透氣度，取三次測試值的平均值作為測試結(jié)果，濕透氣度為濾材在吸水性實驗后測試的透氣度結(jié)果，干燥后透氣度為濾材吸水性實驗后干燥至恢復初始質(zhì)量后測試的透氣度結(jié)果。濾材的透氣度測試結(jié)果見表4。

表4 濾材透氣度

濾材的透氣度與濾材厚度，孔隙率等因素相關(guān)，濾材的透氣度隨著厚度和孔隙率的增大而增大，同樣，濾材的孔隙率大小也可以通過透氣度來反映。相比于其他種類的濾材，靜電紡納米纖維濾材和梯度密度纖維濾材在透氣性上具有較大優(yōu)勢。

濾材濕態(tài)和干燥后透氣度的保留率如圖3所示，吸水性較強的濾材A、B透氣度的保留率明顯低于其他濾材，尤其是濾材A，測得濕透氣度保留率僅有40%，干燥后透氣度也不能恢復至原有狀態(tài)，吸水率最低的濾材C濕透氣度并無明顯下降，干燥后也可以恢復至原狀，可見濾材透氣度的保留率與吸水率相關(guān)，干燥纖維吸水后潤脹變粗，纖維體積增大，濾材孔隙率降低，透氣度也隨之下降。吸水率能在一定程度上反映纖維的潤脹程度，所以吸水性越強的濾材透氣度保留率越低。

圖3 濾材透氣度保留率

5 濾材過濾性能

濾材最終的性能評價指標是阻力和效率，需要在過濾效率滿足要求的前提下，具有較低的阻力，這兩個指標一起決定著濾材的優(yōu)劣，因此要實現(xiàn)對濾材的合理選用除了要考慮其物理性能外，還要對其過濾性能進行測試。

實驗分別測試標準狀態(tài)下、濕態(tài)和干燥后濾材的過濾性能，濕態(tài)阻力和過濾效率為濾材在吸水性實驗后測試的結(jié)果，干燥后阻力和過濾效率為濾材吸水性實驗后干燥至恢復初始質(zhì)量后測試的結(jié)果。

實驗根據(jù)EN779標準，在溫度18～20℃，相對濕度40%～60%環(huán)境下進行，濾速為0.1m/s。對于濕態(tài)下濾材阻力的測試，通過懸垂30min去除濾材表面和孔隙內(nèi)液滴，消除由于液滴堵塞孔隙對結(jié)果造成的影響。表5為濾材不同狀態(tài)下的阻力。

表5 濾材阻力（0.1m/s）

濾材的阻力和透氣度相關(guān)，一般透氣度越大的濾材阻力越小，在干燥狀態(tài)下除了E濾材阻力偏高外，其他濾材壓降相差不大。濕態(tài)下各濾材的阻力都有不同程度的增長，A濾材吸水后壓降由47Pa增加至106Pa，增加了一倍多；B濾材壓降從49Pa增加至55Pa，其他三種濾材壓降也分別增加了2～3Pa。濾材阻力主要由纖維直徑、孔隙率、濾材厚度和濾速四個因素影響，在同一實驗中，由于濾速保持不變，所以濾材阻力增長是由于吸水后本身性質(zhì)發(fā)生改變造成的，濾材吸水后纖維直徑變大，孔隙率也就隨之降低，同時濾材在厚度方向也會有所增加，這些因素的變化程度都與吸水率相關(guān)，所以吸水率越大的濾材浸濕后阻力增長越大。待干燥后，濾材的纖維直徑、孔隙率和厚度都恢復至初始狀態(tài)，濾材阻力也隨之恢復。

效率測試過濾介質(zhì)使用DEHS液體氣溶膠，濃度為0.1mg/m3，圖4為干燥狀態(tài)、濕態(tài)和干燥后濾材的粒級效率。粒級效率即各粒徑檔（處于兩個粒徑界之間所有粒子）的過濾效率，橫坐標為各粒徑檔的代表粒徑，取各粒徑檔上下界的幾何平均值。

圖4 濾材粒徑效率

根據(jù)EN779標準，濾材是根據(jù)對0.4μm大小的微粒過濾效率分級的，將濾材對0.4μm大小的微粒過濾效率總結(jié)在表7中，選用五種濾材廠家給出級別均為F9，即對0.4μm粒徑微粒過濾效率大于等于70%，測試發(fā)現(xiàn)濾材A、C、E對0.4μm粒徑微粒過濾效率均超過了70%，達到了F9級別，濾材B、D過濾效率略低于于70%，取其濾材其他樣品測試發(fā)現(xiàn)對0.4μm微粒過濾效率在70%上下浮動，不能穩(wěn)定達到F9級別。當濾材吸水后過濾效率產(chǎn)生了明顯降低，尤其是A、B濾材由F9級別下降至F7級別，其他濾材級別沒有改變，纖維濾材的效率主要受纖維直徑、孔隙率、濾材厚度和濾速等因素影響，濾材吸水后孔隙率降低，厚度增加，效率本應增加，但是濾材效率卻出現(xiàn)了不同程度下降，主要原因一是因為標準狀態(tài)下纖維和微粒上都帶有電荷，靜電效率提高了過濾效率，濾材浸濕后濾材上的電荷會被中和，導致過濾效率降低，另一個原因是濾材浸濕后結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，這一點可以在干燥后濾材的過濾效率體現(xiàn)，濾材A、B干燥后其纖維直徑、孔隙率、厚度等因素都已恢復，但是其效率卻出現(xiàn)了不可逆的下降，說明在水滴的影響下，濾材結(jié)構(gòu)已發(fā)生了不可逆的變化。

表6 濾材對0.4μm微粒過濾效率

6 濾材測試結(jié)果評價

目前對燃氣輪機常用纖維濾材進行了實驗研究，測試了結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同狀態(tài)下透氣度、力學性能和過濾性能，了解濾材的空氣過濾特性，為濾材的合理選用提供一定借鑒。

（1）復合濾材因為每層纖維直徑不同，孔徑分布及孔隙率不同，可以對不同大小的粒子進行階梯過濾，來實現(xiàn)高效低阻的目標，相較于傳統(tǒng)單一型的濾材具有更高的品質(zhì)因子。

（2）濾材的抗?jié)裥阅芸梢詮臐裢笟舛缺Ａ袈室约皾窨估瓘姸缺Ａ袈蕛煞矫孢M行測試，其性能優(yōu)劣與吸水率相關(guān)，纖維素纖維濾材A吸水率最高達52.3%，濕透氣度保留率及濕抗拉強度保留率分別為42.0%、54.3%，合成纖維濾材C吸水率最低，僅為1.2%，濕透氣度保留率及濕抗拉強度保留率分別為98.4%、82.0%。

（3）濾材浸濕后，吸水率越高下降的幅度越大，濾材A飽和浸濕后阻力由47Pa升至106Pa，效率級別由F9降至F7，濾材B飽和浸濕后阻力由49Pa升至55Pa，效率級別由F9降至F7，濾材C、D、E飽和浸濕后阻力和效率均保持穩(wěn)定，抗?jié)裥阅芎?，對本文所述幾種濾材，綜合考慮濾材C、E更適用于潮濕環(huán)境下燃機濾芯制備。

◆參考文獻

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