玄武巖纖維用于過濾材料的探討

呂海榮 楊彩云 (天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院,天津,300160)

玄武巖纖維用于過濾材料的探討

呂海榮 楊彩云 (天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院,天津,300160)

敘述了玄武巖纖維的性能,分析了影響纖維過濾材料過濾效率的幾個重要因素,為合理設(shè)計理想的玄武巖纖維過濾材料提供了理論依據(jù),同時介紹了玄武巖纖維過濾材料的幾種應(yīng)用。

玄武巖纖維,過濾材料,過濾效率,影響因素,應(yīng)用

0 前言

1923年,人們第一次嘗試用玄武巖巖石制取連續(xù)纖維,1960年到 1980年期間,玄武巖纖維的生產(chǎn)技術(shù)主要應(yīng)用在秘密的軍事領(lǐng)域和航天領(lǐng)域, 1995年才被用在民用領(lǐng)域。

玄武巖纖維是一種具有綜合性能優(yōu)異、性價比高的環(huán)保型高性能纖維,用途很廣。當(dāng)前玄武巖纖維在過濾材料方面的應(yīng)用才剛剛起步,其所具備的優(yōu)勢如能充分發(fā)揮,在過濾材料領(lǐng)域發(fā)展前景必定良好。

1 玄武巖纖維的組成

一種纖維材料的組成成分將對其各項性能產(chǎn)生重要影響,玄武巖纖維的化學(xué)成分很復(fù)雜,幾乎囊括了地殼中的所有元素種類,但 Si、Mg、Fe、Ca、Al、Na、K等主要元素成分約占 99%以上。在PHL IPS XL30 EDS電子探針能譜儀上進行玄武巖纖維元素含量的測定,發(fā)現(xiàn)其主要成分如下(原子質(zhì)量分數(shù)%):Si=26.36,Ca=18.93,Al=7.89, Mg=6.90,O=31.81,K=1.18,Na=1.63,Ti=1.26,Fe=4.04。與玻璃纖維相比,玄武巖材料的化學(xué)組成如表 1所示[1]。

表 1 玄武巖纖維與玻璃纖維成分的對比(%)

2 玄武巖成分與其性能的關(guān)系

S iO2是玄武巖纖維最主要的成分,為其結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)形成物,以硅氧四面體的結(jié)構(gòu)組成無規(guī)則的連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),其作用為保證纖維的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的力學(xué)性能;玄武巖中有較高含量的 Al2O3,從而保證纖維具有良好的耐久性、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能;在玄武巖纖維中 CaO的含量較多,有利于提高材料的耐久性、耐水的侵蝕、化學(xué)穩(wěn)定性和機械強力[2]。這三種物質(zhì)在玄武巖的化學(xué)成分中排列前三位。因此,玄武巖中所含物質(zhì)決定了玄武巖具有優(yōu)異的機械性能、熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)穩(wěn)定性。

3 纖維規(guī)格對過濾材料性能的影響

應(yīng)用于過濾領(lǐng)域的纖維材料,除了纖維品種外,纖維的形狀、結(jié)構(gòu)、粗細等規(guī)格均對過濾材料的性能有著很大影響。

3.1 纖維直徑對過濾材料性能的影響

作為過濾材料,纖維越細捕集效率越高。當(dāng)前,在國內(nèi)已實現(xiàn)批量化生產(chǎn)、且應(yīng)用較為廣泛的玄武巖纖維的直徑介于 7～13μm之間。在實際應(yīng)用過程中,當(dāng)過濾材料纖維細、短,內(nèi)含孔隙微密,總孔隙率偏低時,對塵粒捕集效率較高,但隨著透氣度的下降,壓力降到規(guī)定值的時間較短,會出現(xiàn)容塵性及抗堵塞性下降;當(dāng)纖維粗、長時,過濾材料總孔隙率增加,結(jié)果透氣度增高,壓力降至規(guī)定值的時間較長,此時濾塵效率高,抗堵塞性能較強。因此,應(yīng)根據(jù)需要選擇粗細合適的纖維。

3.2 纖維形狀對過濾材料性能的影響

玄武巖纖維外表呈光滑的圓柱狀,其截面呈完整的平坦圓形;具有多孔結(jié)構(gòu)和無規(guī)則的排列方式,其中的氣孔可分為封閉氣孔和開放氣孔,分別呈圓球形和管狀。玄武巖纖維密度小、孔隙率高、比表面積大。

玄武巖纖維由于表面光滑,氣體和液體通過的阻力小,隨著過濾的進行,在過濾材料內(nèi)部易形成顆粒吸附沉積狀態(tài),顆粒的吸附沉積使纖維的表面積擴大,促進顆粒被吸引到過濾材料上,從而提高過濾效率。

因此,從上述玄武巖纖維的結(jié)構(gòu)可以看出其可用作制備比較理想的過濾材料。

3.3 多種纖維組合對過濾材料性能的影響

濾布除了可以只用一種纖維構(gòu)成的紗線以外,也可以用同種纖維不同粗細、不同長度的紗線,也可以使用不同種類的纖維相互交織在一起構(gòu)成濾布,還可以使用復(fù)合纖維等,從而使得濾布的性能在很大范圍內(nèi)變化,以滿足各種不同的過濾要求。

王廣健等對利用玄武巖纖維和植物纖維進行雜化,制備生態(tài)環(huán)保型復(fù)合過濾材料作了研究[2]。玄武巖纖維表面的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)特征會影響到它與植物纖維的粘接和使用性能,對玄武巖纖維的表面處理可采用等離子體法、機械處理、化學(xué)處理(鉻酸、醋酸、堿液)、無機鹽 (如二氯化鋅、三氯化鐵等)、陽極氧化法、電暈放電法、輻射處理、活化熱處理等方法。最終復(fù)合產(chǎn)物玄武巖纖維在植物纖維中均勻彌散,無機纖維和有機纖維各自的優(yōu)良特性得到了充分的發(fā)揮。制備的玄武巖纖維復(fù)合過濾材料耐折度較高,抗張強度好,價格低廉,使用壽命長,可完全降解,具有較好的過濾性能[3-4]。

4 玄武巖纖維在過濾材料中的應(yīng)用

玄武巖纖維是一種綜合性能優(yōu)異的無機纖維材料,耐溫性高于所有的有機纖維。它具有不燃性、絕緣性好、機械性能優(yōu)異、抗熱震性好、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點,因此可以在過濾材料領(lǐng)域發(fā)揮較大的作用。

4.1 耐高溫過濾材料

近年來,由于現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展和環(huán)保要求日益提高,工業(yè)過濾需求增大,除塵器過濾能力嚴重不足。我國火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)不斷更新,對于高溫過濾材料提出了更加嚴格的要求。當(dāng)前應(yīng)用于高溫過濾材料的纖維主要有以下幾種:PPS (聚苯硫醚)、P84(聚酰亞胺)、PTFE(聚四氟乙烯)和玻璃纖維,這幾種纖維所能抵抗的溫度都不超過400℃,在實際生產(chǎn)中許多工況需要過濾材料可以承受遠遠高于 400℃的溫度。玄武巖纖維的使用溫度范圍為 -269～700℃,最高使用溫度在 860～900℃,具有突出的耐溫性能,完全可以擔(dān)此重任。上述幾種主要耐高溫纖維的價格昂貴,不符合國情需要,而玄武巖纖維價格合理,性價比高,是未來高溫過濾材料的首推材料。

4.2 耐酸堿過濾材料

玄武巖纖維具有穩(wěn)定的化學(xué)性能,俄羅斯玄武巖纖維實驗測得在 2 mol/L HCl中煮沸 3 h,玄武巖纖維質(zhì)量損失率為 2.2%,在 2 mol/L NaOH中煮沸 3 h,玄武巖纖維質(zhì)量損失率為 5.0%,玄武巖纖維的耐酸性優(yōu)于耐堿性[5]。當(dāng)需要對含有酸堿性物質(zhì)的材料進行過濾時,可以選用化學(xué)耐久性非常好的玄武巖纖維過濾材料。

4.3 抗靜電過濾材料

抗靜電過濾材料是過濾材料中的一個重要的分支,當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中所使用的抗靜電過濾材料主要通過對織物進行抗靜電處理達到抗靜電的目的。通常使用的抗靜電處理方法主要有兩種。①利用靜電泄露作用消除靜電,該方法主要是使用高分子有機抗靜電劑對纖維或織物進行后整理,或在聚合物中將有機抗靜電劑通過共聚或共混的方法摻到纖維內(nèi)部。但是這兩種方法前者不耐洗滌,耐久性很難達到使用要求;后者雖然耐久性有很大改善,但是紡絲困難,成本也很高。②利用電暈放電作用消除靜電,即在織物的紡紗或織造過程中混入適量導(dǎo)電纖維,織物中的導(dǎo)電纖維接近導(dǎo)體時在導(dǎo)電纖維周圍產(chǎn)生強電場,使局部產(chǎn)生離子活化域,與帶電體極性相反的離子吸附帶電體,中和帶電體的電荷,而與帶電體極性相同的離子則排斥帶電體,在空氣中散發(fā)并中和電荷,或通過接地移去。但這種方法也存在著許多缺點,如導(dǎo)電纖維加工復(fù)雜、成本昂貴、纖維力學(xué)性能和外觀常常不理想[6-9]。

玄武巖纖維自身就具有優(yōu)異的抗靜電性,筆者使用 YG401織物感應(yīng)式靜電測試儀采用定壓法對單纖維直徑在 7～13μm的八種玄武巖織物進行靜電半衰期的測試,實驗原理為使試樣在高壓靜電場中帶電至穩(wěn)定后,斷開高壓電源,使其電壓通過接地自然衰減,測定其電壓衰減為初始值一半所需的時間。實驗數(shù)據(jù)見表 2。

表 2 玄武巖織物抗靜電半衰期測試

由表 2可以看到,上述未經(jīng)過任何抗靜電整理的玄武巖織物所帶電壓的半衰期均小于 2 s,即在 2 s內(nèi)織物所帶電壓就可以衰減為原來的一半,具有非常好的抗靜電性。由于玄武巖織物的抗靜電性是本身具備的性能,而且為永久性的,無需抗靜電整理及其額外的花費。因此,玄武巖纖維可以作為良好的抗靜電材料應(yīng)用于抗靜電過濾材料中。

5 結(jié)論

當(dāng)前,過濾材料領(lǐng)域現(xiàn)有的過濾材料已經(jīng)無法滿足實際應(yīng)用要求,急需新的高性能的過濾材料。玄武巖纖維的綜合性能非常優(yōu)異,特別適合用作過濾材料,玄武巖纖維優(yōu)秀的耐高溫性能、化學(xué)穩(wěn)定性能、以及抗靜電性能等均可以在過濾材料領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用,充分利用玄武巖纖維過濾材料的優(yōu)勢就能創(chuàng)造更高的效益。

[1] PARK J M,SH IN W G,YOON D J.A study of interfacial aspects of epoxy-based composites reinforced with dual basalt and SiC fibers by means of the fragmentation and acoustic emission techniques[J].Composite Science and Technology,1999,59(4):355-370.

[2] 王廣健,尚德庫,胡琳娜,等.玄武巖纖維的表面修飾及生態(tài)環(huán)境復(fù)合過濾材料的制備與性能研究[J].復(fù)合材料學(xué)報,2004,21(1):38-44.

[3] VANVOOM B,S IM IT H H G,S INKE R J,et al.Natural fiber reinforced sheet moulding compound[J].Composites PartA,2001,32(9):1271-1279.

[4] MorozovN N,BakunovV S,Morozov E N.Materials based on basalts from the European North of Russia[J].Glass and Ceramics,2001,58(3):100-104.

[5] 王明超,張佐光.連續(xù)玄武巖纖維及其復(fù)合材料耐腐蝕特性[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2006,32(10):1255-1258.

[6] 黃齊模,李熙,顧寶棣,等.紡織品過濾材料[M].北京:紡織工業(yè)出版社,1992:38-39.

[7] 牟效泉,李淳.用電荷中和法織造防靜電過濾布 [J].大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2001,20(4):303-305.

[8] 李淳,王秋紅,牟效泉.新型抗靜電過濾布的開發(fā)[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2006,24(12):10-13.

[9] 王廣健,尚德庫,張楷亮,等.改性玄武巖纖維及纖維復(fù)合過濾材料的微孔結(jié)構(gòu)表征的研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,32(5):6-11.

Discussion about basalt fiber for filtermaterials

LüHairong,Yang Caiyun (School of Textile,Tianjin Polytechnic University)

The performance of basalt fiberwas related in the paper.Influencing factors on filter efficiency of filter materials comprised by fiberswere researched.Meanwhile,the theories about how to design basalt fiber filtermaterialswere presented and also the approach and application about how to develop high efficiency basalt filtermaterialswas also introduced.

basalt fiber,filtermaterial,filter efficiency,influencing factor,application

TS102.4

A

1004-7093(2010)06-0031-04

2009-06-10

呂海榮,女,1983年生,在讀碩士研究生。主要從事產(chǎn)業(yè)用紡織品設(shè)計與開發(fā)的研究。