新型水刺復合過濾材料的開發與應用

徐 彪

（上海博格工業用布有限公司，上海 200030）

新型水刺復合過濾材料的開發與應用

徐 彪

（上海博格工業用布有限公司，上海 200030）

介紹了水刺復合工藝的優點，分析了新型水刺復合濾料的三種先進形式—針刺與水刺、紡粘與水刺、機織與水刺的特點及其市場應用領域，為濾料研究提出了新的方向。

水刺復合;過濾材料;復合形式

前言

目前，針對工礦爐窯條件的復雜性，普通的針刺過濾材料已經不能滿足新的PM2.5排放標準和用戶對過濾材料的使用壽命和成本控制的要求。為克服現有普通針刺生產線的缺陷，適應PM2.5的排放標準，水刺復合技術已成為環保過濾行業的濾料研究新方向。

水刺復合材料是非織造材料中技術含量高、產品性能好，倍受消費者好評的產品之一，在我國已取得近二十年的發展。水刺復合技術是近幾年興起的新技術，是對傳統非織造技術的重大創新。該技術通過多種技術的交叉、滲透和融合，使水刺產品的性能和功能更加豐富，大大拓展了水刺產品的應用領域。

目前，國內的相關企業結合水刺復合技術的諸多優點，把傳統的過濾材料生產工藝—針刺、紡粘、水刺，三者有機結合，揚長補短，開發出了多種形式的水刺復合新型過濾材料。

1 水刺復合工藝的優點及形式

水刺的柔性纏結復合技術對纖維和基布損傷小，且與普通的過濾產品相比，產品機械強度高，產品手感好，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，水刺復合過濾材料有以下幾種形式：1） 針刺與水刺的復合形式；2） 紡粘與水刺的復合形式；3）機織與水刺的復合形式。

2 水刺過濾材料的復合形式

2.1 針刺與水刺復合的工藝

傳統的針刺工藝以產品開發門類廣泛、工藝手段靈活的綜合優勢一直占據著過濾材料生產工藝中的主導地位。然而，由于針刺是以剛性的帶鉤的刺針在纖網中往復運動使纖維之間相互纏結而成布的，因此在針刺過程中會對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。對于某些高密度、高品質的針刺布來講，這些問題可能顯得更為嚴重。

新型的針刺+水刺復合生產工藝是將經過預針刺的纖維網，經過水刺加固，利用高速水流的沖擊作用，將纖維纏結，最終形成具有很高強力的過濾材料。

水刺的柔性纏結復合技術原理是，利用高壓水射流對纖網進行連續噴射，在水力作用下使纖維運動、位移而重新排列和相互纏結，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

采用針刺水刺復合工藝即先用刺針進行預針刺，后經水刺加工成氈（水刺頭的局部見圖2，水刺的工作狀態見圖3）。水刺的柔性纏結復合技術有效地解決了普通針刺工藝中帶鉤的鋼針對基布不可避免的損傷問題，突破了針刺復合過程中大量切斷長絲而造成濾袋機械強度下降的瓶頸約束，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際水刺柔性纏繞結構如圖4所示。

圖2 水刺頭局部圖

圖3 水刺的工作狀態

圖4 水刺柔性纏繞結構

水刺過濾材料新工藝融合了針刺和水刺的優點，又克服了兩種工藝的缺點。如普通針刺過濾材料由于刺針對過濾材料中基布損傷較大（針刺對纖維的損傷一般達到25%），導致濾料的經向強度明顯比緯向強度低；而單純水刺工藝對于厚重的產品存在含水量太高、不易烘干，加工難度大等難題。經過實驗檢測數據顯示，水刺對纖維的損傷一般為5%；提高了經緯向的強度，并使經緯向的強度接近。

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

把針刺與水刺生產工藝結合起來，生產出新型結構的多材質復合材料，該產品尤其適合作為過濾介質使用，并能開發多種新型過濾材料。

新型針刺與水刺復合過濾材料的特點有：

（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，所有的化學和天然纖維，雙組分和可分裂纖維，不同粗細的纖維，有基材加固以及結合以上特點的復合材料。

（2）突破了傳統針刺產品的性能局限性。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）產品強度高。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，水刺針刺復合法生產的濾料能達到更高的拉伸強度，MD/CD縱橫向強度比小；基布作為濾料的增強骨架，是濾料強度的保證。

（5）耐磨性好。從實驗結果分析（如圖5所示），PPS涂層針刺氈涂層面在1000圈發生了漏基布現象；而PPS涂層水刺氈涂層面在3000圈時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不同細度纖維分布，梯次型結構的形成，可更有效過濾微細粉塵，且濾料不容易發生堵塞。

（7）降低濾料使用成本。濾料厚度相對針刺濾料較薄，在達到同樣過濾效果或強于現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，可獲得更穩定、更高的除塵效率，熱穩定性更高，具有較小的壓力降和較長的使用壽命。

2.2 紡粘與水刺復合的工藝

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

圖6 紡粘成網局部圖

圖7 紡粘與水刺復合工藝流程

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打開的超細纖維組成（如圖8、圖9所示），平均纖維直徑＜0.2dtex（通常在0.075～0.175dtex）制成的雙層超細纖網面層。超細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度、耐磨性以及過濾效率。

迎塵層一般為20～100g/m2的雙層纖網，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，因而可以實現更好的灰塵過濾與分離。

支撐層可以是3.0dtex以上增強紡粘長絲布，該層纖網可以直接通過熱粘合來制成，也可用中粗的皮芯結構長絲紡粘加工。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；同時為濾料提供主要的拉伸強力和強度。

圖8 橘瓣形纖維結構

圖9 開纖分裂后纖維結構

為生產有更高過濾效率的過濾布，使用有第四層的多層結構來制備該多層復合材料，所述第四層有著更粗直徑的紡粘長絲結構。這一結構形成前密后疏的流體通道，使濾料內層不易集塵，保持濾料長期運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力、斷裂強力和耐磨性。

將多紡絲成網層通過超高壓水刺臺的水刺，就制成了紡粘水刺層壓復合材料（紡粘水刺布實際效果見圖10）。它可以生產兩層或多層材料，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。通過擠壓機中的內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 新型紡粘與水刺復合過濾材料的特點

通過技術研發和創新，新型紡粘水刺復合濾料的最大重量可達到500g/m2。突破了紡粘產品用作過濾材料的局限性，這項技術創新完全改變了現有的過濾材料的生產模式，縮短了工藝流程，擴大了原料來源，降低了能源及原材料的消耗，同時也節約了短纖維的運輸費用。使用該工藝生產的過濾材料細而薄，原材料消耗節約20%。

2.2.2 雙組分紡粘水刺過濾材料其技術特點

（1）開創了紡粘+水刺固結成水刺無紡布的新工藝，生產流程短。

（2）紡粘水刺過濾材料強度高，縱橫向強度比趨近于1。

（3）耐磨強度好，由于雙組分纖維經過超高壓水刺的復合，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形成的超細梯度過濾材料，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構可使大部分粉塵被分離，極細的粉塵可從粗的纖維間逃逸，不易發生堵塞。

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

（7）成本降低。制作紡絲成網與水射流加固結合的非織造過濾材料產品的原材料為切片，與機械成網或者水刺復合的原材料為纖維相比，成本價格具有很大的優勢。

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

（9）紡粘長絲不需要梳理工藝，沒有雜質和纖維屑，對水刺工序的污染少，同時不浪費原料，具有明顯的節能減排效果。

（10）紡粘加水刺兩種工藝的結合，使產品質量和外觀都有很大提升，而且強度遠遠超過短纖維非織造布，產品性能十分優越。

2.3 機織與水刺復合工藝

袋式除塵器初期使用的濾料為普通工業機織布（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80年代末被廣泛應用于鋼鐵、建材、有色、火電廠、垃圾焚燒等諸多領域。同一時期，高溫工況使用的玻纖機織布也得到了大力發展。

機織類濾布由于過濾精度低、耐磨耐折性差等原因，一般用于過濾風速較低的反吹風除塵。而反吹風除塵系統因占地面積較大、成本高，且機織布濾料壽命低等原因，造成其經濟性不高。在國家大力提倡節能環保和減排的背景下，不同的煙氣環境給袋式除塵器濾料提出了新的要求，簡單的機織布已經不能適應環保要求。

圖11 729濾布

圖12 208濾布

但機織布濾料的強度一般比較高，且價格低廉，因此將機織布的優點同其他先進的加工方法結合，制成一種強度高、耐磨性好、過濾精度高的濾料，已成為一個新的研究方向。

機織布與水刺復合方法的亮點是，借助機織布作為支撐層，通過水刺的方式把一層纖維層覆合在機織布上。水刺法就是利用高壓水流刺入纖維網內，使纖維相互纏繞，使原來松散的纖維網或者把兩種材質覆合在一起具有一定的強力及完整的結構（如圖13所示）。

圖13 機織布+水刺復合材質示意

機織與水刺復合工藝的特點有：

（1）產品原料廣泛，機織布可與任意品種的纖維相混合，制成復合濾料。

（2）柔軟、懸垂性好，柔軟的水刺方式結合，從而保持了纖維網固有的柔軟性。

（3）強度好，高壓水刺復合機織布的工藝對纖維損傷小，同時將部分纖維與機織布之間紗線纏結，提高了復合濾料的抱合力和強度。

（4）低起毛性，層與層之間很難剝離。

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

（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，纖維網具有較高的機械強度，可達紡織品強度的80%～90%。

（9）突破了以往機織布僅用于反吹風除塵系統的局限，可在脈沖除塵系統中使用。

（10）相比于針刺與水刺復合濾料和紡粘與水刺復合濾料，機織與水刺復合濾料的生產速度和生產量較低。

3 市場應用領域

以上復合濾料產品主要應用在鋼鐵、水泥、垃圾焚燒、火力發電、化工等行業的煙塵過濾上，目前國內應用的產品還基本依賴進口。從國外的使用效果來看，水刺復合濾料比針刺過濾材料的性能優越，過濾精度也更高，可以替代昂貴的覆膜過濾材料。

3.1 針刺與水刺復合過濾氈應用領域

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

3.2 紡粘與水刺復合過濾氈應用領域

高排放標準要求下的粉塵及顆粒物過濾、空氣過濾；高排放標準要求下的煙氣、煤氣過濾。

3.3 機織布與水刺復合過濾氈應用領域

適合替代價格高昂的PTFE濾料，應用于垃圾焚燒、鋼鐵廠、水泥廠、化工、火力發電廠等高溫、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