水刺工藝在工業除塵濾料上的應用和發展趨勢

翁美玲 張孝南 侯偉麗

(1.東華大學紡織學院，上海，201620;2.中國紡織科學研究院江南分院，紹興，312071; 3.上海博格工業用布有限公司，上海，200030)

水刺工藝在工業除塵濾料上的應用和發展趨勢

翁美玲1張孝南2侯偉麗3

(1.東華大學紡織學院，上海，201620;2.中國紡織科學研究院江南分院，紹興，312071; 3.上海博格工業用布有限公司，上海，200030)

闡述了工業除塵濾料的發展與現狀，分析了應用水刺加固工藝制造工業除塵濾料的特點和優勢。對用水刺和針刺工藝加固的工業除塵濾料的性能進行測試和比較，提出了水刺工藝應用于工業除塵濾料生產時需要注意的要點，預測水刺工藝在工業除塵濾料行業將有良好發展前景。

水刺工藝，工業除塵濾料，性能，發展趨勢

當今社會工業生產的飛速發展在給人們帶來許多方便的同時，也帶來了嚴重的環境問題。空氣中含有大量的有害氣體和微細粒子，對人類的呼吸系統、免疫功能、心血管系統和中樞神經系統等造成了嚴重的危害［1］。減少空氣中微細粒子的排放對于保護環境、保障人們的身心健康是至關重要的［2］。袋式除塵器是治理大氣污染的高效除塵設備之一，其最大優點就是除塵效率高［3］。現階段工業除塵濾料生產中的纖網加固工藝以針刺為主。水刺工藝與之相比，在纖網的纏結效果，以及最終產品的強力、過濾效率等方面具有較大的優勢，但由于技術和設備等方面的限制，發展尚未成熟。隨著水刺技術的進步和對濾料性能要求的不斷提高，水刺工藝將在工業除塵濾料行業得到更加廣泛的應用。

1 除塵濾料的發展與現狀

經過30年的快速發展，我國已成為世界第二大經濟體，同時也步入重工業化時期。一些資源、能源消耗性產業(如黑色或有色金屬冶煉、化學、水泥、電力等工業)的發展促進了經濟和社會的繁榮，但也對我國能源、資源、環境的可持續發展造成了嚴重威脅。這些重工業排放的大氣污染物主要為高溫煙氣、粉塵、SOX和NOX等。在治理大氣污染方面，目前主要有濕法除塵、電除塵、袋式除塵三種方法［4］。濕法除塵和電除塵在除塵效率、一次性投資費用、設備維護等方面都不及袋式除塵，今后將會逐漸淡出工業除塵市場。袋式除塵器是煙塵、粉塵，尤其是PM10以下的微細顆粒物的克星，是治理大氣污染的高效除塵設備。袋式除塵器的除塵效率在實驗室測試中高達99.999 9%，在實際工程應用中也能達到99.99%，過濾后排放的煙塵、粉塵的濃度能夠達到10 mg/m3以下，基本上可以實現零排放［5］。袋式除塵器的分級效率也很高，對 PM10、PM5、PM2.5、PM1 等微細顆粒物的捕集率在90%以上。由于目前袋式除塵器的除塵效率最高，因此在國內近40個行業中，尤其是在十幾個高污染行業中大顯身手，取得了很好的治理效果和環境效益。高溫煙氣排放控制技術已由電除塵技術逐步轉變到以袋式除塵技術為主［6］。

袋式除塵器的關鍵材料是濾料［7］，濾料性能的優劣在很大程度上決定了袋式除塵器的使用效果。我國早期使用的濾料有白素布、毛呢類織物等，直至20世紀50～60年代，我國在專業除塵濾料使用和生產方面仍屬空白;70年代以后，我國的濾料和袋式除塵技術開始同步發展并迅速向世界先進水平靠攏，開發了多種合成纖維機織濾料［8］;80年代初，隨著非織造技術的發展，我國研制成功了合成纖維針刺氈;之后，芳砜綸等纖維研制成功，進而開發出相應的耐高溫針刺濾料產品;90年代后期，我國又開發出了聚四氟乙烯(PTFE)微孔覆膜濾料，實現了由表層過濾向表面過濾的跨越，達到高效、低阻的效果［9］。非織造技術在濾料行業的大規模應用，得益于針刺加固工藝的發展和技術進步。針刺技術工藝流程短、設備簡單、生產速度高，對所用原料的品種、粗細、長短要求低，適應面廣，且其產品呈現纖維雜亂排列的三維結構，將袋式除塵器的除塵效率提高了一個數量級。

近幾年來，基于全球范圍內嚴峻的環境和資源形勢，以及貫徹黨和國家提出的關于建設“資源節約型、環境友好型”兩型社會的迫切性，環保部門對火力發電、鋼鐵、水泥和垃圾焚燒等行業的高溫煙氣的除塵要求越來越嚴格，自2010年起排塵濃度標準已由原來的200 mg/m3提高到30～50 mg/m3。綜上，高溫濾料行業如果僅僅滿足于現有濾料的使用性能，將腳步停留在傳統的生產工藝上，勢必被市場所拋棄，并將被其他“更小損傷、更短流程、更低能耗、更高性能”的工藝和技術取代。因此，在針刺工藝基礎上發展起來的水刺工藝已經開始登上工業除塵濾料的舞臺，并正在不斷發展和進步。

2 水刺工藝的特點和優勢

水刺工藝是20世紀70年代中期由美國杜邦和奇考比公司研究開發的，近十幾年來在全球得到了快速發展［10］。水刺法在工藝上有一個新的突破，是以柔性高壓水流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間相互纏繞成布的［11］。水刺工藝自20世紀90年代進入中國以來發展迅猛，目前已有100多條生產線。一直以來，由于受到水刺壓力的限制，水刺纏結的纖網面密度一般在200 g/m2以下，否則制成的非織造布極易分層，因此國內水刺生產線制造的產品絕大部分應用于革基布和衛生材料領域。近幾年，隨著國際上水刺技術不斷進步，突破了水刺壓力的瓶頸，水刺非織造布面密度范圍已提高到300～600 g/m2，開始進入工業濾料領域［12］。

水刺法與針刺法一樣，作為濾料的加固方式，除均勻度外，幾乎影響著非織造濾料的所有指標，如厚度、透氣度、阻力、剝離率和氈面平整度等。兩者的基本特點都是通過將纖網中纖維纏結的方法制成非織造布，但是兩者之間又有較大的區別，水刺工藝的優勢具體體現在以下方面:

(1)針刺是剛與柔(刺針和纖網)的結合，而水刺是柔與柔(水射流和纖網)的結合，水刺工藝避免了在針刺工藝中存在的帶有倒鉤的尖銳刺針反復穿透纖網并切斷、破壞纖維甚至基布長絲的現象，所以水刺產品的表面致密、光滑、無針孔，拉伸強力提高，避免了針孔漏灰現象［13］。

(2)根據實際生產經驗以及性能測試，在相同的原料、結構、面密度等條件下，水刺加固比針刺加固能獲得更加良好的纏結效果，其生產出的工業除塵濾料的強力和過濾精度更高。因此，在保證強力和過濾效率基礎上，采用水刺工藝加固的濾料其面密度可降低20%左右，因而在使用一些高性能、高價格纖維材料時，可大大降低原料成本。

(3)水刺工藝通過高壓水流(目前最高可達45 MPa)對纖網的表面進行噴射達到加固目的，當濾料迎塵面為玻璃纖維、膜裂法PTFE纖維時，具有良好的開纖作用，形成超細表面，從而提高過濾精度。

(4)水刺生產線可以通過配備獨立的梳理設備，輸出一層纖網(如用特殊纖維原料)，并用高壓水刺工藝將其覆在經預針刺的非織造氈上，形成均勻致密、表面光滑的非織造復合濾料，增加了產品設計的靈活性。

(5)水刺濾料的表面致密、毛羽較少，一般條件下已經具備極高的過濾效率，可以省去常規針刺濾料生產流程中燒毛、PTFE乳液浸漬等后整理工序。流程縮短可提高生產效率、減少設備投入，從而有效地降低生產成本。

(6)水刺加固工藝擴大了纖維原料的選擇范圍。由于沒有針刺工藝中帶鉤刺的刺針的往復作用，一些原本耐溫、耐化學性能較好，但不適用于針刺加固工藝而在工業除塵濾料行業得不到廣泛應用的纖維，如剛度較大的不銹鋼纖維、芳綸(針刺加固過程中極易損耗刺針)，易脆損的玻璃纖維(受針刺作用針刺氈強力等性能損傷較大)，將從此可在工業除塵領域大展拳腳。

需注意的是，水刺加固工藝雖以表面致密、適應纖維原料范圍廣、纖維損傷小等優點而占據優勢，但是由于高速水射流在觸碰纖網開始，便受其阻力作用，穿透能量和速度迅速下降，不能像針刺工藝那樣帶動纖維穿透整個纖網，因此在加工面密度較大的纖網時容易產生分層現象，需要加大水刺壓力或先制成針刺預刺氈再經水刺加工［14］。

3 水刺工藝在濾料行業中的應用進展

目前國內已經引進3條水刺濾料生產線，且都為德國Fleissner公司的水刺設備，正在洽談的生產線還有多條。

上海博格工業用布有限公司是國內第一家引進可生產高密度纖網的水刺濾料生產設備的廠家，其水刺生產線自2010年7月份投入使用以來，已經相繼開發并生產出幾十種新型水刺濾料，其產品在力學性能、過濾效率等方面都有較強的優勢。

筆者在博格公司的配合支持下，進行了新型水刺濾料的開發和生產試驗，并對產品各方面性能進行了測試，與同條件下的針刺濾料進行對比(表1)。

由表1可知，采用不同加固工藝生產的聚苯硫醚(PPS)/PTFE復合濾料，在厚度、透氣度、斷裂強度方面都有較為明顯的差異。用水刺工藝生產的濾料，厚度薄，透氣性較差，斷裂強度有所提高，伸長率降低。主要是過濾效率提高，還可以省去乳液浸漬等表面后處理工序。筆者認為，過濾效率的大幅提高很有可能是PTFE纖維分裂成超細纖維的緣故。

表1 PPS/PTFE復合水刺與針刺濾料性能對比

圖1和圖2分別為采用水刺加固工藝生產的PPS/PTFE復合濾料的迎塵面和截面的電鏡照片。由圖可明顯看出:較細而沒有分裂現象的纖維為PPS纖維;PTFE纖維分裂得更細，還有些破碎，但由于水刺作用，與其他纖維纏結在一起。從外觀看，就是PTFE的細碎纖維經水刺作用后被嵌在布面上，從而防止了纖維的脫落。水刺工藝利用了PTFE纖維良好特性，且解決了PTFE纖維不易纏結的問題，還發掘出膜裂法PTFE能夠開纖形成超細纖維的特點。

4 應用水刺工藝生產濾料的注意點

筆者經過廣泛的調研和現場試驗，結合實際生產經驗，對水刺工藝應用于濾料的生產過程提出以下注意點。

(1)工業除塵濾料面密度要求在300～600 g/m2，最高達800 g/m2，對于水刺工藝屬于超厚型產品，因此對水刺生產設備的配置有較高的要求。一般要求高壓水刺頭實際壓力在28 MPa以上，水刺頭配備5個以上。特別需要指出的是，為保證以后長期穩定生產，水刺頭壓力配置應以高于35 MPa為宜。

圖1 水刺PPS/PTFE復合濾料的迎塵面

圖2 水刺PPS/PTFE復合濾料的截面形態

(2)水刺生產線根據不同的生產要求和設備配置，可以分為離線生產和在線生產兩種方式，區別在于水刺生產線的前段是否配置預針刺設備。離線生產方式是將預針刺甚至主針刺加固后并卷繞成卷的非織造氈，經過退卷工序，再次進行水刺加固的生產方式，具有產品設計靈活、濾料不易分層的優點;但需注意的是預針刺工藝的調節，針刺壓力以低為宜，密度以小為宜，否則容易造成布面不平整。在線生產方式是經預針刺的非織造氈未經卷繞，直接進行水刺加固，比較適合快速生產。水刺生產線還可以通過配置獨立的梳理設備，再輸出一層纖網(可根據要求選擇不同濾料)，用高壓水刺工藝將其覆在經預針刺的非織造氈上，該生產方式可獲得平整表面、提高強力的效果。如用特殊原料作為迎塵面，還可提高產品使用性能和附加值。

(3)工業除塵濾料的品質要求可以通過調整水刺頭的壓力及分配、水刺頭數量、抽吸風量和選擇不同的托網簾等方式來獲得。由于水量很大，抽吸系統配置及工藝調節非常重要;由于水刺壓力較大，為保證產品質量的穩定和生產過程的穩定，對針板、網簾、滾筒等配件的要求很高，不同于一般人造革基布和衛生材料等水刺產品的生產，運行成本會提高。

(4)在生產工業除塵濾料時，水刺工藝對纖維線密度有一定要求。一般針刺工藝適用的2.4 dtex左右的纖維對水刺工藝來說太粗，在水刺加工過程中會由于纖維初始模量較大而影響纏結效果，造成濾料產品強力不夠甚至纖網分層的現象。一般水刺工藝使用的纖維線密度最好在1.67 dtex以下，越細纏結效果越好。如果纖維的回潮率太低，特別是如回潮率為零的聚丙烯類纖維，選擇水刺工藝并不適合。如果能夠開纖成超細纖維(如膜裂法PTFE、玻璃纖維)，形成高效除塵濾料，水刺法工藝則是理想的選擇。水刺工藝比針刺工藝在纖網纏結效果、產品強力和過濾效率等方面具有較大的優勢，隨著水刺技術的進步和對濾料性能要求的不斷提高，水刺工藝將在工業除塵濾料行業得到越來越廣泛的應用。

［1］范柏祥，孫熙，王金波.可吸入細顆粒物的治理［J］.中國環保產業.2003(3):31-33.

［2］陳隆樞.從除塵技術的發展看袋式除塵濾料［J］.產業用紡織品，2002，20(10):25-28.

［3］趙毅，王志軒，馬雙忱，等.袋式除塵器在燃煤電廠的應用與前景［J］.華北電力大學學報，2003(6):90-93.

［4］宋景郊.高溫除塵技術發展和耐高溫濾材的市場前景［J］.化工裝備技術，2002，23(5):19-21.

［5］周翔，隋賢棟，黃肖容.高溫氣體過濾除塵材料的研究進展［J］.材料開發與應用，2008(12):99-102.

［6］肖容緒.保護環境——非織造布濾袋在中國的應用［J］.產業用紡織品，1999:17(11):34-37.

［7］靳雙林，李熙.針刺過濾氈在我國二十年的發展［J］.產業用紡織品，2004，22(4):4-7.

［8］中國環境保護產業協會袋式除塵委員會.我國袋式除塵行業2007年發展綜述［J］.中國環保產業，2008(7):7-10.

［9］宋麗珍.耐高溫針刺非織造布濾料［J］.產業用紡織品，2000，18(5):12-15.

［10］STOCKLMAYER Ch，HOFLINGER W.Simulation of the filtration behaviour of dust filters［J］.Simulation Practice and Theory，1986(34):281-296.

［11］STOCKLMAYER Ch，HOFLINGER W.Simulation of the long-term behaviour of regenerateable dust filters［J］.Filtration ＆ Seperation，1998(5):373-378.

［12］王曉婷，陳廷.水刺非織造布技術的新發展［J］.紡織導報，2006(6):64-66.

［13］SALEEM M，KRAMMER G.Optical in-situmeasurement of filter cake height during bag filter plant operation［J］.Powder Technology，2007(17):93-106.

［14］LIN J H，LOU C W，LEI C H.Processing conditions of abrasion and heat resistance for hybrid needle-punched nonwoven bag filters［J］.Composites，2006(37):31-37.

Application and development tendency of spunlace technology in industrial dust removal filter

Weng Meiling1，Zhang Xiaonan2，Hou Weili3
(1.College of Textiles，Donghua University; 2.Jiannan Branch of China Textile Academy;3.Shanghai BG Industrial Fabric Co.，Ltd.)

The development and situation of industrial dust removal filter were introduced，and the advantages and property of spunlace process on industrial dust removal filters were analyzed.The characteristics of the industrial filter media which be made by spunlace and needle-punching technique were tested and compared，and it was pointed out the attention on use spunlace process，and it forecast that the spunlace technique would be used better on industrial dust removal sector.

spunlace technique，industrial dust removal filter，property，developing trend

TS174.8

A

1004－7093(2011)11－0038－05

2011－08－29

翁美玲，女，1986年生，在讀碩士研究生。主要從事水刺耐高溫工業除塵濾料的生產工藝及產品性能的研究。