針刺和水刺復合工藝制備的PPS濾料及其性能研究

(南京百朋紡織材料有限公司，南京，211505)

隨著我國經濟的持續高速發展和城市化進程的加速，對電力的需求量越來越大。國家統計局2011年度國民經濟和社會發展統計公報顯示，2011年我國發電總量為47 000.7億kW·h，其中火力發電量為38 253.2億kW·h，占總發電量的81.4%。由于火電機組以煤為燃料，不可避免地會產生巨量的微細粉塵，現已成為PM2.5粉塵的一個重要污染來源。國家對工業粉塵排放的控制日益嚴格，在2011年新發布的《火電廠大氣污染物排放標準》中已嚴格要求其煙塵排放的質量濃度小于30 mg/m3［1］。由于燃煤電廠的特殊工況決定了未來電廠將廣泛采用除塵效果更好的袋式除塵，而濾料是袋式除塵最重要的核心部件，其性能直接決定了袋式除塵效率。

目前在燃煤電廠中廣泛應用的是聚苯硫醚(PPS)濾料。PPS纖維的耐酸、耐水解和耐化學性能極其優異，能夠在170℃溫度下長期使用，并且易于紡織加工制成濾料［2-3］。國內外現有的PPS濾料大都采用針刺工藝制作，面密度在550 g/m2左右，對PM2.5的過濾效率能夠達到99%，但是，針刺PPS濾料也存在一些不足。例如:剛性刺針對基布強力的損傷較大，也會使纖網中纖維的強力受到不同程度的損傷，導致PPS針刺濾料的強力降低;針刺PPS濾料中孔隙的孔徑較大，影響其過濾精度;針刺PPS濾料表面有針痕和呈現骨折狀，手感硬。

為解決針刺工藝生產PPS濾料所出現的種種問題，本文采用針刺和水刺復合工藝替代現在普遍使用的針刺工藝。水刺的柔性纏結復合技術能有效地解決普通針刺工藝中帶鉤的鋼針對PPS基布長絲不可避免的損傷問題，突破針刺復合過程中大量切斷長絲而造成濾袋強度下降的瓶頸約束;克服由于剛性刺針上下往復運動與柔性纖網的連續水平運動必然會給布面留下針痕等難題［4-6］。與傳統針刺PPS濾料相比，針刺和水刺復合工藝制作的PPS濾料過濾效率和過濾精度都大為提高，特別是對粒徑在2.5 μm以下的微細粒子的過濾效率達到了100%，透氣性和力學性能出色，完全能夠滿足燃煤電廠對粉塵排放濃度的要求。

1 試驗部分

1.1 材料

普通針刺PPS濾料，南京際華3521特種裝備有限公司生產;

針刺和水刺復合工藝制備的PPS濾料(下稱針刺水刺復合 PPS濾料)，德國 Fleissner公司提供。

1.2 針刺水刺復合PPS濾料的制作工藝

針刺和水刺復合工藝是將經過預針刺的纖網，再經過水刺加固，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和高過濾精度的濾料。

1.3 性能測試

依據標準 GB/T 24218.2—2009，采用 YG141型厚度儀測試樣厚度;

依據標準GB/T 24218.1—2009，采用圓形取樣器測試樣面密度;

依據標準GB/T 3923.1—1997，采用HD026N型電子織物強力儀測試樣拉伸性能;

依據標準GB/T 5453—1997，采用YG461型織物中壓透氣量儀測試樣透氣性;

采用CLJ-03A型激光塵埃粒子計數器測試樣過濾效率，其塵埃的粒徑分為 0.3、0.5、1、3、5 和10 μm六個級別。

2 結果與分析

2.1 厚度與面密度

對普通針刺PPS濾料和針刺水刺復合PPS濾料兩種試樣進行厚度和面密度測試，結果見表1。

表1 兩種PPS濾料的厚度和面密度

從表1可以看出，針刺水刺復合濾料的厚度和面密度均比普通針刺濾料要小，這主要是由于水針直徑更細小，對纖維的損傷更小，加固后的濾料其內部孔隙的孔徑更小。大量測試結果顯示:針刺水刺復合PPS濾料的面密度在500 g/m2時就已經能達到煙塵過濾性能的要求，而普通針刺PPS濾料需要550 g/m2才能達到煙塵過濾性能的要求。這也是針刺水刺復合PPS濾料厚度可以比普通針刺濾料的厚度少0.1 mm的原因。

從表1還可以看出，針刺水刺復合PPS濾料的厚度與面密度誤差范圍相對較小。這主要是由于其在加固過程中一直受托網簾托持，其牽伸較小，而不像普通針刺濾料經多道針刺機時要經受多次縱向拉伸。

針刺水刺復合PPS濾料表面平整，沒有普通針刺濾料常見的針痕和針眼。傳統刺針針柄較粗，在反復來回對材料進行穿刺時，刺針在纖維層中會停留一定時間，導致輸出速度與輸入速度有一定的速度比，因此不可避免地會產生一定的拉伸，造成針痕出現。

2.2 過濾效率與過濾精度

對普通針刺PPS濾料和針刺水刺復合PPS濾料兩種試樣進行過濾效率測試，結果見表2。

表2 兩種PPS濾料的過濾效率 (單位:%)

從表2可以看出，兩種濾料的過濾效率均隨著塵埃粒徑增大而相應增大，對于粒徑在5μm以上的塵埃，兩者的過濾效率都達到了100%。這是由非織造濾料的過濾機理所決定的，無論是普通針刺濾料還是針刺水刺復合濾料，都具有復雜的三維立體空間結構，存在著許多微細孔隙和彎曲通徑，這有利于利用重力沉降、攔截效應和布朗擴散作用來完成過濾。在實際煙塵過濾工況下，煙塵會在濾料表面形成一個“濾餅層”，從而利用濾料表面沉積的微細塵埃層來實現表面過濾。也就是說，在實際工況中的過濾效率會比試驗所測得的靜態過濾效率更高。

從表2還可以明顯看出，針刺水刺復合PPS濾料的過濾效率遠高于普通針刺PPS濾料，對于粒徑在2.5 μm以下的顆粒捕集效果優于普通針刺PPS濾料。這主要是由于使用水針代替剛性的刺針會使濾料表面孔隙的孔徑更小，并且不會對纖維產生損傷，而普通針刺則完全是靠剛性刺針對纖維層進行上下反復穿刺，其刺針的針柄直徑大于水針。有資料顯示［5］，水刺濾料表面孔隙的孔徑集中在20 μm左右，而針刺濾料孔隙的孔徑則集中在40 μm，孔徑越小，其捕捉微細顆粒的能力就越強。因此，對于治理對人們身體危害巨大的PM2.5，針刺水刺復合濾料更為有效。

目前燃煤電廠生產中產生的粉塵，70%以上是粒徑小于5 μm的呼吸性粉塵。粉塵的分散度高，粉塵粒徑小，其在空氣中的穩定性高，在空氣中懸浮也持久［6］，會對人體造成很大的危害。從表2數據可以看出，普通針刺PPS濾料對5 μm塵埃的過濾效率可達100%，而對0.5～5 μm塵埃的過濾效率是90%以上，但對5 μm以下的塵埃的過濾效率卻只能達到90%左右。

2.3 透氣性

透氣性能夠直觀地反映出濾料的過濾效率與精度，透氣性越差則濾料表面孔隙的孔徑越小，其過濾效率越高，過濾微細粉塵顆粒的能力就越強。透氣性還能夠反映出濾料制成濾袋后在燃煤電廠使用時阻力的大小。透氣性越差則在使用過程中形成表面濾餅層的時間就越短，其所需的負壓風力也相應較小;透氣性好則在過濾時會有較多微細顆粒進入到濾料內部，堵塞濾料表層孔隙，從而妨礙表面濾餅層的形成，表面過濾效果變差。因此，對于燃煤電廠的煙塵過濾用濾料，其透氣量以偏低為宜，但也不能過低，因為過低極易使濾料孔隙被堵塞，不利于過濾的進行。

對普通針刺PPS濾料和針刺水刺復合PPS濾料兩種試樣進行透氣性測試，每種濾料取五個樣點，其數據平均值見表3。

表3 兩種PPS濾料的透氣性

表3數據顯示，針刺水刺復合PPS濾料的透氣量小于普通針刺PPS濾料。這主要是由于針刺水刺復合濾料所產生的針眼少且孔徑較小，而針刺PPS濾料則相反。孔徑越小，透氣量也越小。

從表3還可以看出，兩種濾料的透氣量均在一定的范圍內變動。在同一試樣的不同位置進行測試，其結果可能不相同。針刺水刺復合PPS濾料的CV值僅為5%，遠小于普通針刺PPS濾料的12%。在鋪網工序中，挾持單層纖網的鋪網小車行走在兩個邊緣處時要減速或加速，會在兩邊停留相對較長的時間，相對于中間部位小車在邊緣處對纖網的牽伸力較小，最終形成纖網兩邊稍厚而中間薄的狀況，這是無論針刺濾料還是水刺濾料透氣量均會出現一定程度上不均勻的原因。由于針刺水刺復合濾料只對纖維層進行預針刺，而后面多道高壓水刺才是加固的主要方式，在生產過程中纖維層一直在托網簾之上，沒有經受多道縱向拉伸，并且水針纏結方式較為柔和，因此針刺水刺復合PPS濾料的CV值比普通針刺PPS濾料低。

2.4 力學性能

對普通針刺PPS濾料和針刺水刺復合PPS濾料兩種試樣進行力學性能測試，結果見表4。

表4 兩種PPS濾料的力學性能

表4數據顯示，針刺水刺復合PPS濾料的緯向和經向強力分別比普通針刺PPS濾料高9.4%和23.1%。這是由于水刺對PPS纖維特別是對基布的損傷較小，基布是最終成品強力的主要貢獻者，濾料的絕大部分經向強力和大部分緯向強力均由基布提供，而針刺對基布(特別是對其中的經向紗)的損傷很大，因此針刺水刺復合濾料的強力比普通針刺濾料的強力要高，其中尤以經向強力提高更多。

從表4可以看出，針刺水刺復合PPS濾料的經、緯向伸長率比普通針刺PPS濾料小，經向伸長率降低了4.28個百分點，而緯向伸長率則降低了8.04個百分點。針刺水刺復合PPS濾料由于基布中的經向紗沒有受到刺針損傷，伸直度較針刺濾料高，因而經向伸長率比普通針刺濾料低。針刺水刺復合PPS濾料的緯向伸長率降低幅度超過經向，這主要是由于普通針刺濾料在生產中出現的“緯斜”現象所導致的。纖網在進行多道正反面針刺時，不可避免地出現局部拉伸不一致，如斷針處由于受到的阻力小而使其行進速度快于正常處，因而所受到的牽伸力就不同，并且相鄰針刺機之間也會產生縱向拉力，最終導致基布中的緯紗出現不同程度的傾斜。而在針刺水刺復合濾料制作過程中出現緯斜現象的程度小于普通針刺濾料，因此其緯向伸長率降低幅度較大。

3 結論

針刺水刺復合PPS濾料融合了針刺工藝和水刺工藝各自的優點，又克服了兩種工藝各自的缺點。

(1)同樣達到煙塵過濾性能的要求，針刺和水刺復合工藝制得的PPS濾料與普通針刺PPS濾料相比，面密度可降低50 g/m2，原材料的用量降低10%。

(2)針刺水刺復合濾料可實現更低的微孔直徑，從而使濾料具有更高的過濾效率和過濾精度。

(3)針刺水刺復合PPS濾料的基布和纖維受到損傷較小，經緯向強力大大超過普通針刺PPS濾料。

(4)經過水刺工藝對濾料表面進行整理后，能有效提高濾料表面平整性，從而使針刺水刺復合濾料具有透氣量較小且均勻的特點。

目前，濾料市場上能生產針刺水刺復合PPS濾料的企業很少，產品仍處于前期小試階段，但針刺水刺工藝復合PPS濾料憑借著出色的性能優勢和成本優勢，必能在燃煤電廠的煙氣過濾中迅速得到推廣應用，具有較好的市場前景。

［1］ 中國環境科學研究院，國電環境保護研究院.GB 13223—2011火電廠大氣污染物排放標準［S］.北京:中國環境科學出版社，2011.

［2］ 王樺.聚苯硫醚纖維的發展現狀及其應用［J］.產業用紡織品，2007，25(7):1-3.

［3］ 李熙，靳雙林.PPS纖維及其在袋式除塵領域的應用［J］.產業用紡織品，2007，25(4):1-4.

［4］ LANG A.水刺技術和PM 2.5級過濾是正確的選擇方案嗎?［J］.國際紡織導報，2006(11):48-49.

［5］ 吳麗麗，柯勤飛.水刺復合PPS纖維耐高溫過濾材料的研究與開發［J］.非織造布，2009(4):24-26.

［6］ 孫亞頗，焦曉寧.聚苯硫醚針刺氈在高溫除塵上的應用性能研究［J］.合成纖維，2010(5):6-8.