耐高溫針刺濾料中的纖維損傷表征與研究

(東華大學(xué)，上海，201620)

隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實施的不斷深入，對環(huán)境的保護(hù)力度越來越大。環(huán)保部門對鋼鐵、有色冶金、水泥等工業(yè)部門以及火力發(fā)電、垃圾焚燒和瀝青攪拌等行業(yè)的高溫?zé)煔獾某龎m要求更加嚴(yán)格，排塵濃度標(biāo)準(zhǔn)已由原來的200 mg/m3提高到30～50 mg/m3［1］。

目前袋式除塵技術(shù)已能完全滿足煙氣除塵和穩(wěn)定可靠運(yùn)行的需要，在煙氣除塵中的應(yīng)用也越來越廣泛，其中濾料是袋式除塵器的關(guān)鍵材料，其性能直接影響袋式除塵器的過濾效果及使用壽命。因此，研發(fā)高質(zhì)量的耐高溫濾料具有非常重要的意義［2］。

為了更方便地研究耐高溫針刺濾料中纖維的損傷機(jī)理，本文提出了新的纖維損傷表征方法并考證了其合理性。基于水溶性維綸在水中的溶解性能，將芳綸與維綸的混合纖維制成纖網(wǎng)，進(jìn)行針刺，隨后溶掉維綸，以此來研究針刺工藝中針刺深度、針刺密度等參數(shù)對濾料中芳綸性能的影響，討論新表征方法的合理性，并為耐高溫針刺濾料生產(chǎn)提供參考。

1 纖維損傷的表征

本試驗所用濾料是由纖網(wǎng)進(jìn)行針刺加固制成的。由于刺針的高頻往復(fù)運(yùn)動，刺針上的鉤刺帶著纖維在運(yùn)動過程中會對纖維造成損傷。這種損傷主要表現(xiàn)在兩個方面:一是纖維在鉤刺運(yùn)動過程中在切割外力作用下被完全破壞(或稱顯性損傷);另一是纖維的弱化(或稱隱性損傷)。本試驗通過測量單纖維長度的減少來分析和評估纖維的破壞程度，并通過纖維強(qiáng)力的降低來測量纖維的弱化程度［3］。

本文將纖維損傷度(LS)以纖維長度損失度(LC)為主要參考指標(biāo)纖維強(qiáng)力損失度(LQ)為輔助參考指標(biāo)。LC和LQ的計算公式如下:

式中:LC——纖維長度損失度(%);

LQ——纖維強(qiáng)力損失度(%)。

2 試驗部分

2.1 原材料

本試驗使用水溶性維綸和間位芳綸作原材料，其物理性能見表1。

表1 水溶性維綸和間位芳綸物理性能

2.2 儀器與設(shè)備

(1)WFC-100針刺機(jī)，三角刺針;

(2)BG218型梳理機(jī);

(3)XQ-2纖維強(qiáng)伸度儀，量程20 cN，測試條件為隔距20 mm、拉伸速度20 mm/min;

(4)RY-12000高溫染樣機(jī)，容積24.5 L，最高工作溫度140℃;

(5)光學(xué)顯微鏡，電子天平等;

(6)自制起絨布袋，防止混合纖維纖網(wǎng)中的水溶性維綸被溶解掉時芳綸分散到水中，不易收集。

2.3 試驗方案

2.3.1 混合纖維比例

通過小樣試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)芳綸混合比例超過10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，不便于在溶解后抽取單根纖維，故本試驗采用水溶性維綸和間位芳綸的質(zhì)量比為 9∶1。

2.3.2 成網(wǎng)方式

根據(jù)混合纖維的特點，選擇機(jī)械成網(wǎng)+交叉鋪網(wǎng)方式成網(wǎng)，并用玻纖基布復(fù)合混合纖網(wǎng)模擬500 g/m2的針刺間位芳綸耐高溫濾料的方案［4］。

2.3.3 針刺工藝參數(shù)

(1)本試驗設(shè)定針刺頻率600刺/min、輸出速度1.18 m/min，在其他參數(shù)不變的情況下進(jìn)行改變針刺深度的試驗，設(shè)定針刺深度分別為4、6和8 mm。

(2)對每一組針刺深度，分別進(jìn)行6次不同針刺密度的試驗，針刺密度依次為87.3、174.6、261.9、349.2、436.5 和 523.8 刺/cm2。

3 結(jié)果與分析

3.1 纖維長度損失

從圖1可以看出，濾料中芳綸的長度損失與針刺工藝中針刺深度及針刺密度存在一定的關(guān)系。

圖1 針刺深度和針刺密度對纖維長度損失的影響

(1)隨著針刺深度的增加，針刺濾料的厚度逐漸減小，纖維的長度損失度呈逐漸上升趨勢。這主要是因為針刺深度越大，鉤刺動程也越大，對纖維作用的鉤刺數(shù)增加，受到作用力的纖維數(shù)量增大，進(jìn)而對纖維的剪切拉伸程度提高，纖維的疲勞度增加，機(jī)械損傷加大。

如圖2所示，試驗所用的三角形刺針，同一棱邊上相鄰鉤刺間的距離為6.3 mm。假設(shè)纖網(wǎng)厚度為4.0 mm，當(dāng)針刺深度為4 mm時，有1個鉤刺觸及到纖維;當(dāng)針刺深度繼續(xù)增至6 mm時，有2個鉤刺拉伸纖維，且鉤刺的動程增大。因此，針刺深度的增加，意味著觸及纖維的鉤刺數(shù)增多，對應(yīng)的鉤刺動程增大，這些都會加劇對芳綸的損傷。根據(jù)試驗所用的刺針型號可知，當(dāng)針刺深度大于6.3 mm時，針刺深度每增加2.1 mm，起切割破壞作用的鉤刺數(shù)增加一個。

圖2 針刺深度與纖維損傷關(guān)系示意

(2)從圖1可以看出，隨著針刺密度的增加，纖維長度損失度呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，并有兩次大量斷裂的關(guān)鍵階段。以針刺深度4 mm的曲線為例，纖維損失度在開始階段隨針刺密度增大有顯著上升，這是因為纖維開始相互鎖結(jié)，漸漸地不易滑移，纖維被鉤刺作用，在缺陷處開始大量斷裂，曲線呈現(xiàn)急速上升的趨勢;隨著針刺密度繼續(xù)增加，濾料相互鎖結(jié)，不易滑移，纖維疲勞增加，纖維拉伸伸長，在250～350刺/cm2區(qū)段經(jīng)歷了一個短暫的塑性積累和彈性伸長被鎖結(jié)的過程;當(dāng)針刺密度超過350刺/cm2后塑性積累和彈性伸長過程完成，纖維不能對鉤刺的沖擊進(jìn)行有效的避讓，隨著針刺密度進(jìn)一步加大，纖維開始大面積損傷斷裂，曲線又一次進(jìn)入急速上升階段。

3.2 纖維強(qiáng)力損失

從圖3可以看出，在三種不同針刺深度的情況下，纖維強(qiáng)力與針刺密度的關(guān)系曲線整體趨勢大致相同。以針刺深度為4 mm時的纖維強(qiáng)力變化曲線為例，纖維強(qiáng)力隨著針刺密度的變化呈現(xiàn)下降→上升→下降的波動趨勢。第一次強(qiáng)力下降是因為在前道針刺時，纖網(wǎng)松散，纖維還未鎖結(jié)，鉤刺對纖維作用時纖維能夠滑移，刺針對纖維的作用以纖維轉(zhuǎn)移為主，但纖維由于受到剪切沖擊作用，損傷會增多，造成檢測到的纖維強(qiáng)力逐漸降低。

圖3 針刺深度和針刺密度對纖維拉伸強(qiáng)力的影響

隨著纖網(wǎng)的緊密度增加，纖維相互鎖結(jié)。假設(shè)纖維因相互纏結(jié)而滑移困難，針刺加固時纖維會受到拉伸應(yīng)力作用，有些質(zhì)量不好的纖維、本身有缺陷的纖維或遭鉤刺損傷的纖維會從缺陷處斷裂，所以理論上濾料在生產(chǎn)中不存在大量的“藕斷絲連”和“千瘡百孔”現(xiàn)象。圖4是針刺前和針刺后(針刺密度611.1刺/cm2)纖網(wǎng)的纖維結(jié)構(gòu)。從圖4中不容易發(fā)現(xiàn)兩者有明顯的差異，因此最直觀地判斷纖維受損情況的方法還是觀察纖維長度的變化。

圖4 纖網(wǎng)中的纖維結(jié)構(gòu)

強(qiáng)力拉伸曲線中的上升階段是由于試驗中檢測的有些纖維在針刺過程中已經(jīng)從缺陷處斷裂過，根據(jù)纖維弱節(jié)拉伸斷裂的力學(xué)特征，弱節(jié)減少導(dǎo)致檢測的纖維強(qiáng)力有上升趨勢，甚至有些比針刺前的纖維強(qiáng)力更大。第二次強(qiáng)力下降是因為當(dāng)纖網(wǎng)中的纖維被鎖結(jié)而不易滑移時，纖維要不斷承受加負(fù)荷、減負(fù)荷的反復(fù)循環(huán)針刺，纖維疲勞度增加，塑性積累，纖維的切割破壞逐漸顯現(xiàn)，纖維出現(xiàn)新的缺陷或斷裂，所以纖維的拉伸強(qiáng)力又會降低。

3.3 纖維伸長率

針刺深度和針刺密度對纖維伸長率的影響見圖5。

圖5 針刺深度和針刺密度對纖維伸長率的影響

由圖5可以看出，纖維的斷裂伸長與針刺深度和針刺密度關(guān)系更為復(fù)雜，且在三種不同針刺深度的情況下，不同針刺密度的樣品所測得的纖維最大斷裂伸長率卻是非常接近，即伸長率曲線的最高點相差無幾。因此，纖維的斷裂伸長率也不宜作為纖維損傷的表征。

從纖維長度損失、纖維強(qiáng)力損失和纖維伸長率變化的分析可以得知，通過測量纖維針刺前后的長度的減少量來分析纖維的損傷程度更為直觀，曲線變化趨勢明顯，是表征耐高溫針刺濾料中纖維損傷程度的一種比較適宜的可實際應(yīng)用的方法。

4 結(jié)論

(1)通過測量纖維針刺前后長度的減少量可以直觀地分析纖維的損傷程度，曲線變化趨勢明顯，是表征耐高溫針刺濾料中纖維損傷程度的一種比較適宜的可實際應(yīng)用的方法。

(2)針刺過程中纖維長度損失度與針刺深度和針刺密度的關(guān)系是:當(dāng)針刺密度一定時，纖維的長度損失度隨著針刺深度的增大而增大;當(dāng)針刺深度一定時，纖維的長度損失度隨著針刺密度的增大而增大。

(3)通過拉伸斷裂方式檢測的纖維強(qiáng)力損失度在針刺工藝中存在不可比性，只能作為纖維損傷程度的輔助參考量;纖維的斷裂伸長與針刺深度和針刺密度關(guān)系更為復(fù)雜，且在不同針刺深度和不同針刺密度條件下制得樣品的纖維最大斷裂伸長率非常接近，也不宜作為纖維損傷的表征。

［1］ 趙欣華，梁東.黑龍江電力［J］.布袋除塵器技術(shù)在火電廠鍋爐煙氣除塵的應(yīng)用，2005，27(2):154-157.

［2］ 馮勝山，許順紅.高溫廢氣過濾除塵技術(shù)研究進(jìn)展［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2009(1):6-8.

［3］ 賀福敏.纖維損傷與梳理工藝措施［J］.遼寧學(xué)院學(xué)報，2005(3):47-50.

［4］ 柯勤飛，靳向煜.非織造學(xué)［M］.上海:東華大學(xué)出版社，2004:86-87.