玻璃纖維針刺復合濾料耐高溫性能研究

2014-09-19 02:04:32趙振興汪黎明聶換換蔣樹軍

產業用紡織品 2014年7期

趙振興汪黎明聶換換蔣樹軍

(1.青島大學紡織學院，青島，266071;2.山東新力環保材料有限公司，沂源，256112)

玻璃纖維濾料是一種常用高溫濾料，正常使用溫度為260～280℃，具有尺寸穩定性好、拉伸斷裂強度高、耐化學侵蝕、過濾阻力小等突出優點。此外，玻璃纖維市場價格相對較低，原材料來源廣泛。因此，玻璃纖維濾料被認為是一種理想的濾料。但玻璃纖維濾料耐折性和耐磨性差，氈與基布的剝離強度低，在使用過程中因需頻繁清灰而容易磨損、折斷，影響其使用壽命。為了解決這一問題，國內專家及相關企業開發出了玻璃纖維復合針刺濾料。該濾料是將玻璃纖維和其他耐高溫纖維按一定比例進行混合，然后經過梳理、針刺、化學處理等多道工序制成的新型過濾材料［1］。與純玻璃纖維針刺氈相比，其生產成本略有增加，但過濾性能和耐用性均提高很多，性價比較好，是一種極具推廣潛力的新型過濾材料［2］。目前，玻璃纖維復合濾料的新產品不斷涌現，如玻璃纖維與聚酯纖維、聚酰亞胺(PI)類的P84纖維、聚苯硫醚(PPS)纖維和玄武巖纖維等復合，制得各種復合濾料。本文將玻璃纖維、軼綸和芳綸三種纖維制成復合濾料，應用于高爐煤氣布袋除塵中，通過對三種相同混合比的不同面密度的玻璃纖維復合濾料的測試，探求面密度的選擇是否合理及該濾料性能的變化情況，為實際生產應用提供依據。

1 試驗部分

1.1 材料

軼綸是國內首個實現工業化生產的PI纖維，具有絕佳的熱穩定性、電絕緣性、耐輻射性和耐化學性等，綜合性能優于同為PI纖維的P84纖維，其極限氧指數＞38%，可在250～350℃下長期使用［3］，市場價格昂貴。芳綸(Nomex)是世界上開發最早的耐高溫纖維，具有高強度、耐高溫、耐腐蝕等優良性能，其極限氧指數為29%，正常使用溫度為204℃，瞬間使用溫度為240℃。將玻璃纖維、軼綸和芳綸三種纖維按一定的比例混合，然后采用針刺工藝制成復合濾料。主體部分為玻璃纖維和玻璃纖維機織基布，對濾料強力起到主要支撐作用;軼綸對瞬時高溫所產生的破壞有很好的抵御作用;芳綸優異的柔韌性使纖維層與基布的剝離強度提高，同時其相對較低的價格又降低了生產成本。本試驗濾料中的基布均為相同規格的玻璃纖維紗織成的平紋基布，三種試樣面層的厚度有所不同。該復合濾料的結構如圖1所示。

圖1 玻璃纖維復合濾料結構示意

本試驗所用復合濾料樣品規格見表1。

表1 試驗樣品規格

1.2 耐高溫性能測試

1.2.1 力學性能

濾料的耐高溫力學性能是指濾料在某個特定的溫度條件下放置一定時間(通常為24 h)后，其經、緯向斷裂強力及斷裂伸長率等相關指標［4］。斷裂強力是濾料強度的表征，其值越大，濾袋壽命就越長;斷裂伸長率則是濾料拉伸韌性和彈性的表征，其值過大或過小都會對濾袋的使用效果和耐用性有影響，在實際使用過程中濾料該值的變化不應太大。濾料的斷裂強力取決于濾料在制造過程中針刺纖維的強度、所使用的基布及生產工藝參數，如針刺密度、針刺強度和后處理等方面［5］。

濾料力學性能的變化可用斷裂強力保持率和斷裂伸長保持率來表示，其值分別是試驗后濾料斷裂強力和斷裂伸長率測試值與試驗之前相應的測試值之比。

測試標準是 GB/T 7689.5—2001《增強材料機織物試驗方法第5部分:玻璃纖維拉伸斷裂強力和斷裂伸長的測定》。經向和緯向樣條有效尺寸為5 cm×20 cm。

測試方法:首先，按測試標準分別對原試樣測試經、緯向斷裂強力和斷裂伸長率 ;然后，將其他試樣分別置于160、200、240和280℃高溫烘箱內24 h，取出，待冷卻后測定斷裂強力和斷裂伸長率。與之類似，測試時間維度的各項指標。將試樣放置于200℃的烘箱中，經過48、72和96 h后進行相關數據的測試并計算。

通過下式計算斷裂強力保持率:

式中:F0——濾料初始斷裂強力(N);

Fi——第 i次取出濾料的斷裂強力(i=1、2、3、4)，分別對應于經過 160、200、240和280℃或24、48、72和96 h熱處理后試樣的斷裂強力(N)。

通過下式計算斷裂伸長保持率:

式中:E0——試樣初始斷裂伸長率(%);

Ei——第i次取出試樣的斷裂伸長率(i=1、2、3、4)，分別對應于經過 160、200、240和280 ℃或24、48、72和 96 h后試樣的斷裂伸長率(%)。

1.2.2 透氣性

濾料的透氣性以規定的試驗面積、壓降和時間條件下，氣流垂直通過試樣的速率表示。該值的大小因濾料的結構形式和密度差異而不同，是表征潔凈濾料阻力特性的一個指標［6］。

三種試樣放置于烘箱中，分別經過160、200、240和280℃高溫處理24 h或在200℃的烘箱中分別處理24、48、72和96 h后，將試樣取出置于標準大氣條件下24 h，按照標準 GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》進行測試［7］。

2 結果與討論

2.1 濾料力學性能的變化

2.1.1 處理溫度的影響

本試驗溫度的選擇是參照濾料實際工作中溫度的波動范圍而定，分別為160、200、240和280℃，處理時間是24 h。圖2和圖3是在不同處理溫度下，濾料力學性能的變化情況。T0代表在標準大氣條件下測試。

圖2 不同處理溫度對濾料斷裂強力的影響

圖3 不同處理溫度對濾料斷裂伸長率的影響

由圖2可知:通過不同溫度處理24 h后，三種試樣的經向斷裂強力均呈現先下降再上升然后再下降的波動趨勢;三種試樣的緯向斷裂強力均呈下降趨勢，試樣1的變化較緩和，試樣2和試樣3分別在200和240℃處理后有較快下降。這種變化與濾料不同的面密度有關。通過計算得知，試樣1～試樣3的最低經向斷裂強力保持率依次為82.44%、81.75% 和 91.83%，最低緯向斷裂強力保持率依次為88.66%、78.95%和77.63%。試樣2和試樣3的經向強力下降幅度小于緯向。經不同高溫處理后，濾料的強力雖有所波動，但其強力仍然保持在75%以上，即2 000 N/(5 cm×20 cm)以上，能夠滿足工作過程中溫度的變化對濾料強力的要求［8］。

圖3反映出試樣1和試樣2的經向斷裂伸長率隨處理溫度的升高均呈現不同程度的下降趨勢;試樣3的經向斷裂伸長率呈先上升后下降的趨勢，變化較平穩;試樣1和試樣3的緯向斷裂伸長率隨處理溫度上升均呈下降趨勢，經過240℃處理后變化量較小;試樣2的緯向斷裂伸長率呈上下波動狀態，溫度對其影響不明顯。濾料的經向伸長率小于緯向伸長率，與斷裂強力的規律一致。經計算，濾料的經向和緯向最低伸長率保持率分別為82.53%和84.17%，表明該濾料在高溫條件下處理后仍有很好的拉伸韌性和彈性。

2.1.2 處理時間的影響

圖4和圖5均是將試樣放置于200℃的烘箱中，經過24、48、72和96 h后所測各項力學性能的變化情況。T0代表在標準大氣條件下的測試。

從圖4可以看出，在200℃的烘箱中經不同時間的處理，三種試樣均表現出與改變處理溫度時相同的變化趨勢，即經向斷裂強力呈現先下降后上升再下降的趨勢，緯向斷裂強力表現出下降的趨勢。雖然變化幅度略有不同，但大致都在2 000～2 500 N之間波動。通過計算得知，濾料經向和緯向的斷裂強力保持率均在80%以上，說明該濾料經過長時間處理后仍能保持良好的強度，符合對長期工作在高溫條件下濾料強力的要求。

圖4 不同處理時間對濾料斷裂強力的影響

圖5 不同處理時間對濾料斷裂伸長率的影響

從圖5可以看出:三種試樣經不同時間處理后，其經向斷裂伸長率均在4% ～5%之間波動;而緯向斷裂伸長率，試樣3波動較明顯，在6% ～7%之間，另兩種試樣波動較小，略呈下降趨勢。濾料的經向和緯向的最低斷裂伸長率保持率分別為88.60%和84.47%，說明該濾料長期在高溫下工作仍能有良好的柔韌性。

總體而言，濾料受熱后經、緯向強力參數均在一定范圍內變化，雖有下降趨勢，但仍保持較大的強力絕對值。該濾料初始斷裂強力受熱后下降，這與玻璃纖維表面涂覆的浸潤劑在高溫作用下化學性能發生變化有關。從各項數據來看，試樣1的斷裂強力和斷裂伸長率在經過不同溫度和時間的處理后波動幅度最小，說明面密度為750 g/m2的參數設計比較合理。