非織造耐高溫過濾材料的研究進展

曾月寧，趙曉明

(天津工業大學紡織學部，天津 300387)

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非織造耐高溫過濾材料的研究進展

曾月寧，趙曉明

(天津工業大學紡織學部，天津 300387)

因非織造材料本身具有特殊的多向立體微細彎曲孔道和高孔隙率結構非常適合加工制備濾料。對耐高溫濾料中芳綸、聚四氟乙烯、聚苯硫醚、玄武巖、芳砜綸、聚噁二唑、聚酰亞胺和玻璃纖維等八種材料進行簡單介紹，重點介紹和分析了針刺和水刺兩種濾料加工工藝。

耐高溫濾料針刺水刺濾料加工方式

0　前言

過濾就是分離、捕集分散于氣體或液體中的顆粒狀物質的一個動態過程。過濾材料因其具有較大的內表面和適當的空隙，使之有能力捕獲和吸附固體顆粒，并將其從混合物中分離出來[1]。非織造材料一般是應用于過濾材料的較好選擇，其主體是由纖維與纖維間互相構成的網狀結構，因纖維彎曲使其具有彎曲孔道。同時，纖維與纖維交叉使其有較高的孔隙率。通過纖維原料的選擇和加工方式的不同及后整理可以獲得不同孔隙率和孔徑的材料，這些是制備過濾材料的較理想方法。

過濾材料按其使用溫度分有常溫過濾材料、高溫過濾材料和超高溫過濾材料。常溫過濾材料多見于天然纖維或合成纖維，超高溫過濾材料多采用無機纖維[2]，研究比較多的耐高溫纖維，包括芳綸、聚苯硫醚(PPS)、聚四氟乙烯(PTFE)、玻璃纖維、聚酰亞胺(P84)、芳砜綸和玄武巖纖維等[3-6]。

1　耐高溫過濾材料用纖維

PTFE纖維，由由PTFE樹脂為原料經紡絲或制成薄膜后切割制得的或原纖化后而制得的一種合成纖維。其斷裂強度為17.7-18.5 CN/dtex，斷裂伸長率為25-50%，氟原子體積較氫原子大，氟碳鍵的結合力強，使纖維具有優良的化學穩定性。PTFE使用溫度很廣泛，為-180℃-260℃，在-260℃的超低溫下仍不會發脆。另外，其在高溫下強度保持率高，水解穩定性能好，阻燃性好，可耐氧化物及各種酸堿的腐蝕，過濾效率高，清灰性能良好。PTFE過濾材料在應用于脈沖清灰濾袋中時，由于長時間受到高過濾風速及脈沖力的作用，必須能在長時期的工作過程中保持強力和只發生很小的蠕變，但是PTFE抗蠕變性能較差[5]，在濾料的制備和使用過程中應注意這一點。

芳綸纖維是芳香族聚酰胺纖維，是一種非常重要的特種纖維。芳綸纖維有兩種，一種是間位芳綸，另一種是對位芳綸。間位芳綸突出的優點是耐熱性好、阻燃和耐腐蝕性。其在260℃溫度下連續使用1000 h后，強度保持率達65%；在300℃高溫下，使用170h仍能保持原強度的50%。其在火焰中難以燃燒，離開火焰后具有自熄性，能耐大多數酸的作用，但長時間和鹽酸、硝酸或硫酸接觸，強度會有所降低，除不能與強氧化鈉長時間接觸外，對堿的穩定性較好[7]。但是，其高溫尺寸穩定性較差，沸水收縮率為3%，在300℃熱空氣中的收縮率高達8%[8]。另外，其生產技術長期被國外公司壟斷，價格較高。山東煙臺泰和新材料股份有限公司在于2008年通過芳綸百噸級試驗項目的鑒定，并在2011年實現產業化。

PPS纖維是一種特種塑料纖維，由聚苯硫醚樹脂經熔融紡絲制備。其具有較高的穩定性、耐化學腐蝕性和阻燃性，極限氧指數值為34-35，熔點為280℃，可在200-240℃溫度下連續使用。其短纖維斷裂強度為2.65-3.08CN/dtex，斷裂伸長率為25-35%，其針刺氈制品擁有優良的性能，被廣泛應用于火力發電、水泥、垃圾焚燒、鋼鐵冶煉和化工行業的除塵過濾中[9]。

聚酰亞胺醚類均聚纖維強度4～5cN/dtex，伸長率5%～7%，模量10～12GPa，在300℃經100h后強度保持率為50%～70%，極限氧指數44，耐射線好；酮類共聚纖維具有近似中空的異形斷面，強度3.8cN/dtex，伸長率32%，模量35cN/dtex，密度1.41g/cm，沸水和250℃收縮率各小于0.5%和1%。 國產聚酰亞胺已具有量產及工業化的前景和能力，其中廈門傲藍環保設備有限公司的聚酰亞胺濾袋具有優良的耐熱、阻燃、抗腐蝕等性能，被廣泛應用于瀝青攪拌、水泥窯爐、烘干、燃燒煤爐及垃圾焚燒等高溫過濾除塵行業[9]。

玄武巖是通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維，強度與高強度S玻璃纖維相當，顏色似金色，外觀呈光滑的圓柱體，界面呈完整的圓形。其密度和硬度很高，具有優異的耐磨、抗拉性能(拉伸強度是普通鋼材的10-15倍)，耐化學腐蝕性強，抗氧化性強。其使用溫度一般在-269℃-700℃，在700℃以下的環境工作對于玄武巖纖維及其制品是可以保證使用性能的[4, 10]。然而，玄武巖纖維無卷曲、比重大和脆性的特點決定其不能單獨在普通的梳理機上梳理成網，在制備耐高溫濾料時，一般將其與各耐高溫纖維混紡。王萍等人研究發現，玄武巖纖維與其他耐高溫纖維1:1混合，采用氣流成網法制備的濾料性能較好[11]。

芳砜綸(聚苯砜對苯二甲酰胺)屬于對位芳綸系列，具有很強的的物理機械性能和優良的化學穩定性。芳砜綸在50℃和300℃熱空氣中處理100h后強度保持率分別為90%和80%，在300℃熱空氣中的收縮率僅為2%，極限氧指數為33，芳砜綸纖維在火焰中燃燒，不熔融，離開火焰后自熄，纖維基本上不收縮，少有陰燃或余燃現象。芳砜綸耐酸、抗氧化性能較好，經85℃、30%硫酸處理2h及經200℃高溫處理200h后用質量濃度17%次氯酸鈣溶液處理2h的PSA濾料總體斷裂強力保持率在90%以上[3]，芳砜綸分別經80℃、30%濃度的硫酸、鹽酸或者硝酸處理后，在硝酸溶液中，纖維強力稍有下降，其余均無顯著影響，但經相同條件下的NaOH水溶液處理后，強力有較大損失。由于其優異的性能，芳砜綸是制作濾袋的優良材料，其優良的抗熱氧老化的穩定性，在270℃內，能保持良好的尺寸穩定性，以及良好的抗酸性等，使其在焚燒爐過濾中的應用前景非常廣闊[8]。

芳香族聚噁二唑(POD)是一種芳雜環(含噁二唑環)結構的耐高溫特種高分子材料，具有良好的阻燃、耐腐蝕、熱穩定、電絕緣等性能[13]。以聚噁二唑纖維為原料經以針刺加工制成的聚噁二唑濾料具有很好的耐高溫性，可連續在250℃以下溫度使用。聚噁二唑濾材在使用過程中，粉塵逐漸附著，形成濾餅，使聚噁二唑濾材的平均孔徑變小，過濾效果提高，一段時間后達到穩定狀態。

聚酰亞胺(P84)纖維纖維強度為4～5cN/dtex，伸長率5%～7%，模量10～12GPa，在300℃經100h后強度保持率為50%～70%，極限氧指數44，耐射線好；酮類共聚纖維具有近似中空的異形斷面，強度3.8cN/dtex，伸長率32%，模量35cN/dtex，密度1.41g/cm，沸水和250℃收縮率各小于0.5%和1%。聚酰亞胺纖維具有良好的力學性能、熱穩定性和低溫穩定性、優異的阻燃性和良好的過濾性能，其還具有優異的化學穩定性和電絕緣性能[26]，是耐高溫濾料的一個不錯選擇。由江蘇連云港奧神新材料股份有限公司生產的聚酰亞胺纖維已經在實際中得到應用，其聯合東華大學擁有自主知識產權，生產效率高，產品均勻性好。

玻璃纖維是一種性能優異的無機非金屬材料，種類繁多，優點是絕緣性強、抗腐蝕性好，機械強度高，但缺點是性脆，耐磨性較差。玻璃纖維濾料主要有機織布和針刺氈兩大類。玻璃纖維濾料能抵抗大部分酸，但不耐氫氟酸的腐蝕，室溫下的強堿及高溫下的中等堿性亦將侵蝕玻璃。玻璃纖維具有耐磨性和耐折性差等缺點，在使用過程中需要頻繁清灰而影響其使用壽命。國內外專家及企業開發出了玻璃纖維與其他耐高溫纖維復合的針刺濾料，這些濾料大大提高了玻璃纖維本身的過濾性能，但生產成本略有增加。國內目前已經研制出了超細玻璃纖維濾料，但其耐腐蝕性能、過濾效率有待進一步研究。

2　耐高溫濾料加工方式

2.1針刺

針刺是加固纖維網的一種常用機械方式，將通過梳理成網或氣流成網的纖維網(或在纖維網的中間加基布以提高強力)，經過針刺形成上下勾連、具有三維結構的濾料。由針刺制得的纖維氈為三維立體結構，所以具有較高的過濾效率和透氣性。同時，因纖維氈阻力低，過濾過程中阻力就增長緩慢。經過一定后整理后，纖維氈具有更高的捕集效率。同時，清灰能力也得到提高，得以廣泛應用，成為目前袋式除塵器濾料的主流[12]。

張再興等人將平紋機織布基層夾在纖維網中間，經針刺加固制備聚噁二唑耐高溫濾料。并對其熱性能、受熱形變性能、耐腐蝕性能以及孔徑分布和過濾性能進行研究。結果發現，制備的濾料具有很高的拉伸強度，經熱處理后，纖維表面不變形，在濾材中，纖維分布集中[13]。李兵濤等人將以PI機織布為中間層，兩側為PI纖維網經針刺加固制得的濾料為基體，經以聚四氟乙烯乳液與環氧樹脂為主的耐高溫水解整理液進行整理，再經預烘焙后，制得耐高溫水解的PI過濾材料。整理后的濾料強度有所提高，但是不太明顯。經過后整理的PI 過濾材料，纖維表面形成了一層含氟整理劑，形成保護層可以保護PI纖維，使PI纖維在高溫高濕下不易水解，并使過濾材料具有拒水拒油的性能[14]。

王錦等人將芳砜綸經梳理、鋪網和針刺工藝制備成纖維氈過濾材料，并注重研究了其尺寸穩定性和機械性能。芳砜綸纖維氈經過200h、250℃高溫處理后，縱向收縮率不超過0.25%，橫向收縮不超過0.32%，且其縱橫向清理功能都有明顯提高，隨著斷裂強力的提高，斷裂伸長率總體呈現下降的趨勢[15]。

余鵬程對玄武巖/PPS針刺熱軋復合濾料各項基本性能進行分析。結果表明：1)通過添加PPS纖維，經由共混制備的復合濾料中，纖維與纖維和纖維與基材間的纏結增加。濾料的縱橫向斷裂強力有明顯提高。2)隨著PPS在共混纖維中的重量百分比增加，玄武巖/PPS針刺復合濾料的孔隙率降低，孔徑分布趨于集中、均勻，從而使復合濾料的透氣量呈明顯下降趨勢。3)通過添加PPS纖維，針刺復合濾料對多種孔徑的顆粒過濾效率都得到有效提高，對粒徑10.0微米以上的顆粒過濾效率可達到93.47%[4]。

王玉欣分析了耐高溫針刺過濾材料玻璃纖維基布損傷機理，發現：隨著針刺深度和針刺密度的增加，基布清理損傷就越來越嚴重，前道針刺試樣透氣率與基布的結構的稀疏有很大關系。針刺道數變多時，針刺對表層纖維網影響較大，表層纖維網結構越來越緊密，試樣的透氣率基本不受基布的影響。當刺針針刺排列方向與布進方向的夾角為45°或者150°時，材料強力保持率最高。且該夾角對針刺材料的橫向強力影響較大，對縱向基布清理保持率影響較小，經過正反二道針刺后，基布強力保持在73%左右[16]。

針刺較適合于厚度較大、面密度為200g/m2的非織造布的加固。為了使制品的纖維間結合緊密、牢度高，目前都是采用針刺方式應用于濾料制造領域。但是，由于針刺機上帶鉤的磁針會帶動纖維網進行纏結，大量切斷的纖維和長絲，對基布形成不可避免的損傷，使濾料機械強度下降，從而使濾袋壽命下降。

2.2水刺

由于存在針刺對濾料損傷較嚴重的不足，研究人員開始研究水刺工藝制備濾料，與針刺相比，水針對纖維和基布損傷較小。采用水刺工藝加工過濾材料，水針穿透纖維網和基布后，在轉鼓表面形成反彈，在水針直接作用和反射水針的雙重作用下，表面更致密，能提升過濾效果[17, 18]。

王萍選擇玄武巖纖維與芳綸1313混紡比為50/50，采用氣流成網，水刺加固的方式制備耐高溫濾料。發現，因水刺壓強的增大，纖維與纖維纏結就越緊密，造成纖維網的透氣性、孔隙率降低。使孔徑變小，過濾效果提高。然而，隨著水壓的繼續增大，纖維會發生斷裂及解纏現象，出現較大孔隙，透氣率增大[17]。張強以PTFE平紋織物為基布，與PPS纖維網進行復合，經水刺加固制備耐高溫濾料。研究發現：在一定范圍內，濾料的體積密度隨著水剌壓力的增加而增加；濾料的透氣率、平均孔徑隨面密度的增加而下降，隨水刺壓力的增加而下降；濾料的斷裂強力隨面密度的增加而增加，與PTFE基布復合的濾料隨水剌壓力的增加而下降，相同條件下不與基布復合的濾料斷裂強力更高[19]。

翁美玲將PPS/PTFE纖網用水刺工藝覆蓋在經過預針刺“夾心層”結構的PPS纖網上，制得復合水刺濾料。通過實驗得出該新型濾料對粒徑為10微米以下的顆粒物過濾效率達到了90%以上，除塵效率較高。實驗測得，PPS/PTFE復合平均孔徑為8.08微米，最大孔徑為8.14微米，且孔徑分布均勻、密集，是一種優良的過濾材料[18]。

王璐研究和分析了芳綸水刺布在高溫條件下和酸堿腐蝕條件下的纖維網表觀結構、尺寸穩定、孔隙特征、力學性能等方面。發現：高溫處理后芳綸水刺非織造布表面略顯疏松，但并無纖維結構變化；酸堿溶液濃度低時，表觀結構變化不大，隨著濃度的增加，試樣纖維開始出現裂痕，纖維分布不再均勻[20]。

與針刺工藝相比，水刺工藝對纖維損傷相對較小，制得的纖維氈表面沒有針孔，且表面致密光滑，過濾效果好。然而，水刺一般適用于厚度和面密度不大的非織造布，而耐高溫濾料單位面積質量一般較大，纖維層較厚，若直接進行水刺加工，加固性能不佳，容易分層，造成水源和能源的浪費，一般做法是在水刺前先預針刺。在經過多道水刺及后整理，以獲得較好的非織造纖維氈。目前通過水刺工藝制備耐高溫濾料還處在起始階段，還不能通過單一的水刺工藝制備耐高溫濾料。

2.3其他加工方式

鮑穩采用紡粘法制備PPS過濾材料，利用毛細管流動孔隙測量儀和濾料綜合性能測試儀對不同計量泵轉數、牽伸氣流強度和鋪網速度下制備的試樣過濾性能研究結果表明：隨計量泵轉速的增加，過濾效率和平均孔徑無變化規律；隨氣流牽伸強度的增加，過濾效率增加，平均孔徑呈現出減小的趨勢；隨著鋪網速度的增加，對5μm以下微粒的過濾效率減小，對10μm以上微粒的過濾效率均比較高，但無變化規律，平均孔徑呈現增大的趨勢[21]。紡粘法僅適合可熔融的聚合物制備耐高溫濾料，而對于如玄武巖纖維和玻璃纖維等的加工不適合。

劉華等人以芳砜綸為原料，在芳砜綸機織格柵上復合靜電紡芳砜綸納米纖維，獲得增強三維復合過濾材料。所制備的復合濾料具有優良的力學性能，其孔隙的平均直徑為1164±242nm，對直徑0.5μm一下的粒子達到85%以上的過濾效率[22]。王成等人以N，N-二甲基乙酰胺/氯化鋰( DMAc /LiCl) 為溶劑溶解間位芳綸纖維，使用高壓靜電紡絲技術制備出直徑范圍為100-500 nm 的芳綸納米纖維氈，與聚苯硫醚( PPS) 針刺非織造材料復合后形成高溫超過濾材料。芳綸納米纖維氈具有良好的強度和耐高溫性能，復合纖維濾料對粒徑在0. 1- 0. 6 μm之間的超微粒子的過濾效率達到99. 9%，明顯高于普通PPS 非織造濾料的過濾效率( 70%) ，但PPS/納米芳綸復合高溫超過濾非織造布的壓降會隨著芳綸納米纖維膜厚度的增加而迅速下降，這是由于芳綸納米纖維膜中纖維尺寸和孔徑較小，才導致過濾時阻力明顯增加[2]。靜電紡法制備的納米纖維膜過濾效率確實很高，但是目前受靜電紡絲技術發展的限制還不能實現產業化生產，距實際應用還有一段距離。

3　耐高溫濾料后整理

后整理是制備耐高溫過濾材料工藝中非常重要的一環，它包括軋光、熱定型、乳液浸漬、燒毛、涂層等工藝。后整理技術可以保護濾料布免于遭受氣體的污染、粉塵和機械磨損，對過濾效率的提高有很大的幫助，還可以改善清灰性能。

黃學亮為了提高針刺濾料的空氣過濾效率，在其表面涂覆一層含有PTFE乳液和有機硅改性丙烯酸酯等構成的泡沫涂層，進行精細化處理。與普通濾料和覆膜濾料相比，泡沫涂層濾料的過濾效率優于普通濾料，過濾阻力小于覆膜濾料，在保證一定過濾精度的同時也降低濾料過濾阻力，實現了空氣過濾性能的優化[23]。

在高溫煙塵凈化方面，耐高溫濾料在一些工況下會發生水汽冷凝現象，在一些工況中還存在油性物質。無論是水還是油性物質會引起濾料板結，造成清灰困難。所以有必要對濾料進行拒水拒油處理。金平良選用P84、芳香族聚酰胺、PPS纖維，通過預針刺的纏結和水刺加固工藝將原料纖維加工成多孔高強低伸長的耐高溫濾料，水刺加固工藝中產生的褶皺有利于拒水拒油整理后產生荷葉效應；而后經PTFE乳液浸軋整理，得到拒水等級8級、拒油等級7級和淋水等級4級的濾料[24]。

余琴等人將納米SiO2/PTFE復合整理液應用于PPS 非織造材料后整理，能有效改善PPS 非織造材料的耐磨性，減小其孔徑，并提高過濾效率。可以通過調節二氧化硅含量來控制濾料的耐磨性和孔徑的變化[25]。

4　結束語

在社會和工業不斷發展過程中，傳統耐高溫濾料已經越來越不能滿足市場的需求，因此需要廣大科技工作者在現有材料的性能改善、新材料的研發和新的加工技術開發方面做出不斷的努力。

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1008-5580(2016)03-0136-05

2015-05-08

國家自然科學基金項目(51206122)

曾月寧(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：非織造耐高溫過濾材料的制備。

趙曉明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生導師。

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