玄武巖基/玄武巖+軼綸復(fù)合針刺濾材的開發(fā)研究

何艷芬　陳雪善

摘要：濾料滿足在較高溫度工況條件下使用，能實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能環(huán)保。而能在300℃及以上高溫工況條件下使用，是現(xiàn)有袋式除塵濾料的技術(shù)瓶頸。本文以玄武巖長(zhǎng)絲格子布為基布，玄武巖短纖和軼綸（聚酰亞胺）短切纖維按一定比例共混纖維為濾料短纖原材，通過針刺加固工藝及浸漬定型后處理，開發(fā)出新型超耐高溫復(fù)合濾材。濾料經(jīng)300℃高溫處理后，剝離強(qiáng)度、迎面層拉伸強(qiáng)度保持率達(dá)95%左右，尺寸穩(wěn)定，具備在300℃高溫條件下長(zhǎng)期使用的要求。同時(shí)濾料具備較好的透氣性、對(duì)粒徑7um及以上的微顆粒物的過濾效率達(dá)95%及以上、容塵率接近100%。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；聚酰亞胺；軼綸；復(fù)合濾材

大氣污染是環(huán)境污染的一個(gè)重要方面，近年來中國對(duì)煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格。如何更加有效地減少煙塵和有害氣體的排放、節(jié)能減排，是環(huán)保領(lǐng)域一個(gè)重要的研究課題。袋式除塵是煙氣除塵的主要手段之一，而濾料是袋式除塵技術(shù)的核心，隨著煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格以及煙氣除塵環(huán)境的復(fù)雜化，對(duì)濾料的耐高溫性及在高溫條件下的性能保持性提出了更高要求，而現(xiàn)有市面濾料的最高耐溫性一般在260℃左右，能夠在300℃及以上高溫條件下長(zhǎng)期使用是國內(nèi)袋式除塵濾料的一個(gè)技術(shù)瓶頸。為此開發(fā)研究具有更高耐溫性且較好除塵效率的濾料具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和市場(chǎng)前景。

玄武巖纖維相比玻璃纖維具有更好的耐高溫水解性及耐酸腐蝕性，軼綸（聚酰亞胺）纖維熱分解溫度可達(dá)570℃，在300℃下能保持較好的力學(xué)性能，本文將采用高強(qiáng)高性能新型玄武巖纖維網(wǎng)格布為濾料基布，濾料迎面層和底層為短切軼綸纖維和短切玄武巖纖維針刺氈，通過針刺、定型等加工工藝，研究開發(fā)新型超耐高溫玄武巖基/玄武巖+軼綸纖維復(fù)合濾材。

1.實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：濾料基布為玄武巖長(zhǎng)絲網(wǎng)格布（威爾克工業(yè)紡織（嘉興）有限公司，纖度330 dtex，平方米質(zhì)量200 g/m2，經(jīng)緯密為20根/10cm），迎面層和底層采用短切軼綸纖維（長(zhǎng)春高琦聚酰亞胺材料有限公司，纖度2.22 dtex，長(zhǎng)度64 mm）和短切玄武巖纖維（江蘇天龍玄武巖科技有限公司，直徑11um），按1：2克重比均勻混合。PIW-15水性聚酰亞胺樹脂（慧智科技（中國）有限公司）。

實(shí)驗(yàn)儀器：S-4800掃描電子顯微鏡（日本日立公司）、HORIABA EX-250 X射線光電子能譜儀（日本株式會(huì)社堀場(chǎng)地制作所）、ZFT-2626-Ⅲ過濾效率測(cè)試儀（桐鄉(xiāng)市賽弗環(huán)保科技有限公司）、針刺熱軋聯(lián)合試驗(yàn)機(jī)組（常熟市偉成非織造成套設(shè)備有限公司）、YG026C織物拉伸強(qiáng)度儀（常州市第一紡織設(shè)備有限公司）、容塵率測(cè)試儀（浙江朝暉過濾技術(shù)股份有限公司）。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1玄武巖基/玄武巖+軼綸復(fù)合針刺濾材試制

采用針刺小樣試驗(yàn)機(jī)組，采用玄武巖長(zhǎng)絲網(wǎng)格布為濾材為濾材基布，迎面層和底層采用短切軼綸纖維和短切玄武巖纖維針刺氈，試制濾材，其工藝流程如下：

由于玄武巖纖維為無機(jī)纖維，開松梳理時(shí)玄武巖纖維與機(jī)械金屬之間易摩擦產(chǎn)生靜電，故玄武巖與軼綸纖維均勻混合后進(jìn)行加濕保濕處理。

1.2.2浸漬定型

普通濾材所用后處理劑是以丙烯酸樹脂為主要成分的浸漬劑，而丙烯酸樹脂的耐高溫性較差，溫度到達(dá)200℃時(shí)就開始出現(xiàn)碳化。本實(shí)驗(yàn)濾料所用纖維原料是表面光潔的圓柱實(shí)心的短切玄武巖纖維，為此選用耐高溫性較好的水性聚酰亞胺樹脂為浸漬定型劑。

浸漬定型劑中無需加入有機(jī)硅油而具有較好的滲透性，為了確定最佳粘結(jié)效果的后處理浸漬劑濃度，實(shí)驗(yàn)配置了樹脂固含量為2%、1%、0.5%的后處理浸漬劑，對(duì)濾料進(jìn)行浸漬烘干定型，分析并確定選擇最佳的浸漬劑濃度。

濾料經(jīng)過不同固含量的浸漬劑浸漬處理后，在190℃高溫的天然氣燃燒烘干環(huán)境中經(jīng)過8 min的烘干定型。

1.3濾料結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試分析

1.3.1玄武巖纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察

采用掃描電子顯微鏡對(duì)玄武巖纖維的表面形態(tài)及橫截面形態(tài)進(jìn)行觀察分析。

1.3.2強(qiáng)度測(cè)試

參照GB/T 3923.1-2013《紡織品織物拉伸性能》，對(duì)濾料迎面層與基層的剝離強(qiáng)度、迎面層針刺氈的拉伸斷裂強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，分析不同固含量比例浸漬劑對(duì)濾料定型處理的效果。

剝離強(qiáng)度：采用織物拉伸強(qiáng)度儀測(cè)試其剝離強(qiáng)度。試樣規(guī)格：15 cm×5 cm，每個(gè)規(guī)格試樣不少于4塊。

迎面層拉伸強(qiáng)度：將濾材片的底層針刺氈與基布分開，再將基布層與迎面層分開，用織物拉伸強(qiáng)度儀測(cè)試迎面針刺氈拉伸斷裂強(qiáng)力。試樣規(guī)格：15 cm×5 cm，每個(gè)規(guī)格試樣不少于4塊。

1.3.3耐高溫性測(cè)試

依據(jù)GB/T 6719-2009《袋式除塵技術(shù)要求》、HJ/T 324-2006（（環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求袋式除塵器用濾料》對(duì)濾料的過濾效率等進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)委托第三方專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)——上海標(biāo)檢產(chǎn)品檢測(cè)有限公司對(duì)濾料的耐高溫性進(jìn)行了檢測(cè)分析，檢測(cè)報(bào)告編號(hào)：ST185717。

a）拉伸強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率

根據(jù)GB/T 3923.1-2013《紡織品織物拉伸性能第1部分?jǐn)嗔褟?qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》，測(cè)試300℃持續(xù)處理3 h候前后迎面針刺氈拉伸斷裂強(qiáng)度。樣品寬度：50 mm。

b）剝離強(qiáng)度

根據(jù)FZ/T 80007.1-2006（（使用粘合襯服裝剝離強(qiáng)力測(cè)試方法》，測(cè)試300℃持續(xù)處理3 h候前后迎面層針刺氈與基布的剝離強(qiáng)度。樣品寬度2.54 cm（1英寸）。

c）熱收縮性測(cè)試

將經(jīng)過2%樹脂固含量浸漬定型的濾料，剪切成尺寸為5 cm×15 cm試樣，在寬度方向平行劃上橫線，精確測(cè)量其長(zhǎng)度并記錄，然后將濾材片放人馬弗爐中在320℃高溫下進(jìn)行熱處理3 h，觀察其尺寸變化情況，根據(jù)公式D0=（L0-L1）/L1計(jì)算熱收縮率。

1.3.4過濾性能測(cè)試分析

a）透氣性能

用織物透氣測(cè)試儀分別測(cè)試濾料試樣的透氣性能，壓差200 Pa。試樣規(guī)格：20 cmX 20 cm，試樣不少于3塊。

b）阻力及過濾效率

用過濾效率測(cè)試儀測(cè)試迎面針刺氈片的阻力和過濾效率，測(cè)試條件：風(fēng)速15 cm/s，阻力30 Pa。試樣規(guī)格：20 cmX 20 cm，每個(gè)規(guī)格試樣不少于4塊。

c）容塵率

用容塵率測(cè)試儀測(cè)試迎面針刺氈片的容塵率，測(cè)試條件：風(fēng)速30 cm/s，粉塵：325目的滑石粉，初始阻130 Pa，結(jié)束阻力3 000 Pa。試樣規(guī)格20 cm×20 cm，每個(gè)規(guī)格試樣不少于4塊。

2.結(jié)果與討論

2.1玄武巖纖維表面形態(tài)觀察

采用掃描電子顯微鏡對(duì)玄武巖纖維的表面形態(tài)及橫截面形態(tài)進(jìn)行觀察分析。如圖1所示，未改性的玄武巖纖維縱向表面光潔，橫截面為圓形。

2.2表面改性后玄武巖纖維光電子能譜圖

圖2為玄武巖纖維經(jīng)過KH550表面改性處理后的XPS分析圖。

由圖2可知，玄武巖纖維經(jīng)過偶聯(lián)處理后，其表面的硅元素和偶聯(lián)劑中的硅元素通過化學(xué)作用生成了新的Si-O-Si鍵，在纖維表面形成薄膜并覆蓋。偶聯(lián)劑一端親無機(jī)，一端親有機(jī)，能夠在無機(jī)玄武巖纖維與有機(jī)基料之間架起橋梁，改善兩者之間結(jié)合性。

2.3浸漬定型處理后濾料表面形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)經(jīng)過不同固含量浸漬后處理劑定型處理的濾料進(jìn)行表面形貌觀察，如圖3所示。

從濾料電鏡照片可以看出，在浸漬劑樹脂固含量為2%時(shí)，對(duì)濾料纖維起到了較好的粘結(jié)效果。

2.4復(fù)合濾材強(qiáng)度分析

圖4為固含量對(duì)濾料迎面層與基層剝離強(qiáng)度的影響，圖5為固含量對(duì)濾料迎面層拉伸強(qiáng)度的影響。從圖4、圖5可以看出，濾材的剝離強(qiáng)度和迎面層拉伸強(qiáng)度隨著固含量的增加有所增加，固含量2%時(shí)，剝離強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度處于最佳值。

結(jié)合濾料表面觀察和濾料的剝離強(qiáng)度及迎面層拉伸強(qiáng)度情況，選取后處理浸漬劑樹脂固含量為2%。

2.5復(fù)合濾材耐高溫性分析

2.5.1拉伸強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率

表1為濾料迎面層針刺氈?jǐn)嗔褟?qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)，如表1所示，濾料經(jīng)過300℃、3 h持續(xù)高溫處理后，迎面層針刺氈?jǐn)嗔褟?qiáng)度保持率在92%及以上。

2.5.2剝離強(qiáng)度

表2為濾料迎面層和基層剝離強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)。如表2所示，濾料經(jīng)過300℃、3 h持續(xù)高溫處理后，迎面層針刺氈與基布的剝離強(qiáng)度保持率達(dá)91.5%及以上。

2.5.3熱收縮性

表3為濾料高溫收縮性測(cè)試數(shù)據(jù)。如表3所示，濾材經(jīng)過320℃高溫3 h處理后，濾材平均尺寸變化率低于1%，說明在高溫條件下，濾材的尺寸穩(wěn)定性保持較好。

2.6過濾性能

2.6.1透氣性能

表4為濾料透氣量透氣率測(cè)試數(shù)據(jù)。如表4所示，復(fù)合濾料具有較好的透氣性能。

2.6.2復(fù)合濾料過濾效率及容塵率

濾料對(duì)顆粒直徑7.0～10.0um的顆粒物的過濾效率達(dá)到96%。對(duì)325目的滑石粉容塵量為358g/m2，容塵率99.99%，容塵率幾乎是100%，效果較好。

3.結(jié)論

以玄武巖纖維方格布為基布、玄武巖短切纖維與軼綸短纖按一定克重比例混合作為濾料上層針刺氈的纖維原材、經(jīng)水性聚酰亞胺樹脂浸漬定型處理開發(fā)的新型耐高溫針刺復(fù)合濾料具備在300℃及以上高溫工況條件下長(zhǎng)期使用要求，該濾料具有較好的透氣性能，對(duì)粒徑7um及以上的微顆粒物的過濾效率達(dá)到96%及以上，容塵率幾乎100%。