開纖化水刺濾料的制備及關(guān)鍵技術(shù)研究*

1. 南京際華三五二一特種裝備有限公司，江蘇 南京 210000；2. 南京際華三五二一環(huán)保科技有限公司，江蘇 南京 211161

近幾年，我國霧霾問題突出，多地空氣重度污染且屢創(chuàng)新高，環(huán)境污染越來越嚴重。尤其是工業(yè)排放的PM2.5(細顆粒物)，對人們的呼吸系統(tǒng)、免疫功能、心血管系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等都會造成嚴重的危害。因此，減少PM2.5的排放，保護環(huán)境并保障人們的身心健康，刻不容緩。

當(dāng)前，國際公認的高效除塵、控制粉塵排放最有效的手段主要是袋式除塵技術(shù)，而濾料是其關(guān)鍵核心材料，它的性能優(yōu)劣決定了袋式除塵器的使用效果。因此，必須依靠技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)性能更加優(yōu)異的耐高溫濾料，這也是落實《中華人民共和國環(huán)境保護法》的重要體現(xiàn)[1-2]。

目前，國內(nèi)外普遍采用的耐高溫濾料是傳統(tǒng)的針刺濾料，但這種濾料由于刺針結(jié)構(gòu)及針刺加工技術(shù)等因素的影響，具有孔徑較大、過濾精度低、物理強度低等缺陷，不能較好地滿足PM2.5排放標準要求[3-4]。為了解決這一問題，開發(fā)了覆膜針刺濾料[5]。但覆膜針刺濾料在使用過程中，膜易破損，在含油或粉塵磨蝕嚴重的環(huán)境中，無法滿足實際應(yīng)用要求，不能根本性地解決問題。因此，研究更先進的技術(shù)，開發(fā)性能更好的產(chǎn)品，是濾料行業(yè)科研人員目前面臨的重要課題。

水刺加工技術(shù)利用高效、高壓水射流對纖網(wǎng)進行加固，它是一種柔性纏結(jié)技術(shù)，避免了針刺加工技術(shù)中帶鉤的刺針對基布及纖維的損傷問題，且可以用于纖維制品表面修飾，實現(xiàn)濾料表面精細化[6-8]。因此，利用水刺加工技術(shù)制成的濾料具有比針刺濾料更高的強力和更高的過濾效率，能更好地滿足PM2.5超凈排放要求。與針刺加工技術(shù)相比，水刺加工技術(shù)在纖網(wǎng)纏結(jié)效果、產(chǎn)品強力和過濾效率、節(jié)能減排等方面都體現(xiàn)出較大優(yōu)勢[9]。隨著水刺加工技術(shù)的不斷進步，以及人們對濾料性能要求的不斷提高，水刺加工技術(shù)將在工業(yè)除塵濾料行業(yè)得到更加廣泛的應(yīng)用。另一方面，聚四氟乙烯(PTFE)纖維經(jīng)水刺加工可出現(xiàn)“開纖化”現(xiàn)象，進一步提高水刺濾料的過濾性能，實現(xiàn)濾料的高效、低阻[10-11]。

因此，本文通過在纖網(wǎng)表層(迎塵面)共混一定比例的PTFE纖維，纖網(wǎng)經(jīng)預(yù)刺后進行水刺加固，制備了一種高強度、低損傷、高過濾效率的濾料，其在實際使用工況中的使用壽命和除塵效率均得到了提高，為今后的研究提供了理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

PTFE纖維(纖維長度51 mm，南京英斯瑞德高分子材料股份有限公司)；聚苯硫醚(PPS)纖維(纖維線密度2 dtex，纖維長度51 mm，日本東麗株式會社)；針刺濾料(南京際華三五二一環(huán)保科技有限公司制備)；常規(guī)水刺濾料(南京際華三五二一環(huán)保科技有限公司制備)。

1.2 試驗設(shè)備

WM2+2型雙梳雙鋪生產(chǎn)線(包括梳理機、鋪網(wǎng)機、牽伸機和預(yù)針刺機，歐瑞康，德國)，AquaJet水刺生產(chǎn)線(特呂茨勒，德國)，布魯克納熱定型設(shè)備(布魯克納，德國)，AFC-131型濾料測試臺(Topas，德國)，DVM 5000型超景深三維視頻顯微鏡(萊卡，德國)，YG026H型多功能電子織物強力機(溫州際高，中國)。

1.3 試驗方法

織物面密度、強度分別參照GB/T 4669—2008《紡織品 機織物 單位長度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測定》、GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》進行測試，濾料過濾性能參照GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》進行測試。

2 開纖化水刺濾料生產(chǎn)工藝流程

開纖化水刺濾料生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 開纖化水刺濾料生產(chǎn)工藝流程

2.1 開松梳理

將成包的PTFE纖維和PPS纖維原料開包、開松并混合(PTFE纖維和PPS纖維的質(zhì)量混合比為20 ∶80)，使壓縮的纖維分離成松散狀態(tài)，然后將纖維梳理成單獨的平直狀態(tài)，快速地匯聚成很薄且均勻的單層纖網(wǎng)，輸出至鋪網(wǎng)機內(nèi)。

2.2 預(yù)針刺

纖網(wǎng)經(jīng)鋪網(wǎng)機成形后，由牽伸機喂入預(yù)針刺機進行預(yù)針刺加工，使疏松的纖網(wǎng)具備一定的穩(wěn)定性和強力，否則纖網(wǎng)極容易松散而不便于后道加工。

2.3 水刺

將預(yù)針刺后的纖網(wǎng)通過水流進行連續(xù)噴射，使纖網(wǎng)中的纖維相互纏結(jié)，同時在水流噴射作用下，PTFE纖維發(fā)生開纖化現(xiàn)象。

2.4 后整理

后整理包括拒水防油處理、PTFE乳液浸漬、泡沫涂層等。根據(jù)產(chǎn)品使用工況不同，可采用不同的后整理工藝，以達到客戶要求。

3 性能表征

3.1 PTFE纖維微觀結(jié)構(gòu)

圖2所示為采用DVM 5000型超景深三維視頻顯微鏡(簡稱“顯微鏡”)對PTFE纖維(即未開纖)與濾料中經(jīng)過水刺開纖的PTFE纖維進行觀察(放大1 000倍)的結(jié)果。圖2(a)所示為未開纖PTFE纖維，可以看出，其由數(shù)十根甚至上百根單纖維組成，彼此之間相互纏結(jié)，呈集束狀。圖2(b)所示為開纖化PTFE纖維，可以看出，發(fā)生了開纖化，單絲之間有微小空隙，導(dǎo)致其面積增大，且單絲線密度小于1.0 dtex甚至達0.1 dtex以下，因而可在濾料表面形成致密的迎塵面，實現(xiàn)表層精密過濾，進而達到濾料高效、低阻的效果[12-13]。圖2表明在水刺過程中，水流將纏結(jié)在一起的PTFE纖維單絲沖散，形成較分散的狀態(tài)，同時證明了水刺能夠有效地使PTFE纖維發(fā)生開纖現(xiàn)象[14]。

(a) 未開纖PTFE纖維

(b) 開纖化PTFE纖維

3.2 濾料過濾性能

表1對比了三種濾料的過濾性能。其中，針刺濾料采用PPS纖維和PTFE纖維的混合物(兩種纖維的質(zhì)量混合比為20 ∶80)為原料，由針刺加工技術(shù)制備而成；常規(guī)水刺濾料采用PPS纖維為原料，由水刺加工技術(shù)制備而成；開纖化水刺濾料的表層采用PPS纖維和PTFE纖維的混合物(兩種纖維的質(zhì)量混合比為20 ∶80)為原料、底層采用PPS纖維為原料，由水刺加工技術(shù)制備而成。

從表1可知，在相同的面密度下，針刺濾料的過濾效率和粉塵剝離率分別為99.939%、75.78%，初始阻力(指潔凈濾料的阻力)和殘余阻力(指濾料經(jīng)粉塵噴吹后的阻力)分別為17、255 Pa；常規(guī)水刺濾料的過濾效率和粉塵剝離率分別為99.992%、85.68%，初始阻力和殘余阻力分別為22、162 Pa；開纖化水刺濾料的過濾效率和粉塵剝離率分別為99.996%、87.29%，初始阻力和殘余阻力分別為24、148 Pa。 由此表明，針刺濾料的過濾效率和粉塵剝離率最低，常規(guī)水刺濾料的過濾效率和粉塵剝離率次之，開纖化水刺濾料的過濾效率和粉塵剝離率最大，優(yōu)于前兩者。

表1 三種濾料的過濾性能對比

圖3所示為三種濾料的 VDI動態(tài)過濾性能測試結(jié)果(依據(jù)VDI 3926《評價可清潔濾料的標準測試方法》)，噴吹壓力1 000 Pa，噴吹次數(shù)30。

從圖3(a)、(b)可以看出，面密度相同時，針刺濾料完成30次噴吹的時間為17 347 s，遠遠少于常規(guī)水刺濾料完成30次噴吹的時間(42 588 s)，這說明常規(guī)水刺濾料的殘余阻力遠低于針刺濾料，其原因可能是常規(guī)水刺濾料中孔隙小，粉塵不易滲入濾料深層，表現(xiàn)為表層過濾。因此，常規(guī)水刺濾料比針刺濾料具有更高的過濾效率和更高的粉塵剝離率。

再比較圖3(b)、(c)，常規(guī)水刺濾料完成30次噴吹的時間為42 588 s，少于開纖化水刺濾料完成30次噴吹的時間(49 973 s)，這說明開纖化水刺濾料的殘余阻力低于常規(guī)水刺濾料，PTFE纖維開纖化可進一步降低濾料阻力，提高過濾效率，這在工程應(yīng)用中可體現(xiàn)出明顯的節(jié)能降耗效應(yīng)。

(a) 針刺濾料

(b) 常規(guī)水刺濾料

(c) 開纖化水刺濾料

圖4比較了三種濾料在30次噴吹中的運行阻力變化情況，可以看到，針刺濾料的運行阻力的上升速度最快，表明粉塵容易滲入濾料深層，因此濾料的清灰性能較差；常規(guī)水刺濾料和開纖化水刺濾料的運行阻力的上升速度較緩慢，后者又稍慢于前者，說明在纖網(wǎng)表層中混入一定比例的PTFE纖維，水刺后PTFE纖維會分裂成許多更細的纖維，即出現(xiàn)開纖化現(xiàn)象，可在濾料表面形成致密的迎塵面，實現(xiàn)表層過濾，減少粉塵滲入。

圖4 三種濾料在30次噴吹中的運行阻力變化情況

3.3 濾料的拉伸斷裂強力

圖5比較了三種濾料的拉伸斷裂強力，可以看出，相同面密度時，常規(guī)水刺濾料和開纖化水刺濾料的經(jīng)向和緯向拉伸斷裂強力均比針刺濾料高。水刺加工技術(shù)利用水流形成高密“水針”，使纖維互相柔性纏結(jié)，對纖維的損傷較小，基本實現(xiàn)“無損制氈”，所得制品的經(jīng)緯向拉伸斷裂強力較高。另一方面，常規(guī)水刺濾料和開纖化水刺濾料的經(jīng)緯向拉伸斷裂強力基本一致，說明開纖化不會影響濾料的拉伸斷裂強力。

圖5 三種濾料的拉伸斷裂強力

4 開纖化水刺濾料的應(yīng)用

自2012年開始，南京際華三五二一環(huán)保科技有限公司進行開纖化水刺濾料的研究，其間進行了中試和試生產(chǎn)，解決了產(chǎn)品質(zhì)量重現(xiàn)性、穩(wěn)定性等技術(shù)難題，并承擔(dān)了江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項資金項目“工業(yè)煙塵PM2.5控制用高密面層水刺濾料研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化(BA2012021)”，2014年底開始推廣應(yīng)用。

表2比較了針刺濾料和開纖化水刺濾料的實際應(yīng)用情況。開纖化水刺濾料已在燃煤發(fā)電、水泥等領(lǐng)域應(yīng)用，截至2015年，部分企業(yè)應(yīng)用近三年，大部分企業(yè)應(yīng)用超過兩年。應(yīng)用企業(yè)反映，開纖化水刺濾料的使用情況良好，所有應(yīng)用企業(yè)的粉塵排放濃度均低于15 mg/m3，絕大部分應(yīng)用企業(yè)的排放濃度低于10 mg/m3，運行阻力較針刺濾料下降 100 Pa以上，有些企業(yè)甚至下降200 Pa以上。

表2 針刺濾料和開纖化水刺濾料的實際應(yīng)用情況

從表2可見：

某某石油化工有限公司，于2015年5月投運開纖化水刺濾料，運行阻力和粉塵排放濃度分別從同年1月投運的針刺濾料的800～900 Pa、10～15 mg/m3下降為600～700 Pa、8～10 mg/m3；該公司有一臺410 t/h的鍋爐，其除塵凈化部分的年耗電量(不包含噴吹部分的壓縮空氣能耗)約40萬kW·h，節(jié)約了10萬kW·h左右。

某某熱電公司，于2014年12月在3號爐上使用開纖化水刺濾料，使用效果較好，與2015年2月在5號爐上使用的針刺濾料相比，前者的粉塵排放濃度減少了10 mg/m3，一臺鍋爐每年可減少7 t左右的粉塵排放質(zhì)量。

某某熱電廠，于2015年11月使用開纖化水刺濾料，運行阻力保持在500～700 Pa，粉塵排放濃度保持在10 mg/m3以下。

5 結(jié)論

(1) 相較于針刺濾料，開纖化水刺濾料中的纖維基本未受損傷，相互之間纏結(jié)得更加緊密，因此開纖化水刺濾料具有較高的拉伸斷裂強力，能夠更好地滿足實際工況要求。

(2) 在PPS纖維中混合PTFE纖維，并通過水刺加工技術(shù)制備濾料，其中的PTFE纖維產(chǎn)生開纖化現(xiàn)象。與針刺濾料和常規(guī)水刺濾料相比較，開纖化水刺濾料的過濾效率高而殘余阻力低。

(3) 經(jīng)過兩三年的應(yīng)用，證明了本文開發(fā)的開纖化水刺濾料的使用壽命長且安全穩(wěn)定，滿足了有關(guān)標準規(guī)定的粉塵排放要求，可有效減緩大氣污染，節(jié)約能耗，降低成本。