PTFE針刺過濾材料粉煤灰整理工藝及其制品性能研究

劉樹森 湯大寧 王洪云 李素英

1．南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通226019；

2．南通新綠葉非織造布有限公司，江蘇 南通226019

近年，空氣質量的惡化使得我國出現了大范圍的霧霾天氣。目前，空氣過濾是解決空氣污染最有效的一種處理方式。PTFE纖維是目前最為穩定的耐化學腐蝕和耐高溫的纖維材料之一[1]。PTFE針刺氈采用針刺工藝，通過摩擦、抱合或粘合等作用將隨機排列的纖維組合在一起，具有力學性能好、孔隙率大、透氣性好、耐腐蝕性佳、使用壽命長等特點，已被廣泛應用于各領域。PTFE纖維為膜裂纖維，其是以PTFE為原料，通過紡絲或制成薄膜后，通過切割或原纖化工藝制得的一種合成纖維，故該纖維的細度不均勻，這在很大程度上影響了針刺氈的均勻性，加之所形成的纖網孔徑尺寸差異較大，且分布隨機，這導致其針刺氈對顆粒物的過濾效率不高。常規的PTFE濾料對PM2.5的過濾效率僅在50.0%～64.0%[2]。

粉煤灰是從燃煤煙氣中收集到的一種優良的固體顆粒物，一般有灰白色、灰色、黃褐色和黑色等顏色，且顏色越淡，燃燒越完全，變異程度越高，其中的漂珠含量也越高。漂珠是一種具有質輕、表面光滑、導熱系數小、強度高等特性的微態粉煤灰空心球[3]，成分為惰性，具有很好的耐化學腐蝕性能。

空氣過濾器在形成濾餅的階段，過濾效率不斷提高，因此，盡可能縮短濾餅形成時間及延長濾餅作用時間，是空氣過濾器的一個發展方向。本試驗將以PTFE針刺氈為原料，利用含粉煤灰的整理劑對PTFE針刺氈進行后整理，制備粉煤灰PTFE針刺氈，使粉煤灰在材料表面形成濾餅預敷層，既能保持PTFE耐高溫高壓、耐腐蝕等特性，又能夠有效延長過濾器的使用壽命，增強過濾器的使用性能。

1 試驗

1.1 原料及藥品

粉煤灰，灰白色(國外煤燒結而成)和黃褐色(國內煤燒結而成)，上海集大實業有限公司；聚四氟乙烯(PTFE)乳液，浙江巨化股份有限公司；PTFE針刺氈，具體規格及性能見表1；無水乙醇、吐溫80，南通鏈集化工有限公司；硅烷偶聯劑，河南永佳化工產品有限公司；1227軟化劑，浙江贊宇科技股份有限公司。

表1 試驗所用PTFE針刺氈具體規格及性能

1.2 主要設備

三峰牌電子秤(上海升亮電子科技有限公司)、HJ-5型多功能恒溫攪拌器(金壇市榮華儀器制造有限公司)、GZX-GF-101AB-2型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海華聯環境試驗設備公司恒昌儀器廠)、DZF-6090型真空干燥箱(上海三發科學儀器有限公司)、WDW-1200型微機控制電子萬能試驗機(濟南勝工萬能試驗機有限公司)、KYKY-2800型掃描電鏡儀(北京中科科儀技術發展有限責任公司)。

1.3 樣品制備

1.3.1 整理劑的制備

向蒸餾水中加入不同質量的粉煤灰，并加入質量分數分別為20%的PTFE乳液、2%的吐溫80、2%的無水乙醇、1%的1227軟化劑和1%的硅烷偶聯劑，配置粉煤灰質量分數分別為10%、20%及30%的整理劑，并將配好的整理劑在磁力攪拌器下攪拌3 min，待用。其中，PTFE乳液作為表面活性劑，能促使粉煤灰黏附到PTFE纖維上；同時，PTFE乳液會在濾料表面復合上一層致密又透氣的PTFE涂層，改善表面平整度，提高濾料的清灰性能。

1.3.2 后整理

將PTFE針刺氈平整地放入不銹鋼浸漬盆中，將預先配置好的整理劑均勻地倒在針刺氈表面。利用軋車進行軋壓，使整理劑快速地滲入材料內部。軋車壓強設為0.2 MPa。軋壓過的PTFE針刺氈先在真空干燥箱中烘10 min，然后在電熱恒溫鼓風干燥箱中230 ℃烘10 min，取出后即得粉煤灰PTFE針刺氈。其中，230 ℃的鼓風烘干不僅能使軋壓過的PTFE針刺氈烘干固結，還能令粉煤灰顆粒在PTFE針刺氈上做局部的熱運動，從而形成致密的濾餅。

1.4 性能表征

1.4.1 粉煤灰粒徑

采用KYKY-2800型掃描電鏡儀觀察并測量粉煤灰的粒徑大小，統計其粒徑分布情況。

1.4.2 面密度

參照FZ/T 60003—1991《非織造布單位面積質量的測定》，測量PTFE針刺氈粉煤灰整理前后的面密度。

1.4.3 過濾效率

參照GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術要求》，選用TOPAS AFC 131濾料測試臺，測試PTFE針刺氈粉煤灰整理前后的過濾效率。測試方法：利用計數法原理，對光學粒子計數器配置切換閥，通過切換濾料上下游氣溶膠采樣，測定濾料0.20～2.00 μm的分級過濾效率。

1.4.4 透氣性

參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，采用YG(B)461E型數字式織物透氣性能測定儀，測試PTFE針刺氈粉煤灰整理前后的透氣率。測試方法：試樣測試面積為40 cm2，壓差為200 Pa，每塊試樣隨機測試10個不同位置，透氣率結果取平均值。

1.4.5 耐腐蝕性能

參照GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術要求》進行耐腐蝕性測試。濾料的耐腐蝕性以濾料經酸、堿溶液浸泡后的斷裂強力保持率表示。先在粉煤灰PTFE針刺氈上隨機剪取3塊500 mm×400 mm尺寸的濾料試樣。再將第1塊不做任何處理；第2塊浸在質量分數為60%的H2SO4溶液中，85 ℃水浴加熱24 h；第3塊浸在質量分數為40%的NaOH常溫溶液中，24 h后取出，清水沖洗后放入溫度為100 ℃的鼓風干燥箱中烘2 h。最后，3塊試樣及未整理的PTFE針刺氈(簡稱“PTFE針刺素氈”)按照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)》，測定縱橫向斷裂強力，并計算縱橫向斷裂強力保持率。

2 測試結果與分析

2.1 粉煤灰原料的選擇

對灰白色和黃褐色的粉煤灰進行粒徑分析，結果如圖1所示。從圖1可以看出：灰白色粉煤灰的粒徑主要分布在5.0～6.0 μm，其次是在3.0～4.0 μm，粒徑4.0～5.0 μm和8.0～9.0 μm的粉煤灰占比也較大，總體而言灰白色粉煤灰的粒徑分布范圍廣且粒徑范圍不集中，粒群整體的差異性大，平均粒徑在8.0 μm左右；黃褐色粉煤灰的粒徑主要分布在2.0～3.0 μm，該尺寸有利于黃褐色粉煤灰快速進入PTFE針刺氈內部，有效填充PTFE針刺氈內部細小的孔隙。此外，粒徑越小，粉煤灰的比表面積越大，吸附能力越好，越能大幅提高PTFE針刺氈對PM2.5的截留能力，進而提高過濾效率。故本文選擇黃褐色粉煤灰制備整理劑。

圖1 粉煤灰粒徑分布

2.2 粉煤灰質量分數對PTFE針刺氈面密度的影響

如圖2所示，與PTFE針刺素氈相比，粉煤灰PTFE針刺氈面密度都有大幅增加，且整理劑中粉煤灰質量分數越大，粉煤灰PTFE針刺氈面密度越大，這與更多的粉煤灰黏附在PTFE針刺氈上并在內部纖維孔隙中結塊有關。

圖2 整理劑中粉煤灰質量分數對PTFE針刺氈面密度的影響

2.3 粉煤灰質量分數對PTFE針刺氈過濾效率的影響

對PTFE針刺氈粉煤灰整理前后進行過濾效率測試，整理劑中粉煤灰質量分數對PTFE針刺氈過濾效率的影響如圖3所示，其中圖3b)單獨展示了粉煤灰PTFE針刺氈對粒徑在0.75～1.00 μm的顆粒物的過濾效果。

圖3 整理劑中粉煤灰質量分數對PTFE針刺氈過濾效率的影響

從圖3a)可以看出，粉煤灰PTFE針刺氈對顆粒物的過濾效率大于PTFE針刺素氈，對粒徑小于0.75 μm的顆粒物過濾效率較PTFE針刺素氈提升尤為明顯。這與粉煤灰顆粒粒徑小、含有多孔玻璃體、比表面積大且有一定的活性基團有關。

從圖3b)可以看出，粉煤灰PTFE針刺氈對粒徑在0.75～1.00 μm的顆粒物的過濾效率都在99.5%以上，其中整理劑中粉煤灰質量分數為20%和30%時，過濾效率高達99.9%。這歸因于PTFE纖維是膜裂纖維，多數纖維以一根相對粗的纖維為骨干，繼而分裂出很多更細的纖維。這種結構大大增加了PTFE針刺氈的孔隙率，提高了粉煤灰嵌入PTFE針刺氈內部的概率，促進了粉煤灰在PTFE纖維孔隙中結塊成膜，PTFE針刺氈中孔隙率減少、孔徑尺寸降低，過濾效率提高。

2.4 粉煤灰質量分數對PTFE針刺氈透氣性能的影響

圖4反映了粉煤灰整理前后PTFE針刺氈的透氣率。從圖4可以看出，與PTFE針刺素氈相比，粉煤灰PTFE針刺氈透氣率明顯下降，這歸因于粉煤灰顆粒集聚在纖維間的孔隙中，堵塞或縮小了孔隙，進而影響了氣流的流動。結合圖3可知，透氣率與過濾效率成負相關，孔隙率和孔徑減小，過濾效率提高。

圖4 粉煤灰質量分數對PTFE針刺氈透氣率的影響

綜合以上試驗數據，并考慮實際生產應用中過濾氈面密度越大，安裝越困難的狀況，確定整理劑中粉煤灰最優質量分數為20%。該條件所得粉煤灰PTFE針刺氈面密度適中、過濾效率高、透氣性好。

2.5 濾料耐腐蝕性能

PTFE針刺氈主要用于電廠、化工、冶金、鋼鐵等行業。這些行業產生的工業廢氣中含有二硫化碳、硫化氫、硫酸、氮氧化物、氟化氫、一氧化碳等腐蝕性氣體[4-5]，故要求濾料具有優良的耐腐蝕性。

本文選擇對粉煤灰質量分數為20%的整理劑整理的PTFE針刺氈進行耐腐蝕性能測試，并與PTFE針刺素氈做比較，結果見表2。從表2可以看出：粉煤灰PTFE針刺氈的縱橫向力學性能均有所改善，這與PTFE乳液在纖維表面形成了一層堅固的保護層，且粉煤灰吸附在PTFE針刺氈內部孔隙中，PTFE針刺氈面密度增加，纖維滑移的空間減少，纖維之間的摩擦力增加有關；相較于未酸堿處理的粉煤灰PTFE針刺氈，酸堿處理后粉煤灰PTFE針刺氈的斷裂強力保持率仍都在88%以上，這歸因于PTFE纖維及PTFE乳液的耐強酸強堿特性，PTFE乳液會在PTFE纖維表面形成保護層，進一步提高PTFE針刺氈的耐腐蝕性。酸堿處理后的粉煤灰PTFE針刺氈和PTFE針刺素氈相比，斷裂強力仍有提高，表明粉煤灰整理工藝對PTFE針刺氈的強力指標是有利的，其可作為提高PTFE濾料力學性能的一種方法。

表1 PTFE針刺氈斷裂強力及斷裂強力保持率

表2 酸堿處理后的PTFE針刺氈的分級過濾效率 (%)

3 濾料的耐腐蝕性與過濾效率的關系

對酸堿腐蝕過的粉煤灰PTFE針刺氈及PTFE針刺素氈做分級過濾效率測試，結果見表3。

從表2可以看出：

(1) 粉煤灰PTFE針刺氈經酸堿處理后，過濾效率較酸堿處理前均小幅度增加。這是因為粉煤灰內還含有許多非空心的微珠，H2SO4會在一定程度上腐蝕微珠表面，使微珠的比表面積增加，同時還會對粉煤灰中的玻璃體有一定的腐蝕作用，致使其表面變得不平整，這都在一定程度上提高了吸附能力；NaOH對硅酸玻璃相的腐蝕性比較強，它會和粉煤灰發生化學反應溶出Si，形成硅膠，且在強堿的作用下，從粉煤灰中溶出的Si和Al會在適當的溫度下轉化成沸石，而沸石具有很強的吸附能力。

(2)PTFE針刺素氈酸堿處理后的過濾效率較酸堿處理前提高，這可能是源于PTFE紡絲過程中存在雜質，導致酸堿處理過程中纖維表面發生了腐蝕或其他輕微的化學反應，但也可能是試驗過程存在誤差。

4 結論

通過研究整理劑中粉煤灰質量分數對PTFE針刺氈各方面性能的影響得出：粉煤灰質量分數越高，所得粉煤灰PTFE針刺氈面密度越大，過濾效率越高，但透氣性能越差，故確定整理劑中粉煤灰最佳質量分數為20%；經過粉煤灰質量分數為20%的整理劑整理后，所得粉煤灰PTFE針刺氈過濾效率高達到99.9%，力學性能增加，與PTFE針刺素氈相比縱橫向斷裂強力保持率分別達到123%和119%，且在酸堿環境中仍然能夠保持良好的力學性能和小幅增加的過濾性能。