煙氣凈化用濾料表面改性及其性能

劉娜 陳香云 張永鋒 呂文靜 焦志穎

摘 要：為改善過濾材料的使用性能，滿足焦化廠除塵工況的使用要求，選用聚四氟乙烯乳液對玄武巖針刺濾料（X）、氟美斯針刺濾料（F）、玄武巖與氟美斯復合針刺濾料（XF）進行表面改性，并根據相關標準對濾料改性前后的熱學性能、耐氧化性能、抗靜電性能進行了測試。結果表明：3種濾料表面改性前后均為放熱反應，表面改性前后熱分解外推起始溫度均在350℃左右，焦爐煙氣平均溫度在230℃，均高于使用溫度，符合使用要求;經氧化劑處理，3種濾料表面改性后斷裂強力損失率均值較小，說明抗氧化性能改善;表面改性前X濾料的感應靜電等級為A級、F濾料的感應靜電等級為A級、XF濾料的感應靜電等級為C級，表面改性后X濾料、F濾料、XF濾料的感應靜電等級均為B級。

關鍵詞：針刺濾料;表面改性濾料;表面改性;熱學性能;耐氧化性能;抗靜電性能

中圖分類號：TS176

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2022）01-0162-07

Abstract： In order to enhance the properties of filter material and meet the requirements of dust removal in coking plant， this study uses PTFE emulsion to modify the surface of basalt needle-punched filter material （X）， the FMS needle-punched filter material （F）， the basalt and FMS needle-punched filter material （XF）. According to relevant standards， thermal properties， oxidation resistance and antistatic properties of the filter material before and after the modification are tested. The results show that three kinds of filter materials are all exothermic reactions before and after surface modification. The extrapolated initial temperatures of thermal decomposition before and after surface modification are about 350℃， the average temperature of coke oven flue gas is 230℃， all higher than the operating temperature， which meets the requirements for use. After oxidant treatment， the average loss rate of breaking strength of three filter materials is small after surface modification， indicating that the oxidation resistance has been improved. Before surface modification， the induction electrostatic level is A for X filter material， A for F filter material， C for XF filter material， and B for X filter material， F filter material， and XF filter material after surface modification.

Key words： needle-punched filter material; surface modified filter material; surface modification; thermal properties; oxidation resistance; antistatic properties

隨著工業的日益進步，為控制工業煙氣細顆粒物，實現超低排放，布袋除塵器在鋼鐵行業、水泥行業、垃圾焚燒等工業領域的使用占比為90%及以上，應用極為廣泛[1-2]。作為工業除塵器的核心材料，濾料對打贏污染防治攻堅戰發揮著舉足輕重的作用。目前，關于濾料的研究主要圍繞濾料材質、織物結構、表面處理技術3個方面。根據使用環境的溫度可選擇不同材質的單一濾料或者復合濾料。對于滌綸濾料、聚苯硫醚濾料、玄武巖濾料的性能研究較多[3-8]，對于氟美斯濾料[9]、玄武巖與氟美斯復合濾料的研究相對較少。濾料的結構可分為機織濾料和非織造濾料，由于針刺濾料呈立體結構，孔徑小、阻力低，是發展最快、應用最廣的濾料[10-11]。但是，實際工況環境苛刻復雜，大部分濾料在溫度高、濕度高和腐蝕強的條件下不能保持其基本性能[12]，直接影響濾料的應用范圍和使用壽命。因此，為滿足不同使用環境對濾料提出的差別化與功能化的要求，從提高濾料捕集效率、增加強度、延長使用壽命、降低生產成本的角度出發，探索分析不同種類濾料的后整理工藝和性能差異[13-14]。后整理方式包括拉幅定型、燒毛、熱熔延壓、浸漬、涂層、覆膜，前3種方式可改善濾料的表面平整度，利于清灰，提高收塵率。后3者是現今應用較為廣泛的后處理方式，采用浸潤劑對濾料進行處理，或是在整理液中加入發泡劑形成一定質量的泡沫施加到濾料表面，亦或是通過在纖維的表面以及纖維與纖維之間形成不連續的薄膜，改善濾料氈體的結構[15-17]。采用不同后處理方式對濾料進行處理，可有效提高濾料的實際應用性能，滿足使用需求。

本文運用聚四氟乙烯乳液改性玄武巖針刺濾料（X）、氟美斯針刺濾料（F）、玄武巖與氟美斯復合針刺濾料（XF），探究改性對不同種類濾料的熱學性能、耐氧化性能和抗靜電性能等方面的影響，實現濾料的合理開發和利用，促進綠色長久發展，對保護環境方面具有十分重要的實際應用意義。

1 實 驗

1.1 材料與儀器設備

實驗所需材料與儀器設備如表1、表2所示。

1.2 實驗方法

1.2.1 試樣準備

將濾布裁剪成 25cm×5cm 試樣后，使用超聲波清洗器對試樣進行清洗，電功率為 300 W，頻率 40 kHz，超聲清洗時間為 10 min。

1.2.2 整理液制備

將硅烷偶聯劑加入盛有 20 mL 去離子水的燒杯中，并取一定質量分數的 PTFE 乳液倒入燒杯，加入聚乙烯醇、聚乙二醇固體粉末（質量比為 12∶1∶1），去離子水配制整理液總體積為 200 mL，將盛有整理液的燒杯放置在磁力攪拌器中 1000r/min，攪拌 1h，溫度 80℃。

1.2.3 表面改性整理

把準備好的濾布放入整理液中，將燒杯放入恒溫水浴鍋中，浸漬 3 h后取出并去除多余整理液，同時進行熱壓處理，溫度 200℃，時間 10 s，壓力 0.3～0.4MPa。

1.3 性能測試與表征

1.3.1 熱學性能測試

使用 STA 449F5 熱重分析儀進行 TG-DTG 測試。將濾料剪成粉末狀，稱取一定量的樣品置于坩堝內。測試條件：從室溫至 1400℃，在空氣氣氛下，氣體流量 40 mL/min，升溫速率 10℃/min。

1.3.2 耐氧化性能測試

根據濾料的基本性質，模擬工況溫度，分別設置不同時間、采取氧化劑氧化的方法對濾料進行處理，以斷裂強力損失率表示抗氧化性能的優劣。參照 GB/T 24218.3-2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》，使用 YG（B）026SH 型電子織物強力機測試濾料的斷裂強力。測試條件：樣品的加持距離為 20cm，拉伸速度為 100mm/min，測試次數 3 次。

1.3.3 抗靜電性能測試

參照 GB/T 12703-2008《紡織品 靜電性能的評定 第1部分：靜電壓半衰期》，使用 YG（B）324E 型織物感應式靜電測試儀進行靜電壓半衰期測試。將濾料裁剪為尺寸 45mm×45mm 的試樣，其與針形電極的間距 20mm;測試探頭與試樣間的測量距離 15mm;電源電壓 220 V/50Hz，轉盤轉速 1500 r/min，放電時間 30 s，溫度 （20±2）℃，相對濕度 30%～40%，環境風速 0.1 m/s 以下。測量次數 3 次。

2 結果與討論

2.1 改性前后針刺濾料的熱學性能對比

2.1.1 X濾料

表面改性前和表面改性后X濾料的 TG-DTG 曲線，如圖 1所示。從室溫開始分別至 60、73℃，有一段微量的初失重，殘余物率為 98.76%、99.30%，溫度至 200℃ 幾乎沒有質量和能量的變化。試樣在此期間的失重主要是由于吸附水分的釋放、試樣內殘留溶劑的揮發。逐漸升溫，外推起始溫度分別為 364、356℃，殘余物率 94.97%、95.84%，此時纖維的高分子鏈段開始出現斷裂，隨后失重速率加快，溫度達到 423℃ 和 421℃ 出現 DTG 極小值點，達到最大失重速率并伴隨明顯的吸收峰。外延終止溫度分別為 495、492℃，試樣殘余物率分別為 83.77%、86.27%。800℃ 試樣殘余物率分別為 83.07%、85.81%，1100℃試樣殘余物率分別為 83.42%、85.82%。

2.1.2 F濾料

表面改性前和表面改性后 F 濾料的 TG-DTG 曲線，如圖 2所示。隨著溫度升高，試樣的質量幾乎保持不變，表面改性前和表面改性后試樣在 200℃ 時殘余物率分別為 99.69%、99.68%，這是由于樣品中殘留的一些水分會隨著溫度的升高慢慢蒸發，所以 TG 曲線的前段會出現緩慢下降的趨勢，曲線斜率的大小與樣品中殘留水分的多少有關;隨溫度進一步升高，下降速率最快，最大失重速率溫度分別為 419、421℃，此時試樣殘余物率分別為 94.16%、89.00%;隨著溫度的繼續升高，分解過程持續一段時間，當升高到外延終止溫度分別為 532、533℃，樣品質量的下降速度變緩，逐漸趨近于水平，試樣殘余物率分別為 87.83%、78.95%。800℃試樣殘余物率分別為 87.20%、77.91%，1100℃試樣殘余物率分別為 86.91%、77.53%。

2.1.3 XF濾料

表面改性前和表面改性后 XF 濾料的 TG-DTG 曲線，如圖 3所示。隨溫度升高，試樣的質量幾乎保持不變，表面改性前和表面改性后試樣在 200℃ 時殘余物率分別為 99.34%、99.38%，這是由于樣品中殘留的一些水分會隨著溫度的升高慢慢蒸發，所以 TG 曲線的前段會出現緩慢下降的趨勢，曲線斜率的大小與樣品中殘留水分的多少有關;隨溫度進一步升高，下降速率最快，最大失重速率溫度分別為 421、420℃，此時試樣殘余物率為 87.50%、88.51%。隨著溫度的繼續升高，由圖3（a）所示，表面改性前 XF 濾料在549、661℃，反應速率有變化。分解過程持續一段時間后，樣品質量的下降速度變緩，逐漸趨近水平。800℃試樣殘余物率分別為 69.04%、77.17%，1100℃試樣殘余物率分別為 68.49%、76.71%。

在濾料的實際應用中，焦化煙氣的平均溫度在230℃，但由于實際工況存在溫度波動的情況，會對濾料造成短時間的高溫沖擊，這就要求濾料具有更好的耐溫穩定性，否則會直接影響濾料的使用壽命。3種濾料的 TG-DTG 特征參數如表 3 所示。表面改性前后X濾料的熱分解外推起始溫度分別為364、356℃;表面改性前后F濾料的外推起始溫度分別為351、356℃;表面改性前后XF濾料的外推起始溫度分別為355、351℃，熱分解外推起始溫度均高于使用溫度，符合使用要求。表面改性前后X濾料最大失重速率溫度分別為423、421℃。表面改性前后F濾料最大失重速率溫度分別為419、421℃。表面改性前后XF濾料最大失重速率溫度分別為421、420℃。總體來說，表面改性對3種濾料的特征參數影響不大，進一步說明表面改性前后濾料的熱轉變過程較為穩定。

2.2 改性前后針刺濾料的耐氧化性能對比

采用高錳酸鉀（質量濃度 2 g/L）作為氧化劑對濾料進行氧化處理，分別處理 0、2、4h和6h，烘干測得斷裂強力和斷裂伸長率，如表 4 所示。表面改性前 X 濾料未經處理時的斷裂強力 875.68 N，處理 2h 的強力損失率為 3.20%;處理 4h 的強力損失率為9.25%;處理 6h 的強力損失率為 14.38%。表面改性后 X 濾料未經處理時的斷裂強力876.34 N，處理 2h 的強力損失率為 2.27%;處理 4h 的強力損失率為 8.11%;處理 6h 的強力損失率為 10.46%。表面改性前F濾料未經處理時的斷裂強力 716.53N，處理 2h 的強力損失率為 8.95%;處理 4h 的強力損失率為 16.06%;處理 6h 的強力損失率為 24.88%。表面改性后F濾料未經處理時的斷裂強力 822.81N，處理 2h 的強力損失率為 6.69%;處理4h 的強力損失率為 15.32%;處理 6h 的強力損失率為 22.91%。表面改性前 XF 濾料未經處理時的斷裂強力 640.65N，處理 2h 的強力損失率為 29.56%;處理 4h 的強力損失率為 30.76%;處理 6h 的強力損失率為 31.19%。表面改性后 XF 濾料未經處理時的斷裂強力791.20 N，處理 2h 的強力損失率為 26.73%;處理 4h 的強力損失率為 28.77%;處理 6h 的強力損失率為 30.81%。3種濾料表面改性后斷裂強力損失率較小，說明耐氧化性能增強。主要因為一是經過熱壓后濾料的結構可能發生了變化，二是表面改性后纖維之間的粘連會導致未經氧化處理樣品的強力本身增加。

2.3 改性前后針刺濾料的抗靜電性能對比

3種濾料半衰期結果如表 5 所示。根據衰減周期時間評定靜電等級，半衰期衰減時間小于等于 2.0 s為 A 級，小于等于 5.0 s為 B 級，小于等于 15.0 s為 C 級。表面改性前 X 濾料的衰減周期為 1.98 s，表面改性前 F 濾料的衰減周期為 1.68 s，兩者感應靜電等級為 A 級，表面改性后 X 濾料的衰減周期為 2.48 s、表面改性后 F 濾料的衰減周期為 3.48 s、表面改性后 XF 濾料的衰減周期為 4.05 s，

三者的感應靜電等級為 B 級，表面改性前 XF 濾料的衰減周期為 14.47 s，感應靜電等級為 C 級。對于 X 濾料和 F 濾料來說，表面改性前抗靜電性能好，而表面改性后 XF 濾料的抗靜電性能好，但不如 X 或者 F 單一濾料品種的抗靜電性能。

3 結 論

選用 PTFE 乳液對 X 濾料、F 濾料、XF 濾料進行了表面改性處理并分別對濾料改性前后的熱學性能、耐氧化性能、抗靜電性能進行了測試，分析得到的主要結論如下：

a）3種濾料表面改性前后的熱反應均為放熱反應且熱重分析譜圖基本相似，保持相對平衡-質量下降-保持相對平衡，3種濾料表面改性前后熱分解外推起始溫度均在 350℃ 左右，高于焦爐煙氣的平均溫度，符合使用要求。

b）經氧化劑處理，表面改性前 X 濾料的強力損失率均值 8.94%，表面改性后 X 濾料的強力損失率均值 6.95%，表面改性前 F 濾料的強力損失率均值 16.63%，表面改性后 F 濾料的強力損失率均值 14.97%，表面改性前 XF 濾料的強力損失率均值 30.50%，表面改性后 XF 濾料的強力損失率均值 28.77%，3種濾料表面改性后斷裂強力損失率均值較小，說明抗氧化性能有所改善。

c）對于抗靜電性能來說，表面改性前 X 濾料，表面改性前 F 濾料的感應靜電等級為 A 級，表面改性后 X 濾料、表面改性后 F 濾料、表面改性后 XF 濾料的感應靜電等級為 B 級，表面改性前 XF 濾料的感應靜電等級為 C 級。

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