陶瓷纖維過濾材料的制備和性能

崔元山 劉威 湯潔 金江

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210009)

0 引言

為實現(xiàn)“節(jié)能環(huán)?！?，需要對能源、電力、冶金等行業(yè)產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)行直接凈化。由于高溫?zé)煔獾母邏汉脱趸€原環(huán)境，對高溫過濾材料的機(jī)械、熱力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性提出了更高的要求。與其他高溫過濾材料相比，剛性陶瓷濾料耐高溫，熱力學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較好，且在過濾效率、過濾阻力和使用效果上都有較明顯優(yōu)勢，故現(xiàn)在普遍認(rèn)為剛性陶瓷濾料是過濾高溫?zé)煔獾囊环N主要方法。剛性陶瓷過濾材料的主要原料包括陶瓷顆粒和陶瓷纖維，陶瓷纖維過濾材料的孔隙率高、壓力損失小、清灰效果好,所以比陶瓷顆粒過濾材料更適用于高溫?zé)煔鈨艋Ｌ沾衫w維過濾材料的過濾效率一般都較高，從某種意義上講降低過濾阻力和提高機(jī)械強(qiáng)度更加重要。

為提高陶瓷纖維過濾材料的這些性能，通常將粗細(xì)纖維進(jìn)行搭配，將粗細(xì)纖維合理搭配能顯著提高過濾材料的過濾精度和容塵量[1-4]。

陶瓷纖維過濾材料的制備方法有纖維編織法、纏繞法和真空吸濾法。真空吸濾可以成形任意形狀的產(chǎn)品，且工藝簡單，有較大的發(fā)展優(yōu)勢。真空吸濾法是用某種方法將短纖維及粘結(jié)劑充分分散，再將纖維以一定的方法堆積或填充同時施以粘結(jié)劑，纖維將互相架橋可形成相對均勻、具有一定形狀的氣孔的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，高溫?zé)Y(jié)固化就得到了氣孔率很高的多孔材料[5]。

本實驗選用耐高溫、耐腐蝕、強(qiáng)度高的陶瓷纖維為原料，同樣耐溫、便宜且可以重復(fù)使用的水玻璃為分散劑和粘結(jié)劑，通過機(jī)械攪拌和真空吸濾制備纖維過濾材料。并對過濾材料的重要性能(過濾阻力和機(jī)械強(qiáng)度)進(jìn)行表征和探討。

1 實驗部分

1.1 實驗設(shè)備

RS-05A真空泵 (上海博匯真空設(shè)備有限公司)；美的MJ-25BM01A電動攪拌機(jī)；金相光學(xué)顯微鏡（重慶光學(xué)儀器廠，XSZ-1A）；浮子流量計（上海納森儀器有限公司，LZB-4）；電動抗折儀（沈陽天枰儀器廠，KZY-30）。

1.2 試驗過程

圖1 樣品制作裝置原理圖Fig.1 A schematic diagram for the test facility

圖2 三種纖維的顯微結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The photos of three kinds of fibers (From left to right:alumina fiber,aluminosilicate fiber and high aluminum fiber)

（1）將氧化鋁纖維(多晶莫來石纖維)、高鋁纖維(一種含鋁量較高的硅酸鋁纖維)、硅酸鋁纖維三種陶瓷纖維剪成5mm左右長短均勻的短纖維，分別和水玻璃(無機(jī)粘結(jié)劑和主要分散劑)按一定的重量比放入攪拌機(jī)攪拌，攪拌均勻后將漿料在模具中吸濾成形(實驗裝置如圖1)。成形的初始樣品經(jīng)烘干后在爐中高溫?zé)蔀橹睆?.5cm，厚度為7～15mm不等的圓片形過濾材料實驗樣品(以下稱樣品)。測試在不同過濾風(fēng)速下的壓力損失，并測出每個樣品的抗彎強(qiáng)度。

（2）綜合比較三種纖維樣品的各項性能，選擇其中兩種性能較好的樣品的纖維按不同重量比混合且以相同的試驗工藝制備樣品，綜合分析樣品性能得出最合適的纖維比例。

（3）依照最合適比例制備復(fù)合纖維樣品，在不同的溫度下燒成。然后測試樣品性能找出最佳的燒成溫度，獲知最佳燒成溫度下樣品的各項性能參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 料漿濃度的選擇

本文采用機(jī)械攪拌法將纖維在粘結(jié)劑中分散，纖維太多會使纖維分散不充分影響過濾材料的阻力，纖維太少則降低實驗效率，所以纖維和分散劑的重量比就十分重要，為了便于比較，試驗中纖維(包括混合纖維)都為10g，無機(jī)粘結(jié)劑1000g，即漿料濃度為1%，且加入適量的分散劑。

2.2 不同種類纖維試驗樣品的性能

分別將10g氧化鋁纖維、硅酸鋁纖維和高鋁纖維剪短，和水玻璃以1∶100的比例攪拌均勻、真空吸濾成形、烘干然后燒成纖維過濾材料實驗樣品。測試樣品的抗彎強(qiáng)度和在不同過濾風(fēng)速下的壓力損失。圖2為三種陶瓷纖維的顯微圖片。

從顯微圖像上可以看出，三種纖維的直徑有著明顯的區(qū)別，多晶莫來石纖維最粗，高鋁纖維最細(xì)。三種纖維制成的樣品相關(guān)參數(shù)如圖3和表1,圖3為三種纖維過濾材料過濾空氣時不同過濾風(fēng)速下的壓力損失。

表1 三種不同陶瓷纖維樣品的性能比較Tab.1 Performance of three kinds of filter media made from different ceramic fibers

由圖3可以看出，壓力損失隨流速的增大而增大且呈線性關(guān)系。因為流體流經(jīng)多孔材料時滿足達(dá)西定律，即壓力損失和流量呈線性關(guān)系，而當(dāng)樣品過濾面積確定時流量又和流速呈線性關(guān)系，所以壓力損失和流速為線性關(guān)系[6-7]。假設(shè)定義壓力損失和氣體流速的比例系數(shù)為阻力F(過濾材料過濾空氣時單位流速壓力損失)，則F=P/Vo，三種不同纖維過濾材料的阻力F為不同的值，即圖中三條直線有不同的斜率。

表中樣品1、2、3分別指氧化鋁纖維過濾材料實驗樣品、硅酸鋁纖維試驗樣品和高鋁纖維實驗樣品。陶瓷過濾器過濾煙塵時的過濾阻力由過濾材料本身的阻力和塵餅的阻力組成，所以降低過濾材料的阻力能提高過濾器的總體性能。過濾材料的抗彎強(qiáng)度越高則表示其可以經(jīng)受越多次的反吹，過濾器的使用壽命也相對較高。由表1可以看出，氧化鋁纖維樣品阻力最小，高鋁纖維次之，高鋁纖維樣品的阻力最大?？箯潖?qiáng)度最大的為氧化鋁纖維濾材樣品，最小的為硅酸鋁纖維樣品。綜合以上發(fā)現(xiàn)，氧化鋁纖維和高鋁纖維濾材樣品的性能較好。

圖4 不同纖維比例樣品阻力圖Fig.4 Resistance of filter media made from fibers mixed in different proportions

2.3 纖維比例的確定

將氧化鋁纖維和高鋁纖維按不同比例混合制備樣品，在其他實驗條件均相同的情況下的樣品阻力和抗彎強(qiáng)度分別見圖4和圖5。

從圖4和圖5可以看到，隨著多晶莫來石纖維在樣品中含量的降低，阻力呈上升趨勢，而抗彎強(qiáng)度則呈下降趨勢，當(dāng)氧化鋁纖維和高鋁纖維的比例為9∶1時，單位流速阻力最小，為42.8Pa。抗彎強(qiáng)度最大為6.75MPa，因此確定多晶莫來石纖維和高鋁纖維的最合適的重量比為9∶1。

2.4 樣品最佳燒成溫度點的確定

將比例為9∶1的復(fù)合纖維制成的樣品在200℃～1000℃下燒成，測試其阻力、抗折強(qiáng)度、氣孔率。結(jié)果見圖6。

隨著燒成溫度的升高，樣品的氣孔率先緩慢增大，在800℃的時候，氣孔率最大為75.8%，而后氣孔率呈下降趨勢。

圖5 不同纖維比例樣品抗彎強(qiáng)度圖Fig.5 Bending strength of filter media made from fibers mixed in different proportions

圖8 樣品不同溫度下抗彎強(qiáng)度測試圖Fig.8 Bending strength of filter media sintered at different temperatures

與氣孔率隨溫度變化的趨勢相反，隨著溫度的升高阻力先降低，在800℃時阻力最小為42.8Pa/m/min，而后阻力又慢慢增大，見圖7。由上可知，樣品的氣孔率越高，阻力越??；這可以借鑒纖維過濾理論中理論阻力公式得到解釋，由理論阻力公式和上面的阻力可推導(dǎo)出以下公式：其中，p為氣流流經(jīng)過濾材料的壓力損失；A為過濾面積；R為纖維的半徑；μ為流體的動力粘度；Q為氣流流量；h為過濾材料的厚度。f(C)的值隨著C的增大而增大[8-12]。由于本實驗中不同燒成溫度樣品的實驗材料、成型工藝和試驗環(huán)境均相同，即公式中的f(C)、μ、R都相同，經(jīng)測定樣品的厚度h也相差不大。所以氣孔率越高，阻力越小。

隨著溫度的升高，樣品的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降趨勢，當(dāng)溫度到600℃的時候強(qiáng)度最低。溫度繼續(xù)升高，樣品的強(qiáng)度開始上升然后下降，當(dāng)溫度為800℃的時候，樣品的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值為6.9MPa。200℃～600℃，隨著溫度的升高，無機(jī)粘結(jié)劑和陶瓷纖維中的結(jié)構(gòu)水和其他物質(zhì)被逐漸燒失，樣品的抗彎強(qiáng)度呈緩慢下降趨勢。700℃開始，無機(jī)粘結(jié)劑開始熔融，纖維結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象，使樣品的抗折強(qiáng)度明顯的提升，800℃時強(qiáng)度達(dá)到最高為6.65MPa。隨著溫度繼續(xù)升高，樣品中的某些物質(zhì)繼續(xù)被燒失，抗彎強(qiáng)度降低，見圖8。

由圖6、圖7、圖8可得，樣品在800℃時阻力達(dá)到最小，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大。所以樣品的最佳燒成溫度點為800℃。

3 結(jié)論

（1）以陶瓷纖維為原料，水玻璃為分散劑和粘結(jié)劑，通過機(jī)械攪拌分散纖維、真空吸濾成型、高溫?zé)煽梢灾瞥勺枇Φ?、?qiáng)度高的過濾材料。

（2）對多晶莫來石纖維、高鋁纖維和硅酸鋁纖維樣品的性能綜合比較發(fā)現(xiàn)，前兩種纖維過濾材料的性能較好。

（3）通過實驗確定當(dāng)多晶莫來石纖維和高鋁纖維的重量比為9∶1，燒成溫度為800℃時樣品的性能最好。樣品阻力為41Pa/m/min、抗彎強(qiáng)度6.65MPa、孔隙率為75.8%。相較于純的陶瓷纖維過濾材料的抗彎強(qiáng)度有了大幅提高。

1韓明榮,黃龍強(qiáng),王英.高爐煤氣袋式除塵系統(tǒng)的問題及改進(jìn).環(huán)境工程學(xué)報,2001,10(7):80～82

2向曉東,柯了英,楊正興等.高溫?zé)焿m陶瓷纖維過濾技術(shù)特性及其應(yīng)用評述.制冷空調(diào)和電力機(jī)械,2008,29(119):78～82

3呂海榮,楊彩云.玄武巖纖維用于過濾材料的探討.產(chǎn)業(yè)用紡織品,2010(6):31～33

4劉會雪,劉有智，孟曉麗.高溫氣體除塵技術(shù)及其研究進(jìn)展.煤化工,2008(2):14～17

5王耀明,薛友祥,孟憲謙等.孔梯度陶瓷纖維復(fù)合膜管的性能研究.陶瓷,2006(10):35

6戴維斯C N.空氣過濾.北京:原子能出版社;1979,34～35

7 GABRIEL I T.Advance in Aerosol Filtration.Boca Raton,FL: Lewis Publishers,1997

8 TOMOKITA S,AOI T.The steady flow of viscous fluid past a sphere and circular cylinder at small Reynolds number.Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics,1950,3(2): 140～161

9KUWABARA S.Theforcesexperiencedbyrandomly distributed parallel circular cylinders or sphere in a viscous flow small Reynolds number.Journal of the Physical Society of Japan,1959,14(4):527～532

10 HAPPEL J.Viscous flow relative to arrays of cylinders. American Institute of Chemical Engineers,1959,5(2): 174～177

11 DAVIES C N.Viscous flow transverse to a circular cylinder. Proceedings of the Physical Society,1950,63:288～296

12 Thomas D,Penicot P,Contal P,et al.Clogging of fibrous filters by solid aerosol particles:experimental and modelling study.Chemical Engineering Science,2001,56:3549～3561