水刺工藝在工業(yè)除塵濾料上的應(yīng)用和發(fā)展趨勢

翁美玲 張孝南 侯偉麗

(1.東華大學紡織學院，上海，201620;2.中國紡織科學研究院江南分院，紹興，312071; 3.上海博格工業(yè)用布有限公司，上海，200030)

水刺工藝在工業(yè)除塵濾料上的應(yīng)用和發(fā)展趨勢

翁美玲1張孝南2侯偉麗3

(1.東華大學紡織學院，上海，201620;2.中國紡織科學研究院江南分院，紹興，312071; 3.上海博格工業(yè)用布有限公司，上海，200030)

闡述了工業(yè)除塵濾料的發(fā)展與現(xiàn)狀，分析了應(yīng)用水刺加固工藝制造工業(yè)除塵濾料的特點和優(yōu)勢。對用水刺和針刺工藝加固的工業(yè)除塵濾料的性能進行測試和比較，提出了水刺工藝應(yīng)用于工業(yè)除塵濾料生產(chǎn)時需要注意的要點，預(yù)測水刺工藝在工業(yè)除塵濾料行業(yè)將有良好發(fā)展前景。

水刺工藝，工業(yè)除塵濾料，性能，發(fā)展趨勢

當今社會工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展在給人們帶來許多方便的同時，也帶來了嚴重的環(huán)境問題?？諝庵泻写罅康挠泻怏w和微細粒子，對人類的呼吸系統(tǒng)、免疫功能、心血管系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等造成了嚴重的危害［1］。減少空氣中微細粒子的排放對于保護環(huán)境、保障人們的身心健康是至關(guān)重要的［2］。袋式除塵器是治理大氣污染的高效除塵設(shè)備之一，其最大優(yōu)點就是除塵效率高［3］。現(xiàn)階段工業(yè)除塵濾料生產(chǎn)中的纖網(wǎng)加固工藝以針刺為主。水刺工藝與之相比，在纖網(wǎng)的纏結(jié)效果，以及最終產(chǎn)品的強力、過濾效率等方面具有較大的優(yōu)勢，但由于技術(shù)和設(shè)備等方面的限制，發(fā)展尚未成熟。隨著水刺技術(shù)的進步和對濾料性能要求的不斷提高，水刺工藝將在工業(yè)除塵濾料行業(yè)得到更加廣泛的應(yīng)用。

1 除塵濾料的發(fā)展與現(xiàn)狀

經(jīng)過30年的快速發(fā)展，我國已成為世界第二大經(jīng)濟體，同時也步入重工業(yè)化時期。一些資源、能源消耗性產(chǎn)業(yè)(如黑色或有色金屬冶煉、化學、水泥、電力等工業(yè))的發(fā)展促進了經(jīng)濟和社會的繁榮，但也對我國能源、資源、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴重威脅。這些重工業(yè)排放的大氣污染物主要為高溫煙氣、粉塵、SOX和NOX等。在治理大氣污染方面，目前主要有濕法除塵、電除塵、袋式除塵三種方法［4］。濕法除塵和電除塵在除塵效率、一次性投資費用、設(shè)備維護等方面都不及袋式除塵，今后將會逐漸淡出工業(yè)除塵市場。袋式除塵器是煙塵、粉塵，尤其是PM10以下的微細顆粒物的克星，是治理大氣污染的高效除塵設(shè)備。袋式除塵器的除塵效率在實驗室測試中高達99.999 9%，在實際工程應(yīng)用中也能達到99.99%，過濾后排放的煙塵、粉塵的濃度能夠達到10 mg/m3以下，基本上可以實現(xiàn)零排放［5］。袋式除塵器的分級效率也很高，對 PM10、PM5、PM2.5、PM1 等微細顆粒物的捕集率在90%以上。由于目前袋式除塵器的除塵效率最高，因此在國內(nèi)近40個行業(yè)中，尤其是在十幾個高污染行業(yè)中大顯身手，取得了很好的治理效果和環(huán)境效益。高溫煙氣排放控制技術(shù)已由電除塵技術(shù)逐步轉(zhuǎn)變到以袋式除塵技術(shù)為主［6］。

袋式除塵器的關(guān)鍵材料是濾料［7］，濾料性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了袋式除塵器的使用效果。我國早期使用的濾料有白素布、毛呢類織物等，直至20世紀50～60年代，我國在專業(yè)除塵濾料使用和生產(chǎn)方面仍屬空白;70年代以后，我國的濾料和袋式除塵技術(shù)開始同步發(fā)展并迅速向世界先進水平靠攏，開發(fā)了多種合成纖維機織濾料［8］;80年代初，隨著非織造技術(shù)的發(fā)展，我國研制成功了合成纖維針刺氈;之后，芳砜綸等纖維研制成功，進而開發(fā)出相應(yīng)的耐高溫針刺濾料產(chǎn)品;90年代后期，我國又開發(fā)出了聚四氟乙烯(PTFE)微孔覆膜濾料，實現(xiàn)了由表層過濾向表面過濾的跨越，達到高效、低阻的效果［9］。非織造技術(shù)在濾料行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，得益于針刺加固工藝的發(fā)展和技術(shù)進步。針刺技術(shù)工藝流程短、設(shè)備簡單、生產(chǎn)速度高，對所用原料的品種、粗細、長短要求低，適應(yīng)面廣，且其產(chǎn)品呈現(xiàn)纖維雜亂排列的三維結(jié)構(gòu)，將袋式除塵器的除塵效率提高了一個數(shù)量級。

近幾年來，基于全球范圍內(nèi)嚴峻的環(huán)境和資源形勢，以及貫徹黨和國家提出的關(guān)于建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”兩型社會的迫切性，環(huán)保部門對火力發(fā)電、鋼鐵、水泥和垃圾焚燒等行業(yè)的高溫煙氣的除塵要求越來越嚴格，自2010年起排塵濃度標準已由原來的200 mg/m3提高到30～50 mg/m3。綜上，高溫濾料行業(yè)如果僅僅滿足于現(xiàn)有濾料的使用性能，將腳步停留在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝上，勢必被市場所拋棄，并將被其他“更小損傷、更短流程、更低能耗、更高性能”的工藝和技術(shù)取代。因此，在針刺工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的水刺工藝已經(jīng)開始登上工業(yè)除塵濾料的舞臺，并正在不斷發(fā)展和進步。

2 水刺工藝的特點和優(yōu)勢

水刺工藝是20世紀70年代中期由美國杜邦和奇考比公司研究開發(fā)的，近十幾年來在全球得到了快速發(fā)展［10］。水刺法在工藝上有一個新的突破，是以柔性高壓水流在纖網(wǎng)中由上至下連續(xù)噴射并通過托網(wǎng)簾的反射作用而使纖維之間相互纏繞成布的［11］。水刺工藝自20世紀90年代進入中國以來發(fā)展迅猛，目前已有100多條生產(chǎn)線。一直以來，由于受到水刺壓力的限制，水刺纏結(jié)的纖網(wǎng)面密度一般在200 g/m2以下，否則制成的非織造布極易分層，因此國內(nèi)水刺生產(chǎn)線制造的產(chǎn)品絕大部分應(yīng)用于革基布和衛(wèi)生材料領(lǐng)域。近幾年，隨著國際上水刺技術(shù)不斷進步，突破了水刺壓力的瓶頸，水刺非織造布面密度范圍已提高到300～600 g/m2，開始進入工業(yè)濾料領(lǐng)域［12］。

水刺法與針刺法一樣，作為濾料的加固方式，除均勻度外，幾乎影響著非織造濾料的所有指標，如厚度、透氣度、阻力、剝離率和氈面平整度等。兩者的基本特點都是通過將纖網(wǎng)中纖維纏結(jié)的方法制成非織造布，但是兩者之間又有較大的區(qū)別，水刺工藝的優(yōu)勢具體體現(xiàn)在以下方面:

(1)針刺是剛與柔(刺針和纖網(wǎng))的結(jié)合，而水刺是柔與柔(水射流和纖網(wǎng))的結(jié)合，水刺工藝避免了在針刺工藝中存在的帶有倒鉤的尖銳刺針反復(fù)穿透纖網(wǎng)并切斷、破壞纖維甚至基布長絲的現(xiàn)象，所以水刺產(chǎn)品的表面致密、光滑、無針孔，拉伸強力提高，避免了針孔漏灰現(xiàn)象［13］。

(2)根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗以及性能測試，在相同的原料、結(jié)構(gòu)、面密度等條件下，水刺加固比針刺加固能獲得更加良好的纏結(jié)效果，其生產(chǎn)出的工業(yè)除塵濾料的強力和過濾精度更高。因此，在保證強力和過濾效率基礎(chǔ)上，采用水刺工藝加固的濾料其面密度可降低20%左右，因而在使用一些高性能、高價格纖維材料時，可大大降低原料成本。

(3)水刺工藝通過高壓水流(目前最高可達45 MPa)對纖網(wǎng)的表面進行噴射達到加固目的，當濾料迎塵面為玻璃纖維、膜裂法PTFE纖維時，具有良好的開纖作用，形成超細表面，從而提高過濾精度。

(4)水刺生產(chǎn)線可以通過配備獨立的梳理設(shè)備，輸出一層纖網(wǎng)(如用特殊纖維原料)，并用高壓水刺工藝將其覆在經(jīng)預(yù)針刺的非織造氈上，形成均勻致密、表面光滑的非織造復(fù)合濾料，增加了產(chǎn)品設(shè)計的靈活性。

(5)水刺濾料的表面致密、毛羽較少，一般條件下已經(jīng)具備極高的過濾效率，可以省去常規(guī)針刺濾料生產(chǎn)流程中燒毛、PTFE乳液浸漬等后整理工序。流程縮短可提高生產(chǎn)效率、減少設(shè)備投入，從而有效地降低生產(chǎn)成本。

(6)水刺加固工藝擴大了纖維原料的選擇范圍。由于沒有針刺工藝中帶鉤刺的刺針的往復(fù)作用，一些原本耐溫、耐化學性能較好，但不適用于針刺加固工藝而在工業(yè)除塵濾料行業(yè)得不到廣泛應(yīng)用的纖維，如剛度較大的不銹鋼纖維、芳綸(針刺加固過程中極易損耗刺針)，易脆損的玻璃纖維(受針刺作用針刺氈強力等性能損傷較大)，將從此可在工業(yè)除塵領(lǐng)域大展拳腳。

需注意的是，水刺加固工藝雖以表面致密、適應(yīng)纖維原料范圍廣、纖維損傷小等優(yōu)點而占據(jù)優(yōu)勢，但是由于高速水射流在觸碰纖網(wǎng)開始，便受其阻力作用，穿透能量和速度迅速下降，不能像針刺工藝那樣帶動纖維穿透整個纖網(wǎng)，因此在加工面密度較大的纖網(wǎng)時容易產(chǎn)生分層現(xiàn)象，需要加大水刺壓力或先制成針刺預(yù)刺氈再經(jīng)水刺加工［14］。

3 水刺工藝在濾料行業(yè)中的應(yīng)用進展

目前國內(nèi)已經(jīng)引進3條水刺濾料生產(chǎn)線，且都為德國Fleissner公司的水刺設(shè)備，正在洽談的生產(chǎn)線還有多條。

上海博格工業(yè)用布有限公司是國內(nèi)第一家引進可生產(chǎn)高密度纖網(wǎng)的水刺濾料生產(chǎn)設(shè)備的廠家，其水刺生產(chǎn)線自2010年7月份投入使用以來，已經(jīng)相繼開發(fā)并生產(chǎn)出幾十種新型水刺濾料，其產(chǎn)品在力學性能、過濾效率等方面都有較強的優(yōu)勢。

筆者在博格公司的配合支持下，進行了新型水刺濾料的開發(fā)和生產(chǎn)試驗，并對產(chǎn)品各方面性能進行了測試，與同條件下的針刺濾料進行對比(表1)。

由表1可知，采用不同加固工藝生產(chǎn)的聚苯硫醚(PPS)/PTFE復(fù)合濾料，在厚度、透氣度、斷裂強度方面都有較為明顯的差異。用水刺工藝生產(chǎn)的濾料，厚度薄，透氣性較差，斷裂強度有所提高，伸長率降低。主要是過濾效率提高，還可以省去乳液浸漬等表面后處理工序。筆者認為，過濾效率的大幅提高很有可能是PTFE纖維分裂成超細纖維的緣故。

表1 PPS/PTFE復(fù)合水刺與針刺濾料性能對比

圖1和圖2分別為采用水刺加固工藝生產(chǎn)的PPS/PTFE復(fù)合濾料的迎塵面和截面的電鏡照片。由圖可明顯看出:較細而沒有分裂現(xiàn)象的纖維為PPS纖維;PTFE纖維分裂得更細，還有些破碎，但由于水刺作用，與其他纖維纏結(jié)在一起。從外觀看，就是PTFE的細碎纖維經(jīng)水刺作用后被嵌在布面上，從而防止了纖維的脫落。水刺工藝利用了PTFE纖維良好特性，且解決了PTFE纖維不易纏結(jié)的問題，還發(fā)掘出膜裂法PTFE能夠開纖形成超細纖維的特點。

4 應(yīng)用水刺工藝生產(chǎn)濾料的注意點

筆者經(jīng)過廣泛的調(diào)研和現(xiàn)場試驗，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，對水刺工藝應(yīng)用于濾料的生產(chǎn)過程提出以下注意點。

(1)工業(yè)除塵濾料面密度要求在300～600 g/m2，最高達800 g/m2，對于水刺工藝屬于超厚型產(chǎn)品，因此對水刺生產(chǎn)設(shè)備的配置有較高的要求。一般要求高壓水刺頭實際壓力在28 MPa以上，水刺頭配備5個以上。特別需要指出的是，為保證以后長期穩(wěn)定生產(chǎn)，水刺頭壓力配置應(yīng)以高于35 MPa為宜。

圖1 水刺PPS/PTFE復(fù)合濾料的迎塵面

圖2 水刺PPS/PTFE復(fù)合濾料的截面形態(tài)

(2)水刺生產(chǎn)線根據(jù)不同的生產(chǎn)要求和設(shè)備配置，可以分為離線生產(chǎn)和在線生產(chǎn)兩種方式，區(qū)別在于水刺生產(chǎn)線的前段是否配置預(yù)針刺設(shè)備。離線生產(chǎn)方式是將預(yù)針刺甚至主針刺加固后并卷繞成卷的非織造氈，經(jīng)過退卷工序，再次進行水刺加固的生產(chǎn)方式，具有產(chǎn)品設(shè)計靈活、濾料不易分層的優(yōu)點;但需注意的是預(yù)針刺工藝的調(diào)節(jié)，針刺壓力以低為宜，密度以小為宜，否則容易造成布面不平整。在線生產(chǎn)方式是經(jīng)預(yù)針刺的非織造氈未經(jīng)卷繞，直接進行水刺加固，比較適合快速生產(chǎn)。水刺生產(chǎn)線還可以通過配置獨立的梳理設(shè)備，再輸出一層纖網(wǎng)(可根據(jù)要求選擇不同濾料)，用高壓水刺工藝將其覆在經(jīng)預(yù)針刺的非織造氈上，該生產(chǎn)方式可獲得平整表面、提高強力的效果。如用特殊原料作為迎塵面，還可提高產(chǎn)品使用性能和附加值。

(3)工業(yè)除塵濾料的品質(zhì)要求可以通過調(diào)整水刺頭的壓力及分配、水刺頭數(shù)量、抽吸風量和選擇不同的托網(wǎng)簾等方式來獲得。由于水量很大，抽吸系統(tǒng)配置及工藝調(diào)節(jié)非常重要;由于水刺壓力較大，為保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和生產(chǎn)過程的穩(wěn)定，對針板、網(wǎng)簾、滾筒等配件的要求很高，不同于一般人造革基布和衛(wèi)生材料等水刺產(chǎn)品的生產(chǎn)，運行成本會提高。

(4)在生產(chǎn)工業(yè)除塵濾料時，水刺工藝對纖維線密度有一定要求。一般針刺工藝適用的2.4 dtex左右的纖維對水刺工藝來說太粗，在水刺加工過程中會由于纖維初始模量較大而影響纏結(jié)效果，造成濾料產(chǎn)品強力不夠甚至纖網(wǎng)分層的現(xiàn)象。一般水刺工藝使用的纖維線密度最好在1.67 dtex以下，越細纏結(jié)效果越好。如果纖維的回潮率太低，特別是如回潮率為零的聚丙烯類纖維，選擇水刺工藝并不適合。如果能夠開纖成超細纖維(如膜裂法PTFE、玻璃纖維)，形成高效除塵濾料，水刺法工藝則是理想的選擇。水刺工藝比針刺工藝在纖網(wǎng)纏結(jié)效果、產(chǎn)品強力和過濾效率等方面具有較大的優(yōu)勢，隨著水刺技術(shù)的進步和對濾料性能要求的不斷提高，水刺工藝將在工業(yè)除塵濾料行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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Application and development tendency of spunlace technology in industrial dust removal filter

Weng Meiling1，Zhang Xiaonan2，Hou Weili3
(1.College of Textiles，Donghua University; 2.Jiannan Branch of China Textile Academy;3.Shanghai BG Industrial Fabric Co.，Ltd.)

The development and situation of industrial dust removal filter were introduced，and the advantages and property of spunlace process on industrial dust removal filters were analyzed.The characteristics of the industrial filter media which be made by spunlace and needle-punching technique were tested and compared，and it was pointed out the attention on use spunlace process，and it forecast that the spunlace technique would be used better on industrial dust removal sector.

spunlace technique，industrial dust removal filter，property，developing trend

TS174.8

A

1004－7093(2011)11－0038－05

2011－08－29

翁美玲，女，1986年生，在讀碩士研究生。主要從事水刺耐高溫工業(yè)除塵濾料的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品性能的研究。