聚噁二唑耐高溫濾材的制備及其應(yīng)用性能研究*

張再興 李文濤 李永蘭 費建信 萬馨潞

(1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡織化學(xué)工程系，常州，213164;2.江蘇寶德新材料有限公司，張家港，215638;3.上海博格工業(yè)用布有限公司，上海，201706)

芳香族聚噁二唑(aromatic polyoxadiazoles，簡稱POD)為一種芳雜環(huán)(含噁二唑環(huán))結(jié)構(gòu)的耐高溫特種高分子材料，具有良好的熱穩(wěn)定、阻燃、耐腐蝕、電絕緣等性能。加工成纖維后，可廣泛用于防護制品、過濾材料、電絕緣材料、摩擦密封材料、工業(yè)織物、航空航天材料等耐高溫領(lǐng)域［1］，為國民經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了重要作用，是一種有著廣闊發(fā)展前景的耐高溫纖維材料。

聚噁二唑的合成和纖維成形研究始于20世紀(jì)60年代，其合成方法主要有兩步法與一步法兩種［2-4］，纖維成形方法多采用溶液紡絲方法中的濕法與干濕法［5-6］。因一步法具有合成過程簡單，原料成本低，噁二唑環(huán)化度相對容易控制，成形后材料結(jié)構(gòu)較為完善等優(yōu)點，故得到了實際應(yīng)用。俄羅斯研究者采用一步法合成和濕法紡絲技術(shù)，成功實現(xiàn)了POD纖維的工業(yè)化生產(chǎn)(商品名為Oxalon和Arselon)［7-8］，并在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。繼間位芳綸(PIMA)、芳砜綸(PSA)、聚苯硫醚(PPS)等耐高溫纖維成功實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)后，眾多科研工作者通過努力，成功解決了阻燃改性、聚合、溶液流變、紡絲成形、后處理、老化等難題［9-18］，使聚噁二唑成為我國又一具有自主知識產(chǎn)權(quán)［9-10］并實施產(chǎn)業(yè)化的耐高溫纖維品種。

目前，在高溫?zé)煔獬龎m領(lǐng)域，袋式除塵器是能夠滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求的最有效的除塵設(shè)備。用于袋式除塵器的常用耐高溫纖維種類有玻璃纖維、間位芳綸、聚苯硫醚纖維、聚四氟乙烯纖維、芳砜綸、聚酰亞胺纖維等，這些纖維各有優(yōu)勢與不足，適用的工況各異，其在高溫?zé)煔獬龎m領(lǐng)域的應(yīng)用與研究已有大量報道［19-24］。作為一種新型耐高溫纖維，聚噁二唑纖維在眾多耐高溫阻燃領(lǐng)域的應(yīng)用與研究處于起步階段，研究成果極少。雖然聚噁二唑纖維在高溫?zé)嵫鯒l件下的力學(xué)性能下降較少，高溫尺寸穩(wěn)定性好(熱收縮小、線密度變化較小)，具有與聚酰亞胺相似的耐溫性能［25］，但高溫?zé)煔獾膶嶋H工況很復(fù)雜，含塵空氣中除含有O2外，還含有大量 CO、CO2、SO2、SO3、HOx等腐蝕性氣體［19-20］，會導(dǎo)致聚噁二唑纖維的熱氧降解規(guī)律不同。因此，研究聚噁二唑纖維及濾材在實際工況中的性能變化規(guī)律，發(fā)揮這種質(zhì)優(yōu)價廉的高性能纖維的優(yōu)點，使之為潔凈空氣起到重要作用，已成為纖維生產(chǎn)與研究者、濾材生產(chǎn)與應(yīng)用者的重要任務(wù)。本文將對POD濾材的力學(xué)性能與過濾性能的變化規(guī)律進行初步探討，以期為聚噁二唑纖維在高溫?zé)煔膺^濾領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用起到積極作用。

1 試驗部分

1.1 纖維與濾材基布的制備

聚噁二唑纖維制備:采用20%的發(fā)煙硫酸作溶劑和脫水劑，對苯二甲酸、改性阻燃單體和硫酸肼為單體，通過共縮聚得到聚-1，3，4-噁二唑聚合物溶液。以聚噁二唑溶液為紡絲原液，經(jīng)混合、脫泡、過濾后，采用濕法紡絲成形工藝紡制得到聚-1，3，4-噁二唑初生纖維，再經(jīng)洗滌、烘燥、高溫定型、卷曲、上油、烘干、切斷、打包，得到成品聚噁二唑纖維(商品名寶德綸，PODRUNTM)。

濾材基布制備:聚噁二唑纖維經(jīng)環(huán)錠紡紗方法純紡得到聚噁二唑紗線，再經(jīng)絡(luò)筒、并捻得到所需規(guī)格(經(jīng)紗38.9 tex×3和緯紗38.9 tex)的紗線;將紗線以150根/(10 cm)×50根/(10 cm)的經(jīng)緯紗密度經(jīng)機織而成平紋基布。

1.2 聚噁二唑耐高溫濾材的制備

聚噁二唑纖維在開清棉工序開松后，分別送入兩臺梳理機而分梳、成網(wǎng)，再經(jīng)兩臺交叉鋪網(wǎng)機鋪疊形成上下兩層纖維網(wǎng)層;同時將機織基布引入兩層纖維網(wǎng)層之間，經(jīng)預(yù)刺初步加固，然后分別經(jīng)由上下主針刺(上下交叉兩道)加固、切邊、卷繞，得到POD未整理針刺濾布。未整理針刺濾布經(jīng)燒毛、燙光、熱壓定型后，得到潔凈聚噁二唑濾材，直接縫制成濾袋(Φ160 mm×6 200 mm)，試用于江蘇金柳熱電江南有限公司(未取樣)、河南孟電集團水泥有限公司(半年、一年后各取樣1次)。

1.3 樣品制備與測試表征

1.3.1 纖維性能測試

纖維常規(guī)性能包括線密度和拉伸性能(斷裂強度與斷裂伸長等)，拉伸性能按照GB/T 14337—2008《化學(xué)短纖維拉伸性能試驗方法》進行測試，纖維線密度按照GB/T 14335—2008《化學(xué)短纖維線密度試驗方法》進行測試。纖維線密度測試采用XD－1型纖維細度儀(上海新纖儀器有限公司)，纖維拉伸性能測試采用XQ-1A型纖維強伸度儀(上海新纖儀器有限公司)。

纖維的熱分解性能采用Q600型熱分析儀(美國TA公司)在N2氛圍下進行測試，樣品為充分烘干的纖維粉末(5～10 mg)。程序升溫前，在150℃平衡10 min，然后程序升溫，升溫速率為20℃/min，測試溫度范圍為150～850℃。

將纖維置于ZKG4080型高溫烘箱中，在一定溫度下(200、250、300℃)老化一定時間，對比其老化前后的拉伸性能變化，用以表征其耐熱氧老化性能。相類似，將纖維置于一定濃度、溫度的酸堿溶液中浸漬一定時間，洗滌干燥后，對比其浸漬前后的拉伸性能變化，用以表征其耐酸堿性能。其中，斷裂強度保留率為老化后的斷裂強度占原始樣品斷裂強度的百分率。

1.3.2 濾材性能測試

按照GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》測試濾材的物理性能(單位面積質(zhì)量、厚度等)、力學(xué)性能(主要為拉伸性能)、過濾性能(濾材阻力、過濾效率)等。

濾材單位面積質(zhì)量按照GB/T 4669—2008《紡織物機織物單位長度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測定》進行測試。濾材厚度按照FZ/T 60004—1991《非織造布厚度的測定》進行測試，測試儀器為YG141D型數(shù)字式織物厚度儀(常州一紡儀紡電儀器有限公司)。濾材拉伸性能按照GB/T 3923.1—1997《紡織品織物拉伸性能》(條樣法)進行測試，儀器為HD026H型電子織物強力儀(南通宏大實驗儀器有限公司)，以基布的經(jīng)紗方向為經(jīng)向，緯紗方向為緯向。濾材透氣度按照 GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》進行測試，儀器為YG461E型全自動織物透氣量儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)。

過濾阻力與分級(過濾)效率的測試大氣條件為25℃，RH65%，測試儀器為AFC-131型濾料測試臺(德國Topas公司)。阻力測試時，將濾材剪切成Φ150 mm的圓形樣品，測試氣體流速為2.0～5.0 m/min，級差為10%;過濾效率測試時，同樣為Φ150 mm圓形樣品，濾材所受面風(fēng)速為0.05～1.0 m/s。濾材孔徑測試采用 PSM-165型濾材孔徑測試儀(泡點法，德國 Topas公司)，測試液為Topor溶液，氣壓范圍為350～100 000 Pa。

濾材動態(tài)過濾性能測試采用符合GB/T 12625—1990的標(biāo)準(zhǔn)實驗裝置，濾材尺寸為Φ65 mm×250 mm，試驗用粉塵為Al2O3，粉塵濃度為5 g/m3，濾材表面風(fēng)速為1.0 m/min，定壓清灰預(yù)定值為1 000 Pa，清灰氣體壓力為0.5 MPa。

濾材與纖維形貌特征觀察采用掃描電鏡進行。將濾材樣品經(jīng)噴金處理后，在掃描電鏡(S4800LV，日本Hitachi公司，INSPECT F，美國FEI公司)下觀察其形貌特征，電鏡加速電壓分別15和20 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚噁二唑纖維的性能特征

2.1.1 聚噁二唑纖維的力學(xué)性能

聚噁二唑(下稱POD)纖維的耐熱、力學(xué)性能及其形態(tài)結(jié)構(gòu)不僅受到分子結(jié)構(gòu)、噁二唑成環(huán)程度、分子量及其分布的影響，很大程度上還受到凝固條件(凝固浴組成、溫度、濃度等)的影響，這些影響因素可通過聚合階段與紡絲成形、后處理階段進行有效控制。因采用稀硫酸作為凝固劑，凝固作用較為強烈，POD纖維呈不規(guī)則的近圓形結(jié)構(gòu)，表面有較多溝槽與皺褶［12-13，16］。

將生產(chǎn)現(xiàn)場隨機抽樣的POD纖維與濾材用國產(chǎn)間位芳綸進行了線密度與拉伸性能測試，測試指標(biāo)列于表1。測試數(shù)據(jù)表明，在線密度相近時，POD纖維的強度與初始模量稍低，斷裂伸長略大，斷裂比功較大，纖維具有“強而韌”的特征;其各項指標(biāo)的變異系數(shù)略大，說明POD纖維生產(chǎn)的穩(wěn)定性尚待進一步提高。

表1 POD纖維與國產(chǎn)間位芳綸常規(guī)性能指標(biāo)

2.1.2 POD 纖維的耐熱性能

POD纖維與間位芳綸在N2中的分解行為如圖1所示。圖1表明，POD纖維在失重5%、10%的起始分解溫度(Ti)分別為497.0、513.6 ℃，最大速率分解溫度(Tp)為546.0℃;間位芳綸在失重5%、10%時的起始熱分解溫度(Ti)分別為441.0、456.8℃，最大速率分解溫度(Tp)為468.2℃。結(jié)果初步表明，POD纖維的耐熱溫度高于間位芳綸約50℃。理論研究表明，POD纖維的熱分解活化能為 260 ～290 kJ/mol［12］，遠高于間位芳綸的分解活化能(170 ～190 kJ/mol)［27］，證實了 POD 纖維的熱穩(wěn)定性高于間位芳綸。POD纖維的玻璃化溫度(Tg)＞400 ℃，而間位芳綸的 Tg為275 ℃［12，26］，說明POD纖維不僅具有良好的耐熱性，而且在耐高溫濾材的使用溫度下具有更好的尺寸穩(wěn)定性。POD纖維在200、250、300℃的干熱收縮率分別為0.3%、0.6%、1.0%，而間位芳綸的干熱收縮率對應(yīng)為0.6%、1.0%、3.5%，說明 POD 纖維的高溫尺寸穩(wěn)定性更好，纖維及其制品在300℃以下溫度使用時的形變很小。熱收縮導(dǎo)致的間位芳綸與制品的明顯形變?nèi)缇€密度增大［25］、織物變形等，應(yīng)在使用時引起較大關(guān)注。

圖1 POD纖維與間位芳綸熱分解TG與DTG圖

進一步對POD纖維的長期耐熱氧老化性能進行測試，其在200、250、300℃干熱空氣條件下熱氧老化過程的強度變化趨勢如圖2所示。圖2表明，在200℃熱氧條件下，經(jīng)80 d后，POD纖維的強度保持率為87.1%;在250℃熱氧條件下，經(jīng)65 d后，POD纖維的強度保持率為64.4%;在300℃熱氧條件下，經(jīng)25 d后，POD纖維的強度保持率為82.8%。前期研究表明，POD纖維在250℃熱氧條件下，其力學(xué)性能變化趨勢與聚酰亞胺纖維(P84)相似，高溫尺寸穩(wěn)定性也相似，兩者在高溫下的線密度變化均很小(間位芳綸變化大)［25］。這些結(jié)果表明，POD纖維在200、250℃熱氧條件下可長期使用，在300℃熱氧條件下可短期使用，而在350℃熱氧條件下可瞬間使用［12］。

圖2 不同溫度下POD纖維熱氧老化的強度變化情況

2.1.3 POD纖維的耐酸堿性能

POD聚合物結(jié)構(gòu)中不僅存在大量的噁二唑環(huán)，也存在少量為成環(huán)的酰肼基團，兩者在酸堿溶液中會受到H+或OH－催化作用，發(fā)生噁二唑環(huán)開環(huán)反應(yīng)［28］或水解反應(yīng)，導(dǎo)致鏈結(jié)構(gòu)破壞而斷鏈?zhǔn)狗肿恿肯陆?，從而使力學(xué)性能下降。圖3為POD纖維經(jīng)20%NaOH、H2SO4溶液浸漬后的強度變化趨勢。圖3表明，POD纖維受堿溶液作用時，強度開始下降較快，而后趨于平緩。其原因可能是:酰肼基團可在OH－催化下水解斷裂(類似酰胺鍵的水解)，而POD結(jié)構(gòu)中酰肼基團很少，故聚合物斷鏈至一定分子量后，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。POD在受H2SO4溶液作用后，纖維強度一直呈下降趨勢。其原因是:H+催化作用可導(dǎo)致噁二唑環(huán)開環(huán)反應(yīng)持續(xù)進行，聚合物斷鏈一直進行，分子量持續(xù)下降，纖維的強度也一直下降。將POD纖維與間位芳綸在相同的酸堿溶液中進行浸漬處理，其結(jié)果列于表2。結(jié)果表明，POD纖維的耐堿性能優(yōu)于間位芳綸，而耐酸性能較間位芳綸差。耐酸堿性能測試結(jié)果說明，POD纖維作為耐高溫濾材使用時，應(yīng)盡量選擇煙氣含濕量低的工況，以避免酸催化下的開環(huán)降解。

圖3 20%NaOH、H2SO4對POD纖維強度的影響

表2 POD纖維與間位芳綸經(jīng)相同酸堿溶液老化后的強度保持率

2.2 聚噁二唑濾材的力學(xué)性能

POD纖維經(jīng)開松、梳理成網(wǎng)、鋪疊、引入基布、針刺加固、燒毛、熱壓定型加工后，成為可加工成濾袋的潔凈濾材。測試POD潔凈濾材的拉伸性能，并與同樣工藝制備的間位芳綸潔凈濾材相對比，其結(jié)果列于表3。經(jīng)數(shù)據(jù)對比可知，在濾材加工參數(shù)合理的情況下，POD濾材完全能滿足GB/T 6719—2009的要求;盡管間位芳綸的單纖強度高于POD纖維，但POD濾材經(jīng)緯向拉伸強度均高于同規(guī)格的間位芳綸濾材。這是因為POD纖維的不規(guī)則形狀與不光滑表面，使之具有良好的“抱合性”與“可紡性”，針刺過程中，纖維更容易“交纏、鎖結(jié)”，使濾布在拉伸斷裂過程中，纖維斷裂較多而滑脫較少，纖維強度利用率高。

表3 POD/間位芳綸針刺濾材的拉伸性能指標(biāo)對比

從POD針刺濾材的拉伸曲線(圖4)可知，濾材的緯向強度主要由纖維集合體決定，而經(jīng)向強度主要由基布決定。在緯向條樣拉伸過程中，當(dāng)基布的緯紗斷裂時，緯紗集合體的強度小于非織造布纖維集合體的強度，拉伸行為繼續(xù)進行，直至非織造布纖維集合體破壞而斷裂或斷脫;在經(jīng)向條樣拉伸過程中，當(dāng)基布的經(jīng)紗斷裂時，經(jīng)紗集合體的強度遠高于非織造布纖維集合體在此伸長下的強度，拉伸行為終止，濾材的經(jīng)向強度由基布的經(jīng)紗集合體決定。因此，為保證應(yīng)用領(lǐng)域?qū)V材強度與形變(經(jīng)向形變要小)要求，可通過設(shè)計紗線(線密度、捻度、股數(shù))、基布(組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯紗密度)參數(shù)與工藝而實現(xiàn)。

圖4 POD濾材的拉伸曲線

2.3 聚噁二唑濾材的耐熱性能

將潔凈POD濾材在200℃下干態(tài)老化24 h，其老化后的拉伸性能指標(biāo)列于表4。將在工場(河南孟電集團水泥有限公司水泥窯頭，使用條件:處理風(fēng)量為4.5×105m3/h，氣體溫度＜200℃，過濾風(fēng)速 ＜1 m/min，濾袋規(guī)格為Φ160 mm×6 200 mm)已使用半年、一年的含塵POD濾袋的拉伸性能指標(biāo)也列于表4。數(shù)據(jù)表明，經(jīng)24 h熱氧老化后，POD濾材的拉伸性能基本沒有變化，說明POD濾材具有良好的短期耐熱性。表4中數(shù)據(jù)表明，經(jīng)工場使用半年、一年后，POD濾材的經(jīng)向強度基本沒有下降，但斷裂伸長率有增大趨勢;緯向強度分別下降了19.4%、29.8%，但其斷裂伸長率未產(chǎn)生大幅變化。該現(xiàn)象的可能原因是:濾材在使用與清灰過程中的受力使其經(jīng)向變形小而緯向變形大，經(jīng)向產(chǎn)生“應(yīng)力松弛”效應(yīng)，緯向產(chǎn)生“蠕變”效應(yīng);經(jīng)向的強度由紗線決定，紗線“松弛”后，其強度不會產(chǎn)生較大變化，但斷裂伸長會增加;濾材緯向拉伸性能主要取決于纖維間的“交纏鎖結(jié)”，大的變形會導(dǎo)致部分纖維“解交纏”，“解交纏”過程與同時伴隨的材料熱氧、酸堿老化共同導(dǎo)致濾材緯向強度的下降，而斷裂伸長依然由纖維的“交纏”結(jié)構(gòu)決定，不產(chǎn)生大幅降低現(xiàn)象。

表4 老化與使用前后POD濾材的拉伸性能變化情況

2.4 聚噁二唑濾材的過濾性能

2.4.1 潔凈濾材的靜態(tài)過濾性能

同規(guī)格(550 g/m2)經(jīng)相同后處理工藝的潔凈POD濾材、間位芳綸針刺濾材、間位芳綸水刺濾材的孔徑分布如圖5(a)所示;在不同過濾速度(面風(fēng)速)條件下所受阻力(氣流穿過濾材時的壓力差)如圖5(b)所示;對不同粒徑粉塵的過濾效率如圖5(c)所示。由圖5(a)和圖5(b)計算得到的平均孔徑、阻力系數(shù)及測得的透氣度值如表5所示。

圖5(a)與表5表明，POD濾材的孔徑基本均布在39 ～41 μm 區(qū)間，均值為39.84 μm;而間位芳綸針刺濾材的孔徑分布在4.7～48 μm區(qū)間，主要集中在4.7～22 μm 區(qū)間，占 88.9%，孔徑均值為13.82 μm。可見，間位芳綸針刺濾材孔徑小、分布范圍寬、分散程度高，而POD濾材孔徑大、分布均一、集中程度高。相比于同規(guī)格的間位芳綸針刺濾材，間位芳綸水刺濾材孔徑分布較窄，分布在10～29 μm，集中在 10 ～16 μm(占 83.3%)，其均值為13.85 μm，但依然為高分散性分布。比較圖5和表5數(shù)據(jù)可知，POD濾材的過濾阻力介于間位芳綸針刺濾材與水刺濾材之間，但將三種濾材的阻力與面風(fēng)速數(shù)據(jù)點各自擬合成直線后，三者阻力與面風(fēng)速數(shù)據(jù)點的擬合直線斜率分別為16.93、28.12、10.15，說明POD濾材阻力對過濾速度的增加幅度平緩，與芳綸水刺布相近;同樣，POD濾材阻力系數(shù)與透氣度均與芳綸水刺布相近，遠低于芳綸針刺布。進一步分析圖5(c)數(shù)據(jù)可知，粉塵粒徑為2 μm時，POD濾材效果不太理想，過濾效率只有75%，粉塵粒徑越小，POD濾材的過濾效果越不明顯，與芳綸針刺布效率相近;但對于3 μm以上粒徑的粉塵，POD濾材的過濾效率超過90%，對于6.5 μm及以上粒徑的粉塵，其過濾效率達到100%，與芳綸水刺布過濾效果相當(dāng)(芳綸針刺布只能達到94.3%)。

圖5 不同種類濾材的過濾性能

表5 POD濾材與間位芳綸濾材的過濾性能對比

圖6 潔凈間位芳綸濾材表面與纖維表面SEM

圖7 潔凈POD濾材及其纖維SEM

一般認(rèn)為，非織造濾料的孔徑大小與分布對過濾性能有重要影響，孔徑越大、孔徑分布分散程度越大，過濾效率越低，過濾阻力越?。?9］;但由圖5和表5可知，POD針刺濾材的孔徑大，過濾阻力小，對3 μm粒徑以上粉塵的過濾效率非常高。一方面，可能是POD針刺濾材孔徑分布窄、均一性好、集中度高。另一方面，通過分析潔凈間位芳綸針刺濾材和POD針刺濾材的表面微觀結(jié)構(gòu)(圖6和圖7)知:間位芳綸為圓形，在后處理過程中濾布表面的部分纖維收縮變形，纖維的分離度不太好(束狀纖維多)，從而導(dǎo)致孔徑分布分散性大，對粉塵的捕集效果差而使過濾效率不高;POD濾材結(jié)構(gòu)中，纖維分離度高(基本分離為單根纖維)，纖維在后整理過程中不產(chǎn)生變形(收縮變粗)，孔隙分布較均勻，且纖維表面不光滑、有明顯溝槽，截面呈不規(guī)則形狀［圖7(b)］，比表面積大，因此，POD纖維對粉塵的捕集效果好，過濾效果好。

當(dāng)然，可通過改變針刺參數(shù)特別是改變刺針的規(guī)格型號(如鉤刺形狀、數(shù)量、排布)、分布等進一步使POD針刺濾材孔徑變?。?0］，從而提高其對小粒徑粉塵的過濾效果;還可采用水刺加固法進一步改善孔徑的分布與孔徑大小來提高濾材對小粒徑粉塵的過濾效率。

2.4.2 潔凈濾材的動態(tài)過濾性能

將潔凈POD濾材按照GB/T 6719—2009要求進行動態(tài)過濾性能測試，其結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明:POD濾材具有很好的動態(tài)過濾效率，在1 000 Pa定壓噴吹的前30個周期結(jié)束時，過濾效率達到99.990%，而經(jīng)噴吹老化10 000次后的第二個定壓噴吹30個周期結(jié)束時，其過濾效率達到99.994%，過濾效率與覆膜針刺濾材［19］相當(dāng)，而好于一般針刺濾材，這與上述靜態(tài)過濾效果的分析結(jié)論相吻合;POD針刺濾材的最終粉塵剝離率達到83.4%，低于覆膜濾材，與一般針刺濾材相當(dāng);POD針刺濾材的殘余阻力在第一個定壓噴吹過程結(jié)束后為74.6 Pa，遠低于一般針刺濾材，第二個定壓噴吹過程結(jié)束后為187.2 Pa，與一般針刺濾材相當(dāng)。

表6 POD濾材的動態(tài)過濾性能

2.4.3 使用一定時間的容塵濾材的過濾性能

潔凈POD濾材及實際工場使用半年、一年的容塵POD濾材的孔徑分布如圖8(a)所示，在不同過濾速度(面風(fēng)速)條件下所受阻力(氣流穿過濾材時的壓差)如圖8(b)所示，不同粉塵粒徑下的濾材過濾效率如圖8(c)所示。由圖8(a)和圖8(b)計算得到的平均孔徑、阻力系數(shù)及測得的透氣度值列于表7。

圖8 不同POD濾材的過濾性能

圖8(a)與表7表明，經(jīng)實際工場使用后的容塵POD濾材的孔徑變小，使用半年、一年的容塵POD 濾材平均孔徑分別為 5.70 和 5.00 μm，但使用后的容塵POD濾材的孔徑分布依然較窄、集中度較高。使用半年的容塵POD濾材孔徑分布在5.2 ～8.1 μm 間，主要集中在 5.2 ～6.5 μm 間，占72.7%;使用一年的容塵POD濾材孔徑分布在5.5～33.5 μm 間，主要集中在 5.5 ～ 10.0 μm 間，占92.5%，其中 5.5 μm 左右的孔徑占 84.9%。圖8(b)和圖8(c)與表7表明，使用半年的容塵POD濾材的過濾阻力最高，使用一年的容塵POD濾材阻力介于潔凈濾材與使用半年的濾材之間，接近于潔凈濾材;但使用半年與使用一年的容塵POD濾材的過濾效率大幅度上升，對2.05 μm的粉塵過濾效率接近95%，而對2.74 μm的粉塵過濾效率為99%，對5.00 μm以上粒徑的粉塵過濾效率達100%。

表7 使用前后POD濾材的過濾性能對比

觀察容塵POD濾材的表面結(jié)構(gòu)(見圖9)可知，POD濾材的濾餅首先在纖維鎖結(jié)點(針刺纏結(jié)點)開始形成，然后逐步生長，覆蓋至全部濾材表面。在濾餅形成過程中，POD纖維上較少沾染、附著粉塵，在過濾過程中濾材的孔隙不會被粉塵堵塞，因而在達到粉塵捕集與脫落平衡狀態(tài)后，容塵POD濾材的過濾阻力仍處于較低水平。

上述說明POD潔凈濾材在使用過程中，隨著粉塵的附著逐步形成濾餅。濾餅形成后，容塵濾材的平均孔徑變小，過濾效果提高，一定時間后達到穩(wěn)定狀態(tài)。其過濾阻力在前期一段時間增加，當(dāng)粉塵捕集與脫落達到平衡后，濾材的過濾阻力趨于穩(wěn)定，接近潔凈濾材。

圖9 使用后容塵POD濾材表面SEM

3 結(jié)語

POD纖維具有良好的耐熱性、高溫尺寸穩(wěn)定性、耐腐蝕性、可紡性，可應(yīng)用于高溫?zé)煔膺^濾領(lǐng)域。POD耐高溫濾材的耐熱性能好，可在250℃以下溫度長期使用;由于纖維的可紡性、抱合性好，濾材具有較高的拉伸強度;濾材表面纖維經(jīng)熱處理后不變形，纖維在濾材中分布均勻，盡管濾材的孔徑較大，但分布集中均一;分布集中的孔徑和纖維特有的表面與截面形態(tài)使?jié)崈魹V材的過濾阻力小、過濾效率高;容塵濾材的孔徑大幅度減小，但分布集中性好，過濾效率大幅提高。POD纖維在高溫濾材領(lǐng)域的應(yīng)用與研究剛剛起步，今后應(yīng)在尋找最適用工況、減小孔徑以進一步提高過濾效率、與其他耐高溫纖維進行混紡等方面做出努力，使POD纖維在耐高溫濾材領(lǐng)域發(fā)揮其應(yīng)有的作用與優(yōu)勢。

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