耐高溫針刺過濾材料性能的研究

劉延波 王 振 張澤茹 張 維

(天津工業(yè)大學，天津，300387)

耐高溫針刺過濾材料性能的研究

劉延波 王 振 張澤茹 張 維

(天津工業(yè)大學，天津，300387)

對PTFE、PPS和P84三種耐高溫針刺過濾材料進行了物理性能和過濾性能測試;研究了在類似的工藝條件下三種過濾材料的過濾性能，并與國家標準的技術要求進行對照，分析三種過濾材料的優(yōu)缺點及適用的工況條件，為袋式除塵器過濾材料的選用提供依據(jù)。

聚苯硫醚，聚酰亞胺，聚四氟乙烯，耐高溫針刺過濾材料，性能

目前解決大氣污染的主要手段是利用袋式除塵器除塵。袋式除塵器具有高效、穩(wěn)定、可靠的分離能力，能夠滿足日益嚴格的環(huán)保標準要求［1］。袋式除塵器主要由袋室、濾袋、框架和清灰裝置等組成，其除塵過程主要由濾袋完成，濾袋是袋式除塵器的關鍵部件。選用合適的纖維原料加工濾袋是袋式除塵技術的研究重點之一。

國內(nèi)外使用的過濾材料多數(shù)是針刺非織造布［2］。本文選取聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯硫醚(PPS)和聚酰亞胺(P84)針刺過濾材料，對其進行面密度、厚度、透氣性、孔徑分布、過濾效率、阻燃性能和力學性能測試，并進行比較，旨在為過濾材料選擇合適的纖維原料，以延長濾袋的使用壽命，節(jié)省成本，并達到更佳的過濾效果。

1 試樣制備

本試驗所用的PTFE、PPS和P84針刺過濾材料均采用以下工藝制備:

纖維開松→梳理成網(wǎng)→交叉鋪網(wǎng)→預針刺→中線分切→加基布→主刺→分切卷繞。

1.1 PPS針刺過濾材料

PPS纖維原料由日本東麗公司生產(chǎn)，纖維規(guī)格為2.4 dtex×76 mm，用德國Dilo生產(chǎn)線生產(chǎn)。梳理毛網(wǎng)面密度32 g/m2，交叉鋪網(wǎng)18層后喂入預刺機;經(jīng)牽伸后，由牽伸機后設有的切刀將毛網(wǎng)切成同幅寬的兩半，通過翻轉(zhuǎn)將兩層毛網(wǎng)層疊，引入基布(本樣品的基布為120 g/m2的PPS織物);喂入主刺機，針刺頻率約3 850 r/min，針刺密度888.9 刺/cm2，針刺深度8.3 mm，經(jīng)過 4 塊針板上下同步對刺，最后分切卷繞。

1.2 P84針刺過濾材料

P84纖維原料由奧地利蘭精公司生產(chǎn)，纖維規(guī)格為2.2 dtex×51 mm，用德國Dilo生產(chǎn)線生產(chǎn)。鋪網(wǎng)層數(shù)為20層，添加120 g/m2的PTFE基布;梳理毛網(wǎng)面密度24 g/m2，鋪網(wǎng)后進行預刺，針刺密度37.2刺/cm2，針刺深度13 mm;牽伸后中點分切，加入基布，再送入主刺機中，主刺深度7.3 mm，針刺密度888.9 刺/cm2，針刺頻率約 3 852.3 r/min，最后分切卷繞。

1.3 PTFE針刺過濾材料

PTFE纖維原料來自常州中澳興城高分子材料有限公司，纖維規(guī)格為(3.3 ～5.5)dtex×51 mm，用海潤紡織機械有限公司生產(chǎn)的針刺生產(chǎn)線生產(chǎn)。基布為120 g/m2的PTFE織物。生產(chǎn)過程始終保持室溫20℃、相對濕度75%。為使纖維容易梳理，在梳理過程中添加滑石粉。滑石粉還能使PTFE過濾材料有更好的過濾性能。平均針刺密度180刺/cm2，針刺頻率約750 r/min。

2 性能測試

參考《除塵布袋制造的國家標準及質(zhì)量控制》和GB 12625—1990《袋式除塵器用濾料及濾袋技術條件》所規(guī)定的測試方法進行檢測。

2.1 面密度

過濾材料面密度按GB/T 4669—1995《機織物單位長度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測定》［3］的規(guī)定測定。

測試設備:FA2004B電子天平，上海精密儀器有限公司;

測試條件:溫度20℃，相對濕度65%，0.1 MPa;

試樣:PPS、PTFE和 P84針刺過濾材料各10 塊，面積 100 cm2。

2.2 厚度

過濾材料的厚度按GB/T 3820—1997《紡織品與紡織制品厚度的測定》［4］的規(guī)定測定。

測試設備:YG141織物厚度儀，常州第二紡織機械廠;

測試條件:溫度20℃，相對濕度65%，0.1 MPa;

試樣:PPS、PTFE和 P84針刺過濾材料各10 塊，面積 100 cm2。

2.3 透氣性

過濾材料的透氣量按GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》［5］的規(guī)定測定。

測試設備:YG461型中壓透氣量儀;

測試條件:溫度20℃，相對濕度65%，0.1 MPa;

試樣:PPS、PTFE和 P84針刺過濾材料各10 塊，面積 200 cm2。

2.4 孔徑分布

通過電鏡掃描儀觀察三種樣品的孔徑分布及其大小。

試驗條件:溫度20℃，相對濕度65%，0.1 MPa;

試樣:PPS、PTFE和P84針刺過濾材料各2塊，面積1 cm2。

2.5 過濾效率

潔凈過濾材料阻力和靜態(tài)除塵率按GB 12625—1990《袋式除塵器用濾料及濾袋技術條件》［6］的規(guī)定采用過濾材料靜態(tài)性能測試儀測定。

（2）通過對未來10年左右用水量預測，可知農(nóng)業(yè)、工業(yè)和其他用水量均在逐步上升，因此積極推廣節(jié)水技術已經(jīng)成為綏中縣可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

測試設備:SX-L1050濾料試驗臺;

測試條件:溫度20℃，相對濕度65%，0.1 MPa;

試樣:PPS、PTFE和P84針刺過濾材料各6塊，試樣尺寸20 cm×20 cm。

2.6 阻燃性能

袋式除塵器用于高溫或含有可能發(fā)生自燃現(xiàn)象粉塵的過濾時，由于高溫或者灼熱的顆粒附著于濾袋，或者是自燃物質(zhì)發(fā)火均會使過濾材料燒毀，造成嚴重后果。為了防止濾袋發(fā)生燃燒事故，需要對于除塵器的過濾材料進行阻燃性能的測定。

過濾材料的阻燃性能根據(jù)GB/T 12138—1989《袋式除塵器性能測試方法》［7］進行，用垂直法測定其阻燃性能。

測試設備:垂直燃燒試驗儀;

測試條件:調(diào)濕調(diào)溫24 h，溫度20℃，0.1 MPa;

試樣:采用梯形取樣，試樣尺寸30 cm×8 cm，PPS、PTFE和P84針刺過濾材料分別按縱橫向各取樣5塊。

2.7 力學性能

針刺過濾材料的斷裂強力和斷裂伸長率按GB/T 3923.1—1997《紡織品織物拉伸性能》［8］的規(guī)定測定。

測試條件:調(diào)濕調(diào)溫24 h，溫度20℃，0.1 MPa;

試樣:采用平行法取樣，試樣尺寸300 cm×50 cm，PPS、PTFE和 P84針刺過濾材料分別按縱橫向各取樣5塊。

3 結(jié)果與分析

3.1 針刺過濾材料的物理性能

3.1.1 面密度與厚度

三種過濾材料的面密度和厚度，以及面密度和厚度標準差的測試結(jié)果見圖1和表1。

圖1 三種過濾材料的面密度和厚度測試結(jié)果

表1 三種過濾材料面密度和厚度的標準差

由圖1可以看出，PTFE過濾材料的厚度在三種過濾材料中最小，但是面密度卻最大，其原因是PTFE單纖密度高達2.2 g/cm3，而PPS和P84單纖密度分別為1.36和1.41 g/cm3。表1數(shù)據(jù)顯示，PTFE過濾材料的面密度標準差大，說明其面密度不均勻，比其他兩種過濾材料均勻性差。一是因為PTFE過濾材料的生產(chǎn)設備為國產(chǎn)針刺設備，而另外兩種過濾材料均由德國Dilo公司進口的設備生產(chǎn)，PTFE過濾材料的生產(chǎn)受到設備的影響，導致纖網(wǎng)的面密度不勻;二是因為PTFE過濾材料本身的面密度較大，在生產(chǎn)工藝上不容易控制，也會導致面密度不勻。用作除塵器濾袋的針刺材料，厚度和面密度是根據(jù)所使用環(huán)境的具體要求而定的，國家標準要求面密度標準差為±25 g/m2，厚度標準差為 ±0.2 mm。

3.1.2 力學性能

三種過濾材料的強力和斷裂伸長率的測試結(jié)果分別見圖2和圖3。

由圖2和圖3可以看出，三種過濾材料中力學性能最好的是PPS針刺過濾材料，而PTFE針刺過濾材料受到纖維自身特性的影響，其力學性能較差，但是PTFE過濾材料橫縱向的強力較為均勻。由于PPS與P84針刺過濾材料的生產(chǎn)設備與PTFE針刺過濾材料的生產(chǎn)設備不同，造成鋪網(wǎng)方式不同，所以PPS與P84過濾材料的橫向斷裂強力大于縱向斷裂強力，而PTFE針刺過濾材料是縱向斷裂強力大于橫向斷裂強力。

圖2 三種過濾材料強力測試結(jié)果

圖3 三種過濾材料斷裂伸長率測試結(jié)果

一般情況下，材料斷裂強力大，其斷裂伸長率會小，但是上述三種過濾材料是強力大的過濾材料其伸長率也大。這種現(xiàn)象應當與產(chǎn)品添加了基布有關。三種過濾材料分別添加了PPS或PTFE基布?；疾捎媒?jīng)緯平紋織造，基布兩側(cè)均有纖網(wǎng)，在基布兩側(cè)纖網(wǎng)的纖維基本都斷開時，基布尚未斷開，因此過濾材料的伸長率受到影響。

國家標準GB 12625—1990《袋式除塵器用濾料及濾袋技術條件》對于合纖過濾材料強力和伸長的要求是:

由此可見:PTFE過濾材料的橫向強力稍差，P84過濾材料的縱向強力也未達到標準，而三種過濾材料的橫縱向斷裂伸長率均達到了國家標準中規(guī)定的指標。在生產(chǎn)中可以通過調(diào)整鋪網(wǎng)工藝和調(diào)整基布的方法提高過濾材料的強力，同時考慮到刺針對于強力的影響，也可以通過調(diào)整針布和刺針，以減少對于針刺材料中纖維和基布的損傷。

3.2 針刺過濾材料的過濾性能

3.2.1 透氣量和過濾效率

圖4是三種過濾材料透氣量、過濾效率和過濾阻力的測試結(jié)果，并測得PPS、PTFE和P84過濾材料透氣量的標準差分別為5.17、28.7 和11.87 L/(m2·s)。

圖4 三種過濾材料過濾性能測試結(jié)果

過濾材料的透氣量因纖維種類、線密度及材料的結(jié)構(gòu)形式、密度不同而異。透氣量小，單位面積單位時間內(nèi)允許通過的風量小，則過濾效率高，阻力也大。透氣量標準差的大小反映了過濾材料質(zhì)地的均勻程度［9］。按照國家標準 GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》規(guī)定，材料的透氣量作為只參考不考核的項目，要求透氣量標準差在±25%即可。三種過濾材料的標準差均達到了標準要求，且PPS過濾材料的質(zhì)地均勻性優(yōu)于其他兩種過濾材料。

過濾效率的測試均在潔凈狀態(tài)下進行。由圖4可以看出:PTFE過濾材料的過濾效率最高，過濾阻力較小;P84過濾材料的過濾阻力最小，過濾效率也最小;PPS過濾材料的過濾阻力最大，過濾效率較低。按照國家標準GB 12625—1990《袋式除塵器用濾料及濾袋技術條件》對于針刺過濾材料的要求，在靜態(tài)下的過濾除塵率應達到99.5%以上。上述三種過濾材料中以PTFE過濾材料的過濾效果為最好。

3.2.2 孔徑

圖5是PTFE、PPS和P84過濾材料的掃描電鏡照片。

由圖5可以清晰地看出:PTFE過濾材料的孔隙要比PPS與P84過濾材料的孔隙小，PTFE纖維的形狀與PPS、P84纖維明顯不同，呈扁平狀且表面不光滑;P84纖維的截面呈現(xiàn)三葉形。扁平且表面不光滑的PTFE纖維增加了纖維的比表面積，也提高了纖維對于粉塵的攔截效果;而三葉形的P84纖維與普通的圓形纖維相比，比表面積增大，也提升了微粒的捕集效率。

3.2.3 孔隙率

通常情況下，材料的過濾性能也可以用孔隙率來間接的反映。根據(jù)下式可以計算得出過濾材料的孔隙率:

圖5 三種過濾材料的掃描電鏡照片

式中:η——孔隙率(%);

G——面密度(g/m2);

ρ——纖維密度(g/m3);

σ——厚度(m)。

計算得到PPS、P84和PTFE過濾材料的孔隙率分別為96%、97%和88%。對比三種過濾材料的過濾效率可以發(fā)現(xiàn)，過濾效率與過濾材料的孔隙率成反比。針刺非織造過濾材料孔徑分布分散程度高，針刺加工形成的微孔較大，大孔徑的孔隙多，有很高的孔隙率，微孔為含塵氣流提供了通道，導致過濾效率較低和過濾阻力低。根據(jù)透氣性與孔徑之間的關系，說明大部分氣體都經(jīng)大孔徑孔隙流走。過濾材料的孔徑大，不能有效地截留氣流中的顆粒物，則通過過濾材料的顆粒物數(shù)量多，過濾效果差，因而很難達到理想的過濾效果［10］。

結(jié)合三種過濾材料的過濾效率和透氣量測試結(jié)果以及掃描電鏡照片進行分析，影響三種材料過濾效率的因素包括針刺生產(chǎn)過程中的針刺頻率、刺針的粗細，以及原料纖維的線密度和形狀對于微粒攔截效應的影響。

3.3 針刺過濾材料的阻燃性能

在阻燃性能測試過程中，三種過濾材料均未出現(xiàn)陰燃和續(xù)燃現(xiàn)象。根據(jù)三種過濾材料的面密度分別選擇對應的重錘，PPS、PTFE和P84針刺過濾材料分別選用 340.2、453.6 和 340.2 g的重錘。將重錘掛于試樣一側(cè)的下端，三種過濾材料縱橫向的撕裂長度(即損毀長度)基本無差異。測試結(jié)果見表2。

表2 三種過濾材料的損毀長度 (單位:mm)

未經(jīng)阻燃后整理的針刺過濾材料，其阻燃性能取決于纖維本身的阻燃性能。根據(jù)纖維能達到的瞬間耐溫值可以看出，PTFE纖維＞P84纖維＞PPS纖維，因此PPS過濾材料的損毀長度最大。PPS針刺過濾材料適用于煙氣溫度較低的工況。PTFE過濾材料的阻燃性能最好，適用于溫度更高的工況，并且其耐酸堿腐蝕性好，最適宜用于垃圾焚燒爐煙氣的過濾［11］。P84過濾材料的阻燃耐高溫性也很出色，因此是煤爐、水泥窖煙氣過濾的最佳選擇。

4 結(jié)論

(1)在三種過濾材料中，PPS和P84袋式除塵針刺過濾材料力學性能指標能夠達到國家標準的技術要求，但PTFE針刺過濾材料的力學性能較其他兩種針刺過濾材料差，如果能夠通過改進PTFE過濾材料的生產(chǎn)工藝來進一步提高其力學性能，將會大大提高PTFE針刺過濾材料濾袋的使用壽命，從而進一步降低濾袋的使用成本。

(2)PTFE針刺過濾材料的過濾性能大大好于其他兩種針刺過濾材料，在未作任何后整理的情況下即可達到98%的過濾效率。

(3)PPS與P84針刺過濾材料在未進行PTFE覆膜或是后整理的情況下不能達到國家標準對于針刺過濾材料的技術要求，但在覆膜后過濾效率會有所提高，因此如果能夠?qū)PS和P84針刺過濾材料進行適當?shù)墓δ苄哉?，例如防油防水整理等，可有效提高其袋式除塵過濾材料的過濾性能，使PPS和P84針刺過濾材料的市場前景更加廣闊。

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Research on high temperature resistance needle-punched filtration materials

Liu Yanbo，Wang Zhen，Zhang Zeru，Zhang Wei
(Tianjin Polytechnic University)

The mechanical property and filtration performance of PTFE and PPS as well as P84 needle-punched filtration materials with high temperature resistance were tested.The filtration performances of three kinds of filtration materials were studied at similar process conditions and compared them to the technology requirements of the national standard.The advantages and faults of the filtration materials and the feasible technique condition were analyzed and provided the selection of filtration materials for the bag-house duster.

PPS，P84，PTFE，high temperature resistance needle-punched filtration material，property

TS176+.5

A

1004－7093(2012)07－0016－05

2011－10－28

劉延波，女，1964年生，副教授/高級工程師。主要從事非織造材料的研究。