高溫條件下濾料覆膜牢度特性研究

楊小川 柳靜獻(xiàn) 呂超 李國棟 朱冕

(東北大學(xué)濾料檢測中心 沈陽 110004)

0 引言

近二十年來，中國多個地區(qū)和城市頻頻出現(xiàn)大氣顆粒物濃度超標(biāo)，對人們的生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重影響。我國政府先后出臺了一系列環(huán)保方面的新標(biāo)準(zhǔn)，對火電、水泥、鋼鐵等高排放企業(yè)的高溫?zé)煔獬龎m設(shè)備提出了更加嚴(yán)苛的要求。袋式除塵器是控制工業(yè)煙塵的主流技術(shù)，濾料是其關(guān)鍵材料。覆膜濾料由于其對顆粒物尤其微細(xì)粒子的效率高、阻力相對穩(wěn)定而成為超低排放的首選濾料。覆膜濾料憑借其微孔且無直通孔的特殊結(jié)構(gòu)，只允許氣流通過，而把氣流中的顆粒污染物截留在PTFE薄膜上，達(dá)到表面過濾的效果。覆膜針刺氈濾料是將針刺氈與經(jīng)過雙向抻拉的PTFE薄膜經(jīng)過膠黏或者高溫?zé)釅汗に嚫埠隙傻膹?fù)合針刺氈過濾材料。覆膜濾料的表面過濾與傳統(tǒng)濾料的深層過濾相比，不僅過濾效率大大提高，還具有阻力增長慢、易清灰的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上得到越來越廣泛的應(yīng)用。

但在實(shí)際的使用過程中，覆膜針刺氈濾料迎塵覆膜表面在使用一段時間后會出現(xiàn)濾膜鼓包、破裂以及脫落等現(xiàn)象，這是由于PTFE薄膜與針刺氈濾料的黏結(jié)不牢固，并且在高溫環(huán)境下，PTFE薄膜、基材纖維或粘合劑受熱軟化進(jìn)而出現(xiàn)應(yīng)力松弛，粘附力下降所致。當(dāng)PTFE薄膜和針刺氈基布存在粘結(jié)不牢的現(xiàn)象時，除塵器中的脈沖式反向清灰系統(tǒng)會加速濾膜的脫落過程。近年，國內(nèi)外學(xué)者對于覆膜濾料的覆膜牢度與力學(xué)性能有一定研究，但目前研究主要集中在常溫狀態(tài)下濾料的覆膜牢度性能，對高溫狀態(tài)下覆膜濾料的覆膜牢度和力學(xué)性能研究有限，高溫下覆膜牢度研究尚未見報道。而燃煤電廠、水泥窯爐、鋼鐵冶煉、垃圾焚燒等場合的煙塵過濾都在高溫下進(jìn)行，覆膜更容易被清灰壓氣吹掉。

本文通過實(shí)驗(yàn)比較5種典型PTFE覆膜針刺氈濾料的覆膜牢度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、拉伸彈性模量及其高溫保持率，揭示高溫對PTFE覆膜針刺氈濾料覆膜牢度以及機(jī)械性能的影響，并通過回歸分析得到高溫狀態(tài)下覆膜牢度隨溫度變化的預(yù)測曲線，為現(xiàn)場研發(fā)具有穩(wěn)定高溫覆膜牢度的PTFE覆膜針刺氈濾料提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選擇了4種不同材質(zhì)的覆膜針刺氈濾料，分別編號為A1、A2、A3、A4；另外一種玻纖布濾料，編號為C。其中，A1為聚四氟乙烯(PTFE)針刺氈，A2為滌綸(PET)針刺氈，A3為滌綸亞克力復(fù)合(PET-PMMA)針刺氈，A4為氟美斯復(fù)合針刺氈。其中，A1、A2、A3覆膜針刺氈濾料的差異在于纖維的材質(zhì)，試樣A4、C與A1、A2、A3的差異在于覆膜工藝。試樣中C是機(jī)織玻纖布濾料。以上5種試樣材質(zhì)、加工與覆膜工藝如表1所示。

表1 A1、A2、A3、A4和C1的加工工藝

實(shí)驗(yàn)樣品為厚度3 mm、直徑50 mm的圓片，其具體幾何形狀如圖1所示，試樣尺寸為：φ1=25 mm，φ2=50 mm，d=3 mm。其中，φ1為覆膜牢度測試尺寸，φ2為試樣總尺寸，d為試樣厚度。

(a)俯視圖

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備包括：INSTRON高溫強(qiáng)力實(shí)驗(yàn)機(jī)，設(shè)備型號為3365，精度等級1級；覆膜牢度夾持儀；BINDER ED240自然對流烘箱。覆膜牢度夾持儀如圖2所示。

1—強(qiáng)力機(jī)夾具掛鉤；2—原型壓盤；3—覆膜濾料樣品；4—黏在覆膜料上的原型平盤

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)參照T/CAEPI 21—2019《袋式除塵用濾料技術(shù)要求》進(jìn)行。測試開始前，均勻剪取直徑為50 mm的A1、A2、A3、A4和C的圓片濾料試樣各100個，等分為5組分別在20、70、120、170以及220 ℃的環(huán)境下烘烤180 min，取出后室溫下冷卻，再放置于高溫強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)在高溫下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。

測試時，在覆膜濾料的不同部位，隨機(jī)剪取直徑為50 mm的圓形試樣；把樣品夾持在帶有下掛鉤的圓形夾具中，膜面向上，夾具內(nèi)徑45 mm；剪取直徑為25 mm的圓形CROWN-7965雙面膠片，下面黏附在濾料樣品的覆膜面的中心部位，上面黏附在帶有掛鉤的圓形平盤上，壓緊黏牢；將夾具的上掛鉤和下掛鉤分別固定在實(shí)驗(yàn)機(jī)的兩端，調(diào)整并控制夾具倉室至設(shè)定溫度，穩(wěn)定5 min后開始拉伸實(shí)驗(yàn)。待試樣上的覆膜與針刺氈分離后，停止實(shí)驗(yàn)并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3—圖7給出了5種材料在20、70、120、170、220 ℃下分別進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)所得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3—圖7可以看出，A1、A4兩種試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線規(guī)律一致，在相同應(yīng)變值時其應(yīng)力值明顯高于試樣C；而A2、A3兩種試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律一致，其應(yīng)力值明顯低于試樣C；試樣C的應(yīng)力-應(yīng)變曲線處于兩者之間。這是由于濾料自身材質(zhì)在熱壓的過程中與雙向拉伸的PTFE薄膜交聯(lián)程度不同所造成的，在5種工況下5種試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢可以分為兩種：在開始階段隨著拉伸位移的增大，應(yīng)力與應(yīng)變同時增大，但試樣A2、A3和C的應(yīng)力到達(dá)峰值后經(jīng)過一段較為平緩的下降后出現(xiàn)一個斷崖式的下降，而試樣A1、A4的應(yīng)力到達(dá)峰值后有一個短暫的平穩(wěn)趨勢，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力會逐漸減弱。

圖3 20 ℃應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 70 ℃應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 120 ℃應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 170 ℃應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 220 ℃應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 覆膜脫離方式分析

由圖3—圖7可以看出，試樣A1、A2、A3、A4與C的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降趨勢主要有兩種方式：試樣A1和A4是隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力到達(dá)峰值后多次呈大幅度斷崖式下降，每個小斷崖均是小圓盤上部分PTFE薄膜與濾料表面完全脫離造成的；試樣A2、A3、C是隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力到達(dá)峰值后迅速下降，但下降速率越來越小，呈現(xiàn)出一個緩坡的趨勢，這是由于應(yīng)力到達(dá)峰值后部分纖維黏附在PTFE薄膜上尚未徹底帶離針刺氈。兩種不同脫離方式的實(shí)驗(yàn)圖片如圖8—圖10所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)后小圓盤側(cè)視圖

圖9 實(shí)驗(yàn)后小圓盤正視圖

圖10 實(shí)驗(yàn)后針刺氈濾料正視圖

2.3 覆膜牢度

試樣從啟動實(shí)驗(yàn)開始直至覆膜被完全粘下時所受到的最大載荷(單位為牛頓，N)除以圓形平盤的面積s(單位為平方米，m2)，再經(jīng)過單位換算即可得到PTFE覆膜針刺氈復(fù)合濾料的覆膜牢度(單位為兆帕，MPa)，計算公式如式(1)所示。

(1)

式中,σt為覆膜牢度，PMa;ρb為覆膜脫離時的最大載荷，N;d為圓盤直徑，mm。

圖11為試樣的覆膜牢度隨著溫度變化曲線。由圖11可知，在20～70 ℃的溫度區(qū)間中，A3在20 ℃的覆膜牢度為0.065 35 MPa，在70 ℃環(huán)境下覆膜牢度損失程度最大，下降幅度達(dá)到18.7%；在同等條件下A1、A2、A4的覆膜牢度分別下降10.3%、3.8%和2.4%，覆膜牢度損失程度相對不大，說明4種經(jīng)過高溫?zé)釅焊材さ尼槾虤譃V料在該溫度范圍內(nèi)的交聯(lián)程度逐漸減弱。在70～220 ℃的溫度區(qū)間中，A1、A2、A3、A4的覆膜牢度分別從70 ℃的0.095 7、0.048 0、0.052 9、0.097 9 MPa逐步上升到220 ℃的0.102 9、0.054 3、0.079 2、0.101 0 MPa，總漲幅為7.6%、13.3%、38.6%、12.3%。可以看出，試樣A3的覆膜牢度波動范圍最大，試樣A2覆膜牢度波動范圍最小。在20～70 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，覆膜牢度隨著溫度的上升而下降，說明在該溫度區(qū)間內(nèi)，針刺氈基布與PTFE薄膜之間沒有形成新的接觸點(diǎn)，溫度上升會使PTFE薄膜與針刺氈基布纖維軟化，造成薄膜與基布之間的應(yīng)力松弛，使原有接觸點(diǎn)的強(qiáng)度降低，因此覆膜牢度會有所下降。高溫是影響針刺氈基布經(jīng)緯紗黏結(jié)的重要因素，在70～220 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，隨著溫度的升高，高溫逐漸使PTFE薄膜上的原纖化結(jié)構(gòu)與針刺氈纖維結(jié)構(gòu)熔融，使PTFE薄膜與針刺氈基布接觸點(diǎn)的黏結(jié)效果越好，覆膜濾料的覆膜牢度也就越高。

圖11 覆膜牢度-溫度曲線

由圖11可以看出，試樣A1、A2、A3、A4的覆膜牢度都存在先降低后升高的趨勢。而試樣C的覆膜牢度隨溫度的升高并沒有明顯的變化。在5種溫度環(huán)境下，A1和A4的覆膜牢度均高于A2與A3，介于0.10 MPa至0.11 MPa之間。而試樣C的覆膜牢度則處于相對居中的大小，介于0.8～0.9 MPa之間，小于試樣A1與A4，大于試樣A2與A3。說明高溫?zé)釅号c膠黏兩種覆膜工藝并沒有明顯的優(yōu)劣，應(yīng)當(dāng)基于纖維的種類與材質(zhì)選擇合適的覆膜工藝與覆膜參數(shù)，從而達(dá)到最優(yōu)的覆膜牢度。

2.4 覆膜牢度高溫穩(wěn)定性

高溫覆膜牢度保持率越高，如式(2)所示給出了覆膜牢度保持率，其值越高，說明試樣的覆膜牢度受溫度的影響越小。

(2)

式中，ρ為常溫下的覆膜牢度參數(shù)；ρ0為高溫下的覆膜牢度參數(shù)；ρf為覆膜牢度高溫穩(wěn)定性。

圖12為覆膜牢度保持率和溫度關(guān)系。由圖12可以看出，在20～220 ℃內(nèi)，試樣C的覆膜牢度保持率波動較小，說明試樣C的高溫覆膜牢度最穩(wěn)定，基本不受溫度影響。相較于試樣A1、A2與A4，試樣A3在20 ℃至70 ℃的范圍內(nèi)的覆膜牢度保持率最低，僅有81.26%，受溫度的影響最大；在70 ℃至220 ℃的范圍內(nèi)，試樣A3的漲幅最大，為31.39%，說明試樣A3的高溫覆膜牢度最不穩(wěn)定，受溫度的影響最大。

圖12 覆膜牢度保持率-溫度曲線

2.5 數(shù)據(jù)擬合

目前國內(nèi)學(xué)者對PTFE覆膜針刺氈濾料的覆膜牢度研究主要以大量的實(shí)驗(yàn)為主，本文通過實(shí)驗(yàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到連續(xù)溫度區(qū)間內(nèi)的力學(xué)性能經(jīng)驗(yàn)公式。

以上5種試樣在任一溫度下的覆膜牢度ρl為縱坐標(biāo)，以實(shí)驗(yàn)溫度t為橫坐標(biāo)，用MATLAB軟件對覆膜牢度和溫度的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如表2所示。

表2 5種試樣的覆膜牢度回歸分析公式

對試樣A1，3種方法的擬合優(yōu)度R2分別為：0.012 41、0.655 46、0.906 77，隨著實(shí)驗(yàn)溫度t的次數(shù)為三次方時，R2更接近1。所以，三次方經(jīng)驗(yàn)公式最能反映出覆膜牢度隨溫度變化的規(guī)律。

對試樣A2，3種方法的擬合優(yōu)度R2分別為：0.684 06、0.813 21、0.981 47，隨著實(shí)驗(yàn)溫度t的次數(shù)為三次方時，R2最接近1。所以，三次方經(jīng)驗(yàn)公式最能反映出覆膜牢度隨溫度變化的規(guī)律。

對試樣A3，3種方法的擬合優(yōu)度R2分別為：0.408 03、0.742 84、0.998 97，隨著實(shí)驗(yàn)溫度t的次數(shù)為三次方時，R2最接近1。所以，三次方經(jīng)驗(yàn)公式最能反映出覆膜牢度隨溫度變化的規(guī)律。

對試樣A4，3種方法的擬合優(yōu)度R2分別為：0.822 63、0.742 84、0.988 98，隨著實(shí)驗(yàn)溫度t的次數(shù)為三次方時，R2最接近1。所以，三次方經(jīng)驗(yàn)公式最能反映出覆膜牢度隨溫度變化的規(guī)律。

對試樣C，3種方法的擬合優(yōu)度R2分別為：0.016 89、0.276 82、0.276 9，隨著實(shí)驗(yàn)溫度t的次數(shù)為三次方時，R2更接近1。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過高溫?zé)釅汗に囍谱鞒龅腜TFE覆膜針刺氈濾料的覆膜牢度性能與針刺氈濾料的材質(zhì)有關(guān)，覆膜針刺氈濾料的覆膜牢度隨溫度的升高呈先降低后升高的變化趨勢。由實(shí)驗(yàn)可以得出，經(jīng)過熱壓得到的PTFE針刺氈、氟美斯復(fù)合針刺氈的覆膜牢度、覆膜牢度穩(wěn)定性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出PET針刺氈以及PPTE+MMMA針刺氈。覆膜所使用的的高溫?zé)釅悍ㄅc膠黏法兩種工藝方法需要根據(jù)所覆濾料的纖維類型以及纖維梳理、加工工藝的不同，進(jìn)行合理的選擇。

(2)覆膜針刺氈濾料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢大致分為兩種：第一種是在實(shí)驗(yàn)開始后，應(yīng)力和應(yīng)變都隨著拉伸位移的增大而增大，應(yīng)力到達(dá)峰值后呈斷崖式下降，這是由于PTFE薄膜與濾料表面完全脫離；第二種是在實(shí)驗(yàn)開始后，應(yīng)力和應(yīng)變都隨著拉伸位移的增大而增大，應(yīng)力到達(dá)峰值后迅速下降，但下降速率越來越小，這是由于應(yīng)力到達(dá)峰值后PTFE薄膜未徹底分離，部分纖維跟隨薄膜脫離針刺氈。

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到覆膜濾料在5個溫度點(diǎn)(20、70、120、170、220 ℃)的覆膜牢度性能參數(shù)，得到5種典型PTFE覆膜濾料在此溫度區(qū)間內(nèi)的覆膜牢度性能經(jīng)驗(yàn)公式，可對該5種典型PTFE覆膜濾料在此溫度區(qū)間的高溫鍍膜牢度性能進(jìn)行預(yù)測。