針刺和水刺復(fù)合工藝制備的PPS濾料及其性能研究

(南京百朋紡織材料有限公司，南京，211505)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，對(duì)電力的需求量越來(lái)越大。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2011年度國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，2011年我國(guó)發(fā)電總量為47 000.7億kW·h，其中火力發(fā)電量為38 253.2億kW·h，占總發(fā)電量的81.4%。由于火電機(jī)組以煤為燃料，不可避免地會(huì)產(chǎn)生巨量的微細(xì)粉塵，現(xiàn)已成為PM2.5粉塵的一個(gè)重要污染來(lái)源。國(guó)家對(duì)工業(yè)粉塵排放的控制日益嚴(yán)格，在2011年新發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中已嚴(yán)格要求其煙塵排放的質(zhì)量濃度小于30 mg/m3［1］。由于燃煤電廠的特殊工況決定了未來(lái)電廠將廣泛采用除塵效果更好的袋式除塵，而濾料是袋式除塵最重要的核心部件，其性能直接決定了袋式除塵效率。

目前在燃煤電廠中廣泛應(yīng)用的是聚苯硫醚(PPS)濾料。PPS纖維的耐酸、耐水解和耐化學(xué)性能極其優(yōu)異，能夠在170℃溫度下長(zhǎng)期使用，并且易于紡織加工制成濾料［2-3］。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的PPS濾料大都采用針刺工藝制作，面密度在550 g/m2左右，對(duì)PM2.5的過(guò)濾效率能夠達(dá)到99%，但是，針刺PPS濾料也存在一些不足。例如:剛性刺針對(duì)基布強(qiáng)力的損傷較大，也會(huì)使纖網(wǎng)中纖維的強(qiáng)力受到不同程度的損傷，導(dǎo)致PPS針刺濾料的強(qiáng)力降低;針刺PPS濾料中孔隙的孔徑較大，影響其過(guò)濾精度;針刺PPS濾料表面有針痕和呈現(xiàn)骨折狀，手感硬。

為解決針刺工藝生產(chǎn)PPS濾料所出現(xiàn)的種種問(wèn)題，本文采用針刺和水刺復(fù)合工藝替代現(xiàn)在普遍使用的針刺工藝。水刺的柔性纏結(jié)復(fù)合技術(shù)能有效地解決普通針刺工藝中帶鉤的鋼針對(duì)PPS基布長(zhǎng)絲不可避免的損傷問(wèn)題，突破針刺復(fù)合過(guò)程中大量切斷長(zhǎng)絲而造成濾袋強(qiáng)度下降的瓶頸約束;克服由于剛性刺針上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)與柔性纖網(wǎng)的連續(xù)水平運(yùn)動(dòng)必然會(huì)給布面留下針痕等難題［4-6］。與傳統(tǒng)針刺PPS濾料相比，針刺和水刺復(fù)合工藝制作的PPS濾料過(guò)濾效率和過(guò)濾精度都大為提高，特別是對(duì)粒徑在2.5 μm以下的微細(xì)粒子的過(guò)濾效率達(dá)到了100%，透氣性和力學(xué)性能出色，完全能夠滿足燃煤電廠對(duì)粉塵排放濃度的要求。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

普通針刺PPS濾料，南京際華3521特種裝備有限公司生產(chǎn);

針刺和水刺復(fù)合工藝制備的PPS濾料(下稱針刺水刺復(fù)合 PPS濾料)，德國(guó) Fleissner公司提供。

1.2 針刺水刺復(fù)合PPS濾料的制作工藝

針刺和水刺復(fù)合工藝是將經(jīng)過(guò)預(yù)針刺的纖網(wǎng)，再經(jīng)過(guò)水刺加固，利用高速水流的沖擊作用，將纖維纏結(jié)，最終形成具有很高強(qiáng)力和高過(guò)濾精度的濾料。

1.3 性能測(cè)試

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 24218.2—2009，采用 YG141型厚度儀測(cè)試樣厚度;

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24218.1—2009，采用圓形取樣器測(cè)試樣面密度;

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3923.1—1997，采用HD026N型電子織物強(qiáng)力儀測(cè)試樣拉伸性能;

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453—1997，采用YG461型織物中壓透氣量?jī)x測(cè)試樣透氣性;

采用CLJ-03A型激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器測(cè)試樣過(guò)濾效率，其塵埃的粒徑分為 0.3、0.5、1、3、5 和10 μm六個(gè)級(jí)別。

2 結(jié)果與分析

2.1 厚度與面密度

對(duì)普通針刺PPS濾料和針刺水刺復(fù)合PPS濾料兩種試樣進(jìn)行厚度和面密度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 兩種PPS濾料的厚度和面密度

從表1可以看出，針刺水刺復(fù)合濾料的厚度和面密度均比普通針刺濾料要小，這主要是由于水針直徑更細(xì)小，對(duì)纖維的損傷更小，加固后的濾料其內(nèi)部孔隙的孔徑更小。大量測(cè)試結(jié)果顯示:針刺水刺復(fù)合PPS濾料的面密度在500 g/m2時(shí)就已經(jīng)能達(dá)到煙塵過(guò)濾性能的要求，而普通針刺PPS濾料需要550 g/m2才能達(dá)到煙塵過(guò)濾性能的要求。這也是針刺水刺復(fù)合PPS濾料厚度可以比普通針刺濾料的厚度少0.1 mm的原因。

從表1還可以看出，針刺水刺復(fù)合PPS濾料的厚度與面密度誤差范圍相對(duì)較小。這主要是由于其在加固過(guò)程中一直受托網(wǎng)簾托持，其牽伸較小，而不像普通針刺濾料經(jīng)多道針刺機(jī)時(shí)要經(jīng)受多次縱向拉伸。

針刺水刺復(fù)合PPS濾料表面平整，沒(méi)有普通針刺濾料常見(jiàn)的針痕和針眼。傳統(tǒng)刺針針柄較粗，在反復(fù)來(lái)回對(duì)材料進(jìn)行穿刺時(shí)，刺針在纖維層中會(huì)停留一定時(shí)間，導(dǎo)致輸出速度與輸入速度有一定的速度比，因此不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的拉伸，造成針痕出現(xiàn)。

2.2 過(guò)濾效率與過(guò)濾精度

對(duì)普通針刺PPS濾料和針刺水刺復(fù)合PPS濾料兩種試樣進(jìn)行過(guò)濾效率測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩種PPS濾料的過(guò)濾效率 (單位:%)

從表2可以看出，兩種濾料的過(guò)濾效率均隨著塵埃粒徑增大而相應(yīng)增大，對(duì)于粒徑在5μm以上的塵埃，兩者的過(guò)濾效率都達(dá)到了100%。這是由非織造濾料的過(guò)濾機(jī)理所決定的，無(wú)論是普通針刺濾料還是針刺水刺復(fù)合濾料，都具有復(fù)雜的三維立體空間結(jié)構(gòu)，存在著許多微細(xì)孔隙和彎曲通徑，這有利于利用重力沉降、攔截效應(yīng)和布朗擴(kuò)散作用來(lái)完成過(guò)濾。在實(shí)際煙塵過(guò)濾工況下，煙塵會(huì)在濾料表面形成一個(gè)“濾餅層”，從而利用濾料表面沉積的微細(xì)塵埃層來(lái)實(shí)現(xiàn)表面過(guò)濾。也就是說(shuō)，在實(shí)際工況中的過(guò)濾效率會(huì)比試驗(yàn)所測(cè)得的靜態(tài)過(guò)濾效率更高。

從表2還可以明顯看出，針刺水刺復(fù)合PPS濾料的過(guò)濾效率遠(yuǎn)高于普通針刺PPS濾料，對(duì)于粒徑在2.5 μm以下的顆粒捕集效果優(yōu)于普通針刺PPS濾料。這主要是由于使用水針代替剛性的刺針會(huì)使濾料表面孔隙的孔徑更小，并且不會(huì)對(duì)纖維產(chǎn)生損傷，而普通針刺則完全是靠剛性刺針對(duì)纖維層進(jìn)行上下反復(fù)穿刺，其刺針的針柄直徑大于水針。有資料顯示［5］，水刺濾料表面孔隙的孔徑集中在20 μm左右，而針刺濾料孔隙的孔徑則集中在40 μm，孔徑越小，其捕捉微細(xì)顆粒的能力就越強(qiáng)。因此，對(duì)于治理對(duì)人們身體危害巨大的PM2.5，針刺水刺復(fù)合濾料更為有效。

目前燃煤電廠生產(chǎn)中產(chǎn)生的粉塵，70%以上是粒徑小于5 μm的呼吸性粉塵。粉塵的分散度高，粉塵粒徑小，其在空氣中的穩(wěn)定性高，在空氣中懸浮也持久［6］，會(huì)對(duì)人體造成很大的危害。從表2數(shù)據(jù)可以看出，普通針刺PPS濾料對(duì)5 μm塵埃的過(guò)濾效率可達(dá)100%，而對(duì)0.5～5 μm塵埃的過(guò)濾效率是90%以上，但對(duì)5 μm以下的塵埃的過(guò)濾效率卻只能達(dá)到90%左右。

2.3 透氣性

透氣性能夠直觀地反映出濾料的過(guò)濾效率與精度，透氣性越差則濾料表面孔隙的孔徑越小，其過(guò)濾效率越高，過(guò)濾微細(xì)粉塵顆粒的能力就越強(qiáng)。透氣性還能夠反映出濾料制成濾袋后在燃煤電廠使用時(shí)阻力的大小。透氣性越差則在使用過(guò)程中形成表面濾餅層的時(shí)間就越短，其所需的負(fù)壓風(fēng)力也相應(yīng)較小;透氣性好則在過(guò)濾時(shí)會(huì)有較多微細(xì)顆粒進(jìn)入到濾料內(nèi)部，堵塞濾料表層孔隙，從而妨礙表面濾餅層的形成，表面過(guò)濾效果變差。因此，對(duì)于燃煤電廠的煙塵過(guò)濾用濾料，其透氣量以偏低為宜，但也不能過(guò)低，因?yàn)檫^(guò)低極易使濾料孔隙被堵塞，不利于過(guò)濾的進(jìn)行。

對(duì)普通針刺PPS濾料和針刺水刺復(fù)合PPS濾料兩種試樣進(jìn)行透氣性測(cè)試，每種濾料取五個(gè)樣點(diǎn)，其數(shù)據(jù)平均值見(jiàn)表3。

表3 兩種PPS濾料的透氣性

表3數(shù)據(jù)顯示，針刺水刺復(fù)合PPS濾料的透氣量小于普通針刺PPS濾料。這主要是由于針刺水刺復(fù)合濾料所產(chǎn)生的針眼少且孔徑較小，而針刺PPS濾料則相反?？讖皆叫?，透氣量也越小。

從表3還可以看出，兩種濾料的透氣量均在一定的范圍內(nèi)變動(dòng)。在同一試樣的不同位置進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果可能不相同。針刺水刺復(fù)合PPS濾料的CV值僅為5%，遠(yuǎn)小于普通針刺PPS濾料的12%。在鋪網(wǎng)工序中，挾持單層纖網(wǎng)的鋪網(wǎng)小車行走在兩個(gè)邊緣處時(shí)要減速或加速，會(huì)在兩邊停留相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，相對(duì)于中間部位小車在邊緣處對(duì)纖網(wǎng)的牽伸力較小，最終形成纖網(wǎng)兩邊稍厚而中間薄的狀況，這是無(wú)論針刺濾料還是水刺濾料透氣量均會(huì)出現(xiàn)一定程度上不均勻的原因。由于針刺水刺復(fù)合濾料只對(duì)纖維層進(jìn)行預(yù)針刺，而后面多道高壓水刺才是加固的主要方式，在生產(chǎn)過(guò)程中纖維層一直在托網(wǎng)簾之上，沒(méi)有經(jīng)受多道縱向拉伸，并且水針纏結(jié)方式較為柔和，因此針刺水刺復(fù)合PPS濾料的CV值比普通針刺PPS濾料低。

2.4 力學(xué)性能

對(duì)普通針刺PPS濾料和針刺水刺復(fù)合PPS濾料兩種試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 兩種PPS濾料的力學(xué)性能

表4數(shù)據(jù)顯示，針刺水刺復(fù)合PPS濾料的緯向和經(jīng)向強(qiáng)力分別比普通針刺PPS濾料高9.4%和23.1%。這是由于水刺對(duì)PPS纖維特別是對(duì)基布的損傷較小，基布是最終成品強(qiáng)力的主要貢獻(xiàn)者，濾料的絕大部分經(jīng)向強(qiáng)力和大部分緯向強(qiáng)力均由基布提供，而針刺對(duì)基布(特別是對(duì)其中的經(jīng)向紗)的損傷很大，因此針刺水刺復(fù)合濾料的強(qiáng)力比普通針刺濾料的強(qiáng)力要高，其中尤以經(jīng)向強(qiáng)力提高更多。

從表4可以看出，針刺水刺復(fù)合PPS濾料的經(jīng)、緯向伸長(zhǎng)率比普通針刺PPS濾料小，經(jīng)向伸長(zhǎng)率降低了4.28個(gè)百分點(diǎn)，而緯向伸長(zhǎng)率則降低了8.04個(gè)百分點(diǎn)。針刺水刺復(fù)合PPS濾料由于基布中的經(jīng)向紗沒(méi)有受到刺針損傷，伸直度較針刺濾料高，因而經(jīng)向伸長(zhǎng)率比普通針刺濾料低。針刺水刺復(fù)合PPS濾料的緯向伸長(zhǎng)率降低幅度超過(guò)經(jīng)向，這主要是由于普通針刺濾料在生產(chǎn)中出現(xiàn)的“緯斜”現(xiàn)象所導(dǎo)致的。纖網(wǎng)在進(jìn)行多道正反面針刺時(shí)，不可避免地出現(xiàn)局部拉伸不一致，如斷針處由于受到的阻力小而使其行進(jìn)速度快于正常處，因而所受到的牽伸力就不同，并且相鄰針刺機(jī)之間也會(huì)產(chǎn)生縱向拉力，最終導(dǎo)致基布中的緯紗出現(xiàn)不同程度的傾斜。而在針刺水刺復(fù)合濾料制作過(guò)程中出現(xiàn)緯斜現(xiàn)象的程度小于普通針刺濾料，因此其緯向伸長(zhǎng)率降低幅度較大。

3 結(jié)論

針刺水刺復(fù)合PPS濾料融合了針刺工藝和水刺工藝各自的優(yōu)點(diǎn)，又克服了兩種工藝各自的缺點(diǎn)。

(1)同樣達(dá)到煙塵過(guò)濾性能的要求，針刺和水刺復(fù)合工藝制得的PPS濾料與普通針刺PPS濾料相比，面密度可降低50 g/m2，原材料的用量降低10%。

(2)針刺水刺復(fù)合濾料可實(shí)現(xiàn)更低的微孔直徑，從而使濾料具有更高的過(guò)濾效率和過(guò)濾精度。

(3)針刺水刺復(fù)合PPS濾料的基布和纖維受到損傷較小，經(jīng)緯向強(qiáng)力大大超過(guò)普通針刺PPS濾料。

(4)經(jīng)過(guò)水刺工藝對(duì)濾料表面進(jìn)行整理后，能有效提高濾料表面平整性，從而使針刺水刺復(fù)合濾料具有透氣量較小且均勻的特點(diǎn)。

目前，濾料市場(chǎng)上能生產(chǎn)針刺水刺復(fù)合PPS濾料的企業(yè)很少，產(chǎn)品仍處于前期小試階段，但針刺水刺工藝復(fù)合PPS濾料憑借著出色的性能優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)，必能在燃煤電廠的煙氣過(guò)濾中迅速得到推廣應(yīng)用，具有較好的市場(chǎng)前景。

［1］ 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院.GB 13223—2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

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