無膠熱壓聚四氟乙烯覆膜高溫濾料

鄭玉嬰，蔡偉龍，汪 謝，羅祥波，林錦賢，鄭錦森

(1.福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建福州 350108;2.廈門三維絲環(huán)保股份有限公司，福建廈門 361101;3.福州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建福州 350108;4.福州大學(xué)福建省超級計算中心，福建福州 350108)

目前，我國環(huán)境保護(hù)部正在逐步展開對臭氧和PM2.5這2種空氣污染物的監(jiān)測，繼而采取治理措施。這對各工礦企業(yè)的粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求，但普通濾料根本無法滿足這些要求，而覆膜濾料能夠有效地過濾PM10甚至PM2.5、PM1.0等超細(xì)粉塵，達(dá)到“零排放”標(biāo)準(zhǔn)［1－3］。

覆膜濾料是將聚四氟乙烯(PTFE)薄膜覆合在傳統(tǒng)濾料介質(zhì)的表面［4－5］。常用的有2種覆膜方法［6－7］:一為膠黏法，使用膠黏劑將濾料與覆膜黏合在一起。但這種方法得到的覆膜濾料不適合在高溫環(huán)境下長期使用，此外，覆膜牢度低，容易脫落;另一為熱壓復(fù)合法，此法得到的覆膜濾料可在高溫下使用，但這種技術(shù)目前不夠成熟，覆膜濾料質(zhì)量參差不齊，因此，高溫濾料覆膜工藝技術(shù)亟待開發(fā)。

本文首先在聚苯硫醚(PPS)濾料基材上涂覆1層聚四氟乙烯發(fā)泡涂層劑，解決了PPS濾料直接熱壓覆膜結(jié)合不牢固的問題;利用先進(jìn)電磁加熱和PDI控制技術(shù)，保證了PTFE覆膜均勻性，然后經(jīng)高溫?zé)釅褐频贸善?。該覆膜濾料具有表面空隙小，粉塵剝離性好，過濾精度高，結(jié)合牢度強(qiáng)，壽命長等特點，可廣泛應(yīng)用于燃煤電廠、鋼鐵冶煉、水泥行業(yè)、垃圾焚燒等高溫?zé)煔獬龎m領(lǐng)域［8－9］，國內(nèi)外鮮見同類技術(shù)的文獻(xiàn)報道。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PPS纖維(線密度為1.5～3.0 dtex、長度為50～65 mm的短纖維);PTFE微孔薄膜(立體網(wǎng)狀，微孔孔徑為0.1～0.5μm);聚四氟乙烯乳液(固含量為60%左右);發(fā)泡劑SBL FORMER;增稠劑XTP。

1.2 主要儀器

VDI濾料模擬測試裝置(德國FilTEq公司);DXS-10A型環(huán)境掃描電鏡(上海田京電子光學(xué)技術(shù)有限公司)。

1.3 覆膜基材的制備

以PPS纖維為主要原料，添加抗靜電劑等助劑，經(jīng)開松、復(fù)合、梳理、針刺、高溫?zé)岫ㄐ秃蜔珘汗獾裙に囍频妹婷芏葹?00 g/m2，厚度為2 mm的覆膜基材。

1.4 涂層復(fù)合濾料的制備

聚四氟乙烯發(fā)泡涂層復(fù)合濾料是以聚四氟乙烯分散液為主要原料，添加適量的發(fā)泡劑、增稠劑和促進(jìn)劑，經(jīng)攪拌混合、造泡、螺桿泵送、發(fā)泡和涂覆等工藝制備而成的;然后將涂覆過的濾料送入高溫烘箱進(jìn)行燒結(jié)，從而在濾料的表層形成1層均勻的聚四氟乙烯涂層［10］，以改善濾料基材與聚四氟乙烯微孔薄膜的黏結(jié)牢度。

1.5 PTFE覆膜高溫濾料的制備

通過電磁加熱技術(shù)和PID控制技術(shù)，在高溫濾料表面熱壓復(fù)合1層聚四氟乙烯(PTFE)薄膜。工藝流程如圖1所示。

圖1 覆膜工藝流程Fig.1 Process ofmembrane coating

通過布?xì)址啪硌b置、前儲布機(jī)張力控制系統(tǒng)的雙重保障，實現(xiàn)覆膜前及覆膜過程中布?xì)值膹埩Α⑵秸瓤煽?。利用特殊的膜放卷裝置，不僅保證了薄膜在放卷時無縱向拉伸，又使薄膜得到充分展平。

1.6 覆膜濾料黏結(jié)牢度測試

采用圖2所示的覆膜牢度測試方法，參照HBC 30—2004《袋式除塵器用覆膜濾料》對膠黏覆膜濾料及熱壓覆膜濾料進(jìn)行覆膜牢度測試。具體測試方法為，將覆膜濾料試樣覆膜一側(cè)向上固定在杯口直徑為25 mm的測試杯杯口上，向杯中連續(xù)送入壓縮空氣，直至覆膜最大剝離鼓泡的長邊尺寸大于2.5 mm，此時的壓力即為覆膜濾料的覆膜牢度。

1.7 覆膜濾料過濾性能測試

采用德國 VDI濾料模擬測試裝置，參照VDI 3926—2004《可清灰濾料過濾性能測試》對濾料的過濾性能進(jìn)行評估。具體測試過程為:潔凈濾料先經(jīng)1 000 Pa定壓噴吹30次過程，后經(jīng)5 s間隔噴吹5 000次老化過程，再經(jīng)1 000 Pa定壓噴吹6 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 覆膜濾料表面及截面形貌觀察

圖3為PPS濾料覆膜前后的表面SEM照片。由圖可知，覆膜后濾料表面呈現(xiàn)微孔結(jié)構(gòu)，其孔徑在0.05～3μm之間，而普通濾料平均孔徑在37μm左右。覆膜濾料的微孔性結(jié)構(gòu)能過濾超細(xì)粉塵，且該膜不受排放氣體酸、堿性的影響。

圖3 PPS濾料覆膜前后的表面SEM照片(×1 000)Fig.3 SEM images of surface of PPS filtermaterial after and beforemembrane coating(×1 000).(a)Before coating;(b)After coating

普通濾料過濾機(jī)制是所謂的“深層過濾”，即通過濾料纖維的捕集，先在濾料表面形成一次粉塵層(即粉餅)，再通過這層粉餅來過濾后續(xù)的粉塵［11］。長時間使用后會導(dǎo)致濾料孔隙堵塞，使設(shè)備運(yùn)行阻力不斷增加，直至必須更換濾料為止［2］。

覆膜濾料過濾機(jī)制則是“表面過濾”的方式［2］，覆膜濾料是在普通濾料表面復(fù)合1層聚四氟乙烯薄膜而形成一種新型濾料，這層薄膜相當(dāng)于起到了一次粉塵層的作用，薄膜特有的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使粉塵無法穿過，避免孔隙堵塞。同時由于薄膜不黏性、摩擦因數(shù)小，故清灰時粉餅容易脫落，確保了設(shè)備阻力長期穩(wěn)定。

對覆膜前后的PPS濾料進(jìn)行VID實驗測試，結(jié)果如圖4所示，普通濾料粉塵(灰色物質(zhì))已進(jìn)入濾料中，而覆膜后濾料粉塵僅停留在表面。

圖4 PPS濾料過濾粉塵后的截面圖(普通相機(jī)拍攝)Fig.4 Section images of PPS filtermaterial after dust removal.(a)Before coating;(b)After coating

2.2 覆膜濾料的耐溫性能

在210℃條件下，對用膠黏法和熱壓復(fù)合法2種方法制得的覆膜濾料進(jìn)行烘焙，并在不同時間段觀察試樣表面顏色變化，結(jié)果見表1。膠黏法覆膜濾料在烘焙3 h后表面出現(xiàn)變黑現(xiàn)象，而熱壓復(fù)合法覆膜濾料在烘焙3 h后表面幾乎無變化。這是由于膠黏法在高溫環(huán)境中，膠黏劑熔化后會從薄膜的微孔中滲出，膠黏劑在表面高溫下發(fā)生碳化現(xiàn)象變黑。膠黏劑的滲出亦造成大量粉塵黏在濾料的表面，不易清除，嚴(yán)重影響濾料的過濾性能。可見膠粘法覆膜濾料不適宜在高溫環(huán)境中使用。而聚四氟乙烯具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性、高潤滑不黏性，因此長時間在高溫環(huán)境中使用不會對其產(chǎn)生影響。

表1 2種覆膜濾料的表面顏色對比情況(210℃)Tab.1 Com parison of differentmembrane filter materials on surface color(210℃)

2.3 不同覆膜工藝黏結(jié)牢度的對比

通過對覆膜濾料黏結(jié)牢度測試得到熱壓覆膜濾料覆膜牢度大于0.1 MPa，210℃加熱16 h后牢度幾乎不變;而膠黏覆膜濾料介于0.05～0.1 MPa，加熱3 h后低至0.01 MPa。此結(jié)果表明濾料基材經(jīng)過發(fā)泡涂層處理后與PTFE薄膜具有很好的黏結(jié)力，不易脫落。這是因為在PPS濾料表層涂上1層與PTFE薄膜物化性質(zhì)相同的乳液后，從而解決了聚四氟乙烯薄膜與PPS濾料黏結(jié)性差的問題，提高了覆膜濾料的黏結(jié)牢度。

2.4 覆膜濾料的過濾性能

2.4.1 老化前后清灰周期隨清灰次數(shù)變化

圖5示出PPS針刺濾料與覆膜濾料在老化前后清灰周期隨清灰次數(shù)的變化。從上面VDI實驗結(jié)果可看出，在濾料老化前的30次清灰周期，由于原始針刺濾料還未形成粉塵初層，過濾阻力較低，空隙較大，因此清灰周期比覆膜濾料長;而濾料經(jīng)老化后，原始PPS針刺濾料已形成一層穩(wěn)固且致密的濾餅層，其過濾阻力增大，因而周期變短;而對于覆膜濾料來說，其表面較光滑［12］，粉塵容易脫落，在每次清灰后其過濾阻力保持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)，因此老化后，覆膜濾料在一開始其過濾周期就遠(yuǎn)長于針刺濾料，這樣就相對減少了清灰次數(shù)，減少摩擦及損耗，有利于延長濾料使用壽命。

圖5 老化前后清灰周期與清灰次數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relation between period and times of dust removal before and after aging

2.4.2 老化后壓力損失隨過濾時間的變化

圖6示出濾料經(jīng)過老化階段后，在1 000 Pa定壓噴吹6 h過程中壓力損失隨過濾時間的變化情況。可看出覆膜濾料的壓力損失遠(yuǎn)低于原始濾料，且在整個過程中，壓力損失都趨于穩(wěn)定，而針刺濾料由于塵餅的作用，過濾阻力逐漸增大，因而其壓力損失隨著時間的延長繼續(xù)緩慢上升。這說明濾料經(jīng)覆膜后，由于其表面比較光滑，很難形成較厚的粉塵層，因此覆膜濾料長期運(yùn)行過程中阻力低，透氣性好。

圖6 老化后壓力損失隨過濾時間的變化Fig.6 Effect of filtration time on pressure loss after aging

2.4.3 濾料覆膜前后排放濃度對比

表2示出濾料覆膜前后排放濃度對比情況。從表中可看出，經(jīng)覆膜處理后的濾料在老化前后其排放濃度都遠(yuǎn)低于未處理的濾料，在老化前就能達(dá)到很高的過濾效率，特別是對PM2.5的過濾效果幾乎達(dá)到“零排放”。這是由于PTFE薄膜空隙非常小，能阻止微細(xì)粉塵的排放，因而提高了過濾精度。

表2 濾料覆膜前后排放濃度對比Tab.2 Contrast of em itting concentration before and after membrane coating mg/m3

3 結(jié)論

以PPS纖維為主要原料，通過合理的工藝設(shè)計制備了覆膜濾料的基材，然后經(jīng)發(fā)泡涂層處理在覆膜基材的表層形成1層均勻的聚四氟乙烯涂層，增強(qiáng)了濾料與聚四氟乙烯微孔薄膜的黏結(jié)牢度，解決了PPS濾料直接熱壓覆膜結(jié)合不牢固的問題。同時采用無膠熱壓覆膜工藝，增強(qiáng)了濾料在高溫下的適用性，避免了膠黏法在高溫下膠黏劑易滲出碳化，從而影響過濾效果的問題。

過濾性能測試結(jié)果表明，該覆膜濾料具有出色的PM2.5微細(xì)粒子過濾效率，基本實現(xiàn)了表面過濾。另外，該濾料具有易清灰，周期短，低阻力的特點，可大大節(jié)約能源，延長濾袋及配件使用壽命，具有較好的應(yīng)用前景。

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