高精度燃油過濾材料的結(jié)構(gòu)與性能分析

李惠 伍茜 潘志娟

摘 要：復(fù)合濾材過濾是從燃油中濾除雜質(zhì)顆粒的有效方式之一，為此，測定并分析了6種燃油過濾材料的結(jié)構(gòu)、物理性能及過濾性能，以探討影響燃油濾材過濾性能的因素。結(jié)果表明，高精度燃油濾材多由聚酯非織造布與紙基復(fù)合而成；濾材的層級結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，厚度越大，孔徑越小，則透氣性越差，過濾效率越高；非織造布層的纖維越細，孔徑越小，則濾材的透氣性越差，過濾效率越高。6種濾材樣品的過濾效率最高可達到99.8%。

關(guān)鍵詞：高精度；燃油過濾；復(fù)合濾材；過濾性能

中圖分類號：TS761.2

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2018）06-0006-06

Abstract：Filtration with composite filter materials is one of the most effective methods to remove particulates from fuel oil. The structures， physical properties and filtration properties of six kinds of fuel filter materials were measured and analyzed to explore the factors influencing the filtration performance of filter materials. The results showed that most of the high-precision fuel filter materials consist of PET nonwovens and paper base. As the structure of filter material became complex， the thickness increased， and the through-pore size of filter materials decreased， the air permeability decreased and the filtration efficiency improved. As the fibers in the nonwoven layer became thin and the through-pore size of filter materials decreased， the air permeability of the filter materials decreased and the filtration efficiency improved. The highest filtration efficiency of the six fuel filter materials could reach 99.8%.

Key words：highprecision； fuel filter； composite filter material； filtration performance

截至2017年6月，中國汽車保有量已達2.05億輛，目前新能源汽車占比很小，汽車仍以消耗汽油、柴油為主。中國市面銷售的燃油因原油品質(zhì)低，制備、傳輸及儲存等過程不清潔，其中砂石、銹蝕等顆粒物含量突出。顆粒雜質(zhì)一方面會導(dǎo)致燃油機電控噴射系統(tǒng)的精密偶件磨損甚至卡死，發(fā)動機動力輸出異常，縮短發(fā)動機的使用壽命[1]，另一方面會導(dǎo)致燃油燃燒不充分，尾氣中含有大量的CO、NOx、微粒等有害物質(zhì)，對大氣質(zhì)量造成不良影響[2]。由于噴油系統(tǒng)的精度不斷提高以及2018年1月1日起國五排放標準的全面實施，對燃油濾清器中濾材的過濾精度及使用壽命提出了更高的要求。中國對汽車濾紙的研制開發(fā)起步較晚，產(chǎn)品的過濾效率、穩(wěn)定性及使用壽命等與國際先進品牌存在較大差距[3]。相比于單層濾紙和非織造布濾材，復(fù)合過濾材料更高效長壽，在燃油濾清器中使用得越來越廣泛[4]。本文研究了市場上幾種復(fù)合燃油濾材的結(jié)構(gòu)、成分、物理性能和過濾性能，探討了影響濾材過濾性能的因素，為今后研制高精度燃油過濾材料提供參考數(shù)據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗材料

燃油過濾材料（6種商品樣，分別編號為樣品1、2、3、4、5、6）。

過濾測試液（YH12航空液壓油）。

1.2 實驗儀器

TM3030型臺式電子掃描顯微鏡SEM（日本日立高新技術(shù)公司），Micolet5700智能型傅里葉紅外光譜儀（美國尼高力），電子數(shù)顯千分尺（桂林廣陸數(shù)字測控公司），Porometer 3G型全自動比表面孔隙測定儀（美國康塔儀器公司），Instron3365型材料試驗機（美國Instron公司），YG461E111型全自動透氣量儀（寧波紡織儀器廠），DT100型機油濾清器特性綜合試驗臺（新鄉(xiāng)天翼過濾技術(shù)檢測有限公司）。

1.3 測試方法

1.3.1 表面形貌觀察

將樣品各層取樣剪貼在試樣臺上，噴金處理90 s，用TM3030臺式掃描電子顯微鏡（SEM）觀察并記錄纖維層的形貌。從非織造布層的SEM圖中隨機選取50根纖維，利用軟件Image Pro Plus 5.0測量直徑。

1.3.2 紅外光譜測試

將樣品各層分別剪成粉末狀，與烘干的溴化鉀共同研磨，壓片成型，采用智能型傅里葉紅外光譜儀進行測試，測定紅外光譜圖的波長范圍為4 000～400 cm-1。

1.3.3 厚度測試

用電子數(shù)顯千分尺測量濾材的厚度，每種樣品測10次，取平均值。

1.3.4 孔徑測試

將濾材剪成直徑為2.5 cm的圓形試樣，用浸潤液Porofil（Liquid Accessory Kit， 0115010035）將其完全浸濕后，置于測試設(shè)備中進行測試。計算最大孔徑和平均孔徑，用Origin繪制濾材的孔徑分布圖。

1.3.5 拉伸測試

測試方法及分析方法參考國標GB/T 12914—2008《紙和紙板 抗張強度的測定》。將樣品剪成150 mm×25 mm，放在標準大氣條件（溫度（20±2）℃，濕度（65±2）%）下平衡24h，夾持距離100 mm，預(yù)加張力0 N，拉伸速率10 mm/min。每種樣品測10次，取平均值。

1.3.6 透氣性測試

樣品放置在標準大氣條件下平衡24 h，測試壓差為100 Pa。每種樣品測10次，取平均值。

1.3.7 過濾測試

根據(jù)標準ISO19438—2003，采用YH12航空液壓油作為測試液，測試濾材對油的過濾效果。測試液粘度為14.2 mm2/s，流速為0.8 L/min，上游含塵量為5.0 mg/L，測試溫度為（38±2）℃，測試時間為60 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾材的成分與結(jié)構(gòu)

2.1.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)

本文所研究的6種燃油濾材中，除樣品6為單層濾紙外，其余均為復(fù)合濾材；6種濾材試樣的復(fù)合結(jié)構(gòu)見表1。

濾材各層級之間的復(fù)合方式分為超聲波焊接和粘合劑粘合兩種。紡粘非織造布層和熔噴非織造布層之間采用超聲波焊接，表面呈現(xiàn)規(guī)整的焊接點。圖1為超聲波焊接點電鏡圖，纖維幾乎完全熔融，纖維形態(tài)消失，原本蓬松的熔噴層緊度提高，孔隙減少，過濾性能變差。非織造布與紙基或紙基與紙基之間采用粘合劑粘合，分離后表面有粘合劑殘留，如圖2所示，粘合劑堵塞纖維間的孔隙結(jié)構(gòu)，影響濾材的過濾性能。

2.1.2 表面形貌

圖3為濾材各層表面形貌的電鏡圖。紡粘非織造布層的纖維量少、粗細均勻，孔隙較大。熔噴非織造布層的纖維細密，排列雜亂無章，孔隙較小，結(jié)構(gòu)疏松，獨特的毛細結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，使其能在單層濾紙的基礎(chǔ)上進一步提高過濾效率和納污容量。紙基的結(jié)構(gòu)緊密，孔隙小，對濾材過濾效率起決定性作用。部分紙基中混有白色亞微米級的玻璃纖維。玻璃纖維拉伸強度高，剛性大，耐油性和疏水性較好，能增加紙基的強度和挺度，改善濾材的支撐性能。

由紡粘非織造布、熔噴非織造布和紙基復(fù)合而成的濾材，在液體流動方向上，上游網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的紡粘非織造布孔徑大，起到預(yù)濾作用，下游小孔徑的熔噴非織造布和紙基作為精濾層，形成濾材內(nèi)部孔徑線性變化的梯度結(jié)構(gòu)，能有效地調(diào)節(jié)過濾精度和過濾阻力[5]，延長濾材的使用壽命。

通過軟件Image Pro Plus 5.0測量各層的纖維直徑，紡粘非織造布層纖維的平均直徑約20 μm，熔噴非織造布層的纖維直徑分布在0.2～8 μm之間，遠遠小于紡粘非織造布層。熔噴層纖維細密，孔徑小、孔隙率大，過濾效率和容塵量較高，但其結(jié)構(gòu)疏松，斷裂強度較低，耐摩擦性差，在儲存、加工的過程中易磨損[6]，使用過程中受燃油沖擊易破壞孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致濾材的過濾性能不穩(wěn)定。而紡粘非織造布經(jīng)過加固處理，斷裂強度較好，復(fù)合在熔噴非織造布層的表面，可有效保護熔噴層結(jié)構(gòu)不被破壞。

2.1.3 成分分析

由圖4可知，各非織造布層的紅外光譜曲線基本一致。曲線在1 408 cm-1處存在由苯環(huán)振動引起的特征峰，對照紅外光譜標準譜圖，可判斷非織造布層均由聚酯纖維制成。聚酯纖維熔點高，強度大，耐腐蝕，具有較好的尺寸穩(wěn)定性，且疏水性和耐油性較好。用聚酯纖維制成非織造布復(fù)合濾材成本相對較低，使用性能較好。各紙基層的紅外光譜曲線如圖5，表明紙基的主要成分為纖維素纖維。

2.1.4 厚 度

如表2所示，樣品厚度依次為樣品3>樣品1>樣品4>樣品5>樣品2>樣品6。樣品3由兩層非織造布和兩層紙基構(gòu)成，厚度為0.924 mm，層級數(shù)最多，厚度最大；樣品1由一層非織造布和兩層紙基構(gòu)成，厚度大于由兩層非織造布和一層紙基構(gòu)成的樣品4和樣品5?？梢姡瑥?fù)合濾材的層級數(shù)和其中紙基的層數(shù)對濾材的厚度影響較大。

2.1.5 孔 徑

孔徑大小直接關(guān)系到過濾材料攔截雜質(zhì)顆粒的能力，是濾材的重要物理結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，6種濾材樣品的孔徑分布范圍從幾微米到十幾微米，如圖6。其中樣品5的孔徑最大，分布范圍為6.21～17.80 μm，平均孔徑達14.8 μm，約為樣品3的5倍。最大孔徑和平均孔徑數(shù)據(jù)見表2。結(jié)合濾材的復(fù)合結(jié)構(gòu)和纖維直徑比較發(fā)現(xiàn)，通常濾材的紙基層數(shù)多，厚度越大，孔徑越??；非織造布層的纖維直徑越小，孔徑越小。

2.2 濾材的性能

2.2.1 拉伸性能

柴油濾材作為重要的特殊紙種，不僅要具有較好的過濾性能，同時要具備適應(yīng)濾清器結(jié)構(gòu)更新及濾芯加工的力學(xué)性能[7]。在一定壓差下工作，硬挺度好的濾芯結(jié)構(gòu)不易坍塌，能保持濾材的原有孔隙結(jié)構(gòu)[8]，過濾性能穩(wěn)定，避免影響發(fā)動機的正常安全運行。本文通過拉伸測試表征濾材的力學(xué)性能。

如表3所示，樣品1、6的斷裂應(yīng)力顯著小于樣品2、3、4、5，原因可能為非織造布層能提高濾材的斷裂強度，樣品1由一層紡粘非織造布與兩層紙基復(fù)合而成，樣品6為單層濾紙。另外，軋制波紋也可能改善濾材的力學(xué)性能。本文用彈性模量表示濾材發(fā)生彈性變形的難易程度，結(jié)果見表3。樣品1彈性模量最小，為0.397 GPa，樣品2、5、6的彈性模量大于1 GPa。樣品6雖然是單層濾紙，厚度很小，但其彈性模量較大，這與濾紙的樹脂浸漬處理有很大關(guān)系。濾材的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖7。

2.2.2 透氣性

由表3可知，樣品5的透氣率高達23.63 mm/s，透氣性最好；樣品2次之；樣品3的透氣率最低，僅為10.41 mm/s。結(jié)合表2，濾材的最大孔徑與透氣性呈正相關(guān)關(guān)系，最大孔徑越小，則透氣性越差。

2.2.3 過濾性能

由表3可知，樣品1和樣品3的過濾效率最高，達到99.8%，樣品2、4、6的過濾效率也較好，而樣品5的過濾效率僅為49.5%，不能滿足燃油的正常過濾要求。當過濾效率數(shù)值非常接近時，用過濾比能更直觀地顯示出濾材之間過濾性能的差別。樣品1和樣品3的過濾效率數(shù)值均為99.8%，但過濾比分別為1 079和963.8，顯然樣品1的過濾效率更高。壓降是評價濾材過濾性能的重要參數(shù)，當壓降太大時，燃油無法通過濾材，甚至破壞濾材結(jié)構(gòu)，當壓降太低時，幾乎沒有過濾效果，所以需平衡濾材的過濾效率和壓降，選擇最優(yōu)參數(shù)。樣品1、2、4、5、6的過濾壓降無差別，而樣品3在測試30 min內(nèi)壓力降快速上升到95 kPa，與其厚度大且孔徑小密切相關(guān)。

2.3 影響過濾效果的因素

結(jié)果表明，燃油濾材的層級結(jié)構(gòu)、復(fù)合方式、厚度、纖維粗細和孔徑大小等均是影響濾材過濾效果的重要因素。

a）層級數(shù)越多（尤其是紙基層數(shù)），厚度越大，孔徑越小，濾材的透氣性越差，過濾效率越高。樣品1和樣品3含有兩層紙基，厚度較大，孔徑較小，透氣率較低，過濾效果達99.8%。但是樣品3因厚度大、孔徑小，過濾時的壓降過高，不利于保持其形狀和結(jié)構(gòu)，影響過濾性能的穩(wěn)定性，大大縮短使用壽命。

b）熔噴非織造布層能進一步提高濾材的過濾效率，其纖維越細密，纖維層孔徑越小，濾材的透氣率越低，過濾效率越高。樣品4和樣品5的層級結(jié)構(gòu)相同，厚度接近，但是樣品5非織造層的纖維直徑大于樣品4，孔徑和透氣率也隨之增大，過濾效率則遠低于樣品4。

c）其他因素，如粘合劑和固化樹脂的使用均會對濾材的結(jié)構(gòu)和過濾性能產(chǎn)生較大影響。

3 結(jié) 語

本文測定與分析了6種不同的燃油過濾材料的結(jié)構(gòu)和性能，并討論了影響過濾效果的因素。目前廣泛使用的燃油濾清器濾材多由紙基與非織造布復(fù)合而成。紙基不僅作為支撐結(jié)構(gòu)，同時對濾材的過濾效果起決定性作用，熔噴非織造層進一步提高過濾效果和納污容量，紡粘非織造層起預(yù)濾和保護熔噴層的作用，三者構(gòu)成梯度結(jié)構(gòu)，有效調(diào)節(jié)了過濾效率和過濾阻力。非織造布之間采用超聲波焊接，非織造布與紙基或紙基與紙基之間采用粘合劑粘合。結(jié)果表明，濾材的層級數(shù)越多（尤其是紙基層數(shù)），厚度越大，孔徑越小，濾材的透氣性越差，過濾效率越高，但壓降也可能過高，不利于濾材使用的穩(wěn)定性。此外，非織造布層的纖維越細，孔徑越小，濾材的透氣率越低，過濾效率越高。除了本文所探討的因素外，粘合劑的使用、樹脂處理工藝等對濾材的性能也有較大影響。

參考文獻：

[1] 吳明，王慶喜，王大義，等.柴油中雜質(zhì)對三大精密偶件磨損過程的影響[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1995（S1）：114-116.

[2] 李文熙，王猛猛.現(xiàn)代汽油機燃油噴射技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2017，45（5）：9-11.

[3] 王瑞忠.國內(nèi)外汽車濾紙的發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].中華紙業(yè)，2010，31（23）：67-69.

[4] 劉振.無紡布復(fù)合燃油濾材的制備及性能研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

[5] 王世峰.褶狀式柴油濾清器濾芯的流阻研究分析[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2016.

[6] QIAN X M， ZHENG X D， ZHANG H，et al. The method of producing nanomaterials and melt blown nonwovens composites[J]. Advanced Materials Research，2011，1032（150）：667-672.

[7] 王唯力.提高濾材挺度和耐折性能的研究[J].天津造紙，2010，32（2）：22.

[8] 徐桂龍.疏水親油有機無機復(fù)合乳液的制備及其在油水分離濾材的應(yīng)用研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.