納米發(fā)泡整理對芳綸過濾材料性能的影響

繆 特， 張如全,2， 馮 陽

(1. 武漢紡織大學 紡織科學與工程學院， 湖北 武漢 430200； 2. 武漢紡織大學 紡織纖維及制品教育部重點實驗室， 湖北 武漢 430200； 3. 江蘇奧凱環(huán)境技術有限公司， 江蘇 靖江 214500)

隨著工業(yè)化進程的不斷加快，火力發(fā)電廠、垃圾焚燒及工廠煙囪排放廢氣等高污染煙塵帶來了巨大的經濟損失，同時嚴重危害人們身體健康[1]。芳綸過濾材料具有質量輕、高模高強、耐高溫、耐酸堿性、絕緣性、抗老化性能好、使用壽命長等[2-3]優(yōu)點，廣泛應用于高溫煙氣過濾領域。

目前，從工業(yè)生產及環(huán)境保護出發(fā)，均對過濾材料的各方面性能有較高的要求，過濾材料的后整理工藝能較好地提高其使用性能和過濾效率。蔡偉龍等[4]采用聚四氟乙烯泡沫涂層方法，對聚酰亞胺/聚四氟乙烯復合過濾材料進行涂層，改善了過濾材料的耐酸堿性及尺寸穩(wěn)定性；余琴等[5]對聚苯硫醚過濾材料進行納米二氧化硅/聚四氟乙烯(SiO2/PTFE)乳液浸漬整理，改善了過濾材料的耐磨性及過濾效率；周冠辰等[6]通過對玄武巖/聚苯硫醚復合過濾材料進行聚四氟乙烯(PTFE)乳液浸漬整理，可減小過濾材料的孔徑，提高其過濾效率；Park等[7]對玻璃墊進行聚四氟乙烯泡沫涂覆實驗，研究發(fā)現PTFE可減小玻璃墊的孔徑，提高其過濾效率，提高熱穩(wěn)定性。

納米陶瓷粉因其比表面積大，吸附性強[8]，添加發(fā)泡涂層劑后，不僅可提升發(fā)泡效果，同時對過濾材料的耐摩擦性、過濾性及清灰性能有一定提升。本文以PTFE乳液為涂層劑主要原料，同時添加定量的發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、增稠劑以及少量納米陶瓷粉，將配置好的發(fā)泡整理涂層劑均勻涂覆在芳綸過濾材料表面，觀察整理前后芳綸過濾材料的耐化學性能、耐高溫穩(wěn)定性、耐磨性、過濾性能及清灰能力等的變化。

1 實驗部分

1.1 主要原料

芳綸針刺過濾材料，江蘇奧凱環(huán)境技術有限公司；聚四氟乙烯乳液(質量分數為60%)，湖北聚氟化工科技有限公司；十二烷基硫酸鈉，國藥集團化學試劑有限公司；羥乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素，山東優(yōu)索化工科技有限公司；有機硅改性丙烯酸酯，湖北新四海化工股份有限公司；遠紅外陶瓷粉，直徑為 5 μm，清遠銘仁生物科技有限公司；羥基硅油，濟南興飛隆化工有限公司。

1.2 主要儀器

DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，上海東璽制冷儀器設備有限公司；JJ-1型電動攪拌器，常州博遠實驗分析儀器廠；JSM-IT300型掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社；LUMOS型紅外光譜儀，德國布魯克公司；MPC-15 KβX型孔徑測試儀，寧波紡織儀器廠；SDS-100型接觸角測量儀，寧波普瑞思儀器科技；TSI8130型自動濾料測試儀，美國SI公司；YG401C型馬丁代爾耐磨起球測試儀、YG461E-I型無紡布透氣量測試儀，寧波大禾儀器有限公司)。

1.3 PTFE發(fā)泡涂層劑的制備

配制200 g發(fā)泡涂層劑：依次稱量40 g PTFE乳液，20 g有機硅改性丙烯酸酯及6 g羥基硅油，磁力攪拌至充分混合。然后稱取4 g發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉、3 g穩(wěn)泡劑羥乙基纖維素和1 g增稠劑羥丙基甲基纖維素，并取126 g去離子水于三頸瓶中，采用機械攪拌器低速攪拌至充分溶解；將配制好的聚四氟乙烯乳液、有機硅改性丙烯酸酯和羥基硅油混合溶液緩緩加入三頸瓶；調節(jié)攪拌速度至1 600 r/min，攪拌30 min直至完全發(fā)泡，制得PTFE發(fā)泡涂層液。

1.4 陶瓷粉發(fā)泡劑的配制

配置方法同1.3節(jié)，稱取一定量的陶瓷粉，置于發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉、穩(wěn)泡劑羥乙基纖維素和增稠劑羥丙基甲基纖維素溶液中，將配制的聚四氟乙烯溶液緩緩倒入其中，機械攪拌直至完全發(fā)泡，制得陶瓷粉質量分數分別為0.5%、1.0%的2種陶瓷粉發(fā)泡涂層劑。

1.5 涂層芳綸過濾材料的制備

取適量配制好的PTFE涂層劑和2種不同質量分數的陶瓷粉發(fā)泡涂層劑均勻涂覆在芳綸過濾材料表面，用壓輥擠壓涂層后的過濾材料，如此反復2次涂層實驗，然后以80 ℃溫度預烘3 min，將溫度調至140 ℃直至涂層的芳綸過濾材料烘干，制得3種涂層后的過濾材料及未整理的芳綸過濾材料。

1.6 涂層前后耐磨性能測試

參照GB/T 6529—2008《紡織品 調濕和試驗用標準大氣》、GB/T 8170—2008《數值修約規(guī)則與極限數值的標示和判定》，將試樣裁剪為直徑為40 mm的圓形試樣，通過調節(jié)摩擦次數，測試摩擦前后的質量差[9-10]，以表征樣品的耐磨性。

1.7 過濾材料的形貌觀察

將4種過濾材料進行鍍金處理，采用掃描電子顯微鏡觀察涂層前后表面形貌[12]。

1.8 過濾材料的化學結構測試

采用紅外測試儀對4種過濾材料進行紅外測試，觀察4種過濾材料紅外波譜圖，掃描范圍為4 000～500 cm-1。

1.9 過濾材料接觸角測試

在25 ℃條件下，用進樣器取適量溶液，旋轉進樣器針頭使水、酸、堿3種液滴垂直滴落在樣品上，穩(wěn)定后按切線擬合測量測試其靜態(tài)接觸角。

1.10 過濾材料透氣性能測試

參照ASTMD 737—2018《紡織品透氣性的標準試驗方法》，ISO 9237—1995《紡織品 織物透氣性的測定》，選取面積為25 cm2的試樣放入透氣量測試儀上，測試整理前后過濾材料的透氣性大小[11-12]。

1.11 過濾材料孔徑測試

參照GB/T 32361—2015《分離膜孔徑測試方法 泡點和平均流量法》，將4種不同整理的過濾材料裁剪為面積為100 cm2的圓形[13]，測得其孔徑大小。

1.12 過濾材料過濾效率測試

采用自動濾料測試儀對所有試樣進行靜態(tài)過濾性能測試，樣布為直徑為15 cm的圓，流量為85 L/min，記錄4種過濾材料對6種粒徑顆粒(0.3、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 μm)的過濾效率。

2 結果與分析

2.1 耐磨性能分析

不同質量分數納米陶瓷涂層液處理的芳綸過濾材料耐磨性測試結果如表1所示?？梢钥闯?，芳綸纖維其自身耐磨性能就很好，未涂層的芳綸過濾材料被摩擦2 000次后，其質量基本無變化，當摩擦次數達到5 000時，其質量會有少量減少。涂層后的芳綸過濾材料摩擦次數相同時，其質量損失基本相同，且可忽略不計。整體而言，涂層后的芳綸過濾材料其耐磨性能會有提升，且耐磨性能優(yōu)異。同時納米陶瓷粉比表面積大，其吸附性能很強，因此可有效提高材料的力學性能和穩(wěn)定性。

表1 不同摩擦次數時芳綸過濾材料的質量差
Tab.1 Mass difference of aramid filter atdifferent friction timesg

過濾材料0次1 000次2 000次5 000次未涂層5.395.385.365.33PTFE涂層6.516.516.506.500.5%陶瓷粉涂層6.886.886.876.871.0%陶瓷粉涂層6.516.516.506.49

2.2 表面形貌分析

圖1為不同涂層劑下芳綸過濾材料的掃描電鏡照片?？芍?，未涂層芳綸過濾材料可很明顯地看到纖維之間的纏結，表面孔隙較多；涂層后，纖維表面形成了一層致密的膜狀物，有效地減少了纖維間的孔隙；且隨著陶瓷粉的加入，發(fā)泡液發(fā)泡效果會提升，泡沫涂層液更加均勻且穩(wěn)定，涂層后形成的薄膜效果更優(yōu)異。

圖1 涂層前后芳綸過濾材料掃描電鏡照片(×500)Fig.1 SEM images of aramid filter before and after coating(×500).(a)Uncoated aramid filter; (b) PTFE coating; (c) 0.5% ceramic powder coating; (d) 1.0% ceramic powder coating

2.3 化學結構分析

圖2 涂層前后芳綸的紅外光譜圖Fig.2 Infrared specta of aramid filter before and after coating

涂層處理后，芳綸過濾材料在2 918 cm-1處的—CH2—反對稱伸縮峰會減弱甚至消失，這是因為涂層后在過濾材料表面形成一層薄膜，削弱了其吸光度。PTFE涂層整理與未涂層過濾材料譜圖相比，在1 250 cm-1處出現—CF2—基團的反對稱伸縮振動峰，表明聚四氟乙烯乳液涂覆在過濾材料表面。添加陶瓷粉與PTFE涂層整理的過濾材料相比，在1 180 cm-1處出現Si—O伸縮振動吸收峰，在778 cm-1處出現Si—O—Si的彎曲振動吸收峰，說明涂層后陶瓷粉粘附于過濾材料表面。隨著陶瓷粉質量分數的增加，過濾材料紅外光譜中Si—O伸縮振動吸收峰越強，涂層后過濾材料表面的陶瓷粉含量越多。

2.4 接觸角分析

圖3～5分別示出4種過濾材料與水、酸、堿的接觸角。

圖3 不同整理過濾材料拒水接觸角Fig.3 Water repellent contact angles of different finishing samples. (a)Uncoated aramid filter; (b) PTFE coating; (c) 0.5% ceramic powder coating; (d) 1.0% ceramic powder coating

圖4 不同整理過濾材料的拒酸接觸角Fig.4 Acid-repellent contact angles of different finishing samples. (a)Uncoated aramid filter; (b) PTFE coating; (c) 0.5% ceramic powder coating; (d) 1.0% ceramic powder coating

圖5 不同整理過濾材料拒堿接觸角Fig.5 Alkali-repellent contact angles of different finishing samples. (a)Uncoated aramid filter; (b) PTFE coating; (c) 0.5% ceramic powder coating; (d) 1.0% ceramic powder coating

可知：未涂層芳綸過濾材料的拒水效果比較好，接觸角為124.5°，涂層整理后拒水效果有所改善；未涂層芳綸材料基本不拒酸堿，其拒酸接觸角為15.6°，拒堿接觸角為13.9°，酸堿液滴接觸過濾材料后幾乎立即滲透進去，PTFE涂層后芳綸過濾材料的酸堿接觸角有明顯改善，與酸接觸角為122.5°，與堿接觸角為122.7°，這是因為涂層后在過濾材料表面形成了一層致密的薄膜；添加納米陶瓷粉后，可提升涂層液發(fā)泡效果，使涂層效果更好，進一步提高其拒酸堿性。由于涂層后拒水、拒酸堿性良好，濾袋在使用過程中可有效地減少糊袋，改善其清灰性及使用壽命。

2.5 透氣性能分析

表2示出涂層前后芳綸過濾材料透氣性?？梢钥闯?，芳綸過濾材料經泡沫整理后，透氣性較原芳綸過濾材料會有所下降，這是因為泡沫整理是將泡沫涂層液涂覆在芳綸過濾材料表面，泡沫破裂后，整理液均勻地覆蓋在過濾布表面形成一層薄膜，使纖維之間的孔隙減少，透氣性下降。隨著陶瓷粉的添加量增加，過濾材料的透氣性會稍微下降，添加納米陶瓷粉后，其發(fā)泡效果更好，涂覆于芳綸過濾布時涂層更加致密，其孔隙會減少，因此，透氣性會降低，但可更好地提升其過濾效率。

表2 涂層前后芳綸過濾材料透氣性Tab.2 Air permeability of aramid filter before and after coating mm/s

2.6 孔徑分析

不同配比涂層液涂覆后的過濾材料其孔徑大小如表3所示?？芍季]過濾材料平均孔徑在23.4 μm左右，這是因為芳綸針刺過濾材料面密度較大，纖維之間相互纏結緊密。涂層后的芳綸過濾材料的孔徑會減小，且隨著陶瓷粉的質量分數增加，芳綸過濾材料的孔徑會逐漸降低，涂層液在芳綸過濾材料表面形成一層致密的薄膜，可有效地減少過濾材料表面的孔徑大小。納米陶瓷粉可改善涂層液發(fā)泡效果，隨著陶瓷粉的加入其孔徑變小?？讖皆叫?，過濾材料對高溫氣體的過濾效率也越好。

表3 涂層前后孔徑測試結果Tab.3 Pore size test results before and after coating μm

2.7 過濾效率分析

圖6示出過濾材料對不同粒徑顆粒物的過濾效率?？芍瑢τ诓煌筋w粒物，過濾材料過濾效率不同，且過濾效率隨顆粒物粒徑的增大而提高。當顆粒物粒徑在2 μm以上時，涂層后芳綸過濾材料的過濾效率在80%以上；涂層后過濾材料的過濾效率明顯比原過濾材料高，在粒徑為1 μm時，涂層后過濾材料過濾效率達到60%左右，而原樣只有39.1%；在顆粒物直徑達到10 μm時，涂層后過濾材料基本達到100%。且隨著少量陶瓷粉的加入其過濾效率有一定提升，充分說明了涂層整理可有效提升芳綸過濾材料過濾效率。

圖6 過濾材料對不同粒徑顆粒物的過濾效率Fig.6 Filtration efficiency of filter materials for particles of different particle sizes

3 結 論

1)未涂層的芳綸過濾材料的面密度低，纖維間距大且分布不均勻，透氣性好，平均孔徑大，過濾材料的過濾效率相對較低，且易吸收酸堿性液滴，容易造成糊袋。

2)聚四氟乙烯泡沫涂層后，芳綸過濾材料表面形成一層薄膜，可有效提高過濾材料耐磨性，減小孔徑，降低透氣性并提升過濾性能，且拒酸堿能力提升，有效減少糊袋，便于清灰增加其使用壽命。

3)添加納米陶瓷粉后可有效提升發(fā)泡效果，涂層后形成的薄膜更加致密而穩(wěn)定。隨著陶瓷粉質量分數增加，芳綸過濾材料的耐摩擦性、拒酸堿性、過濾性能都有一定提升。當納米陶瓷粉質量分數為1.0%時，透氣量下降了168.9 mm/s；最大孔徑由62.6 μm減小到31.2 μm，平均孔徑為12.5 μm；其耐摩擦性優(yōu)異，摩擦5 000次后過濾材料表面基本無變化，且質量基本不變；對2 μm以上顆粒物過濾效率達到80%以上，對10 μm以上顆粒物過濾效率基本達到100%。

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