玻璃纖維濾材厚度對液體過濾性能的影響

李蘭振 王 斌 曾靖山，*

（1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640；2.廣西華原過濾系統(tǒng)股份有限公司，廣西玉林，537000）

液體過濾已經(jīng)滲透到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科研等各方面[1]，液壓油過濾是液體過濾的一種，其清潔度對實際應(yīng)用關(guān)系重大。液壓油不僅是液壓傳動系統(tǒng)中的工作介質(zhì)，而且還起著潤滑、冷卻和防銹的作用[2]；但液壓油質(zhì)逐漸受到污染而劣化會降低系統(tǒng)的使用壽命，從而增加了維修費用及生產(chǎn)成本。實踐表明，液壓系統(tǒng)75%以上的故障均與液壓油受到污染有關(guān)。液體過濾材料（簡稱濾材）的開發(fā)一直是人們致力解決的問題[3]，與其他纖維相比，玻璃纖維在抗拉強度、耐溫性等方面具有一定優(yōu)勢，且過濾性能很好，可以達(dá)到很高的過濾比[4-5]。玻璃纖維濾材以其優(yōu)異性能和極高的過濾比而越來越廣泛地應(yīng)用于液體過濾。

玻璃纖維濾材厚度對濾材過濾性能有很大的影響。根據(jù)實驗資料，厚度增加1.3 倍，透氣度減小53.1%[4]。Bachinski[6]提出過濾介質(zhì)的厚度可影響過濾介質(zhì)的打褶性能，如果過濾介質(zhì)太厚，則過濾介質(zhì)可能難以折疊成所需的褶皺尖端。Wang等人[7]提出在相同的纖維直徑和孔徑下，壓降與濾材厚度呈線性關(guān)系。朱呂等人[8]在研究濾材加工成濾芯時，發(fā)現(xiàn)其打褶處的斷裂現(xiàn)象會嚴(yán)重影響濾材的過濾性能，而且在使用過程中，其受損程度會加深甚至破裂。而較薄的濾紙其折疊工藝性好，并在折疊時不容易損壞[4]。因此，在保證過濾比和機械強度的前提下，若減小濾材的厚度，可以增大折疊在濾芯內(nèi)濾紙的面積，從而提高濾芯的納污容量。所以，探究濾材厚度對液體過濾性能的影響對高性能濾材的設(shè)計具有重要意義。

胡曉俠等人[9]、葉琳昌[10]都曾做過濾材過濾比與平均流量孔徑的對應(yīng)實驗，發(fā)現(xiàn)二者有相關(guān)性，且平均流量孔徑測定方法簡單、快捷，因而本研究把平均流量孔徑接近作為不同厚度濾材對比液體過濾性能的基礎(chǔ)。

本研究通過調(diào)配3 種玻璃棉和玻璃纖維配比和濾材定量，制備平均流量孔徑接近的不同厚度濾材，探究了玻璃纖維濾材厚度對液體過濾性能的影響。首先分析了4 種纖維原料，調(diào)節(jié)濾材纖維配比和濾材定量，并通過樹脂處理后，抄造平均流量孔徑接近的不同厚度濾材。然后利用多次通過實驗臺對濾材的流阻、過濾比、納污容量進(jìn)行檢測，分析了玻璃纖維濾材厚度對其液體過濾性能的影響，為液體濾材的厚度設(shè)計提供了依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原料

玻璃纖維、玻璃棉1#、玻璃棉2#、玻璃棉3#，廣州華創(chuàng)化工材料科技開發(fā)有限公司；無紡布，東莞市達(dá)恒實業(yè)有限公司；實驗油液，Aeroshell Fluid 41 航空液壓油（黏度范圍（15±1.0）mm2/s）；實驗粉塵，ISO 12103-1 A3 中級（A3 灰），其顆粒粒徑分布見表1。樹脂（水性丙烯酸），陶氏化學(xué)公司。

表1 ISO 12103-1 A3中級（A3灰）顆粒粒徑分布[11]

1.2 實驗設(shè)備

G2Pro Y 掃描電子顯微鏡，荷蘭Phenom-World 公司；No.2530 標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解機、No.2542-A 自動抄片器，日本KRK 公司；YG142 厚度儀，廈門欣銳儀器儀表有限公司；FX3300 透氣度測定儀，美國TEXTEST 公司；CFP-1100-A 毛細(xì)管流量孔徑儀，美國PMI 公司；Emerson 140 平板干燥器，美國Emerson 公司；JA 2003 精密電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；YH-23抽濾裝置，青島儀航實驗設(shè)備有限公司；MPTB-50-25 多次通過實驗臺，德國GMN 公司；FAS-2A 可調(diào)高速勻漿機，國立實驗研究所；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海?，攲嶒炘O(shè)備有限公司；真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.3 性能檢測與表征

1.3.1 纖維原料形貌分析

玻璃纖維形貌對濾材性能至關(guān)重要[12-13]。對玻璃纖維、玻璃棉1#、玻璃棉2#、玻璃棉3#共4 種纖維原料，分別以單一組分抄造定量80 g/m2的手抄片。將制備好的手抄片在掃描電子顯微鏡（SEM）下觀測，并用Image j測量軟件分析SEM 照片，測量纖維直徑，取平均值。

1.3.2 濾材制備和基本性能檢測

改變定量調(diào)節(jié)濾材的厚度，改變4 種纖維配比控制4種厚度濾材的平均流量孔徑相一致，然后使用樹脂增強處理得到平均流量孔徑接近的不同厚度濾材。將制備好的濾材做基本性能檢測。目前用于液體過濾的玻璃纖維濾材厚度大多在0.30～0.60 mm[3]，故選擇厚度為0.12、0.36、0.60、0.84 mm的濾材，平均流量孔徑選擇在（8.7±0.3）μm 范圍，用于下一步的多次通過實驗。

1.3.3 液體過濾性能檢測

按照ISO 16889[14]標(biāo)準(zhǔn)，測試4 種厚度濾材的流阻、過濾比和納污容量。實驗條件如表2所示。

表2 多次通過實驗條件

1.3.4 多次通過實驗后樣品SEM分析

濾材經(jīng)過多次通過實驗后，因含有大量油液，不能直接制樣做SEM 觀測。故將經(jīng)過多次通過實驗后的濾材先放入真空干燥箱中干燥，溫度設(shè)定為160℃，真空度0.1 MPa，干燥時間6 h。對干燥后的樣品進(jìn)行SEM 分析，觀測顆粒物在濾材上的分布情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維原料形貌分析

表3 4種纖維原料直徑測量結(jié)果

看到，玻璃纖維表面光滑，直徑比較均一且纖維沒有彎曲現(xiàn)象；3 種玻璃棉纖維直徑差異比較大，纖維存在彎曲現(xiàn)象。

通過Image j 測量軟件分析電鏡照片，測量纖維直徑，4種纖維原料直徑如表3所示。

由表3 可知，玻璃纖維、玻璃棉1#、玻璃棉2#、玻璃棉3#的平均直徑分別為6.39、1.62、1.44、0.54 μm。

2.2 濾材基本性能檢測

2.3 濾材厚度對其液體過濾性能的影響

2.3.1 濾材厚度對流阻的影響

圖1 單一纖維原料手抄片SEM圖

表4 玻璃纖維濾材基本性能

濾材壓差與時間間隔的關(guān)系反映了濾材在多通測試過程中空隙被顆粒堵塞以及濾餅形成過程；濾材壓差和時間的關(guān)系則反映不同濾材被顆粒物堵塞的快慢。

圖2 為濾材壓差隨時間間隔的變化曲線。由圖2可知，4 種厚度的濾材壓差隨時間間隔的變化曲線幾乎完全重合。過濾時間從開始到80%，濾材的壓差曲線比較平緩；當(dāng)達(dá)到過濾時間的80%～90%時，壓差上升速度增大；而達(dá)到過濾時間的90%～100%時，壓差急劇增大，很快到達(dá)終止壓差。這說明不同厚度的濾材被顆粒物堵塞的過程一致，其原因是在過濾初期，顆粒物進(jìn)入濾材內(nèi)部孔徑，主要沉積在濾材孔隙內(nèi)部，基本不堵塞孔徑，而到了過濾后期，顆?；径氯麨V材內(nèi)部孔隙和入流面，顆粒無法進(jìn)入濾材內(nèi)部，在濾材入流面形成濾餅，導(dǎo)致壓差急劇增大。

圖2 濾材壓差隨時間間隔的變化曲線

圖3 濾材壓差隨時間的變化曲線

圖3 是濾材壓差隨時間的變化曲線。由圖3 可知，4 種厚度的濾材初始壓差接近，且在測試前50 min，不同厚度的濾材壓差曲線增長緩慢且?guī)缀跬耆睾?，說明4 種濾材的孔隙結(jié)構(gòu)接近且在測試前50 min并未發(fā)生太大變化；在此期間顆粒物主要進(jìn)入濾材內(nèi)部孔徑凹槽和被纖維攔截，沒有堵塞孔徑，故對濾材壓差影響不大。隨著測試時間增加，不同厚度的濾材壓差隨時間曲線出現(xiàn)分化，濾材厚度增加，濾材到達(dá)終止壓差的時間延長。厚度為0.12 mm的濾材67 min到達(dá)終止壓差，厚度為0.84 mm 的濾材到達(dá)終止壓差的時間為127 min。濾材厚度增加使更多的顆粒物進(jìn)入濾材內(nèi)部，延緩了顆粒物在濾材入流面形成濾餅，阻塞濾材過濾通道的時間，從而使濾材到達(dá)終止壓差的時間延長。

2.3.2 濾材厚度對過濾比的影響

平均過濾比等于每個尺寸x 的總的上游平均顆粒數(shù)除以總的下游平均顆粒數(shù)，計算見公式（1）。

式中，βx為對于某一給定尺寸x 的平均過濾比；Aux、Adx分別為上游和下游單位體積液體中尺寸大于x的平均顆粒數(shù)。

表5為不同厚度濾材在不同平均過濾比下所對應(yīng)的污染物顆粒粒徑尺寸。由表5可知，4種厚度的濾材平均過濾比相同時，對應(yīng)的污染物顆粒尺寸接近。4種厚度的濾材平均過濾比為75時，對應(yīng)的污染物顆粒尺寸為（8.7±0.3）μm，這與濾材的平均流量孔徑接近。說明本研究所制備的濾材在平均流量孔徑接近的情況下，相同平均過濾比對應(yīng)的污染物顆粒粒徑尺寸接近。

表5 不同厚度濾材在不同平均過濾比下所對應(yīng)的污染物顆粒粒徑尺寸 μm

2.3.3 濾材厚度對納污容量的影響

納污容量是過濾材料持續(xù)加污染物到一定阻力時，單位面積上所容納污染物的質(zhì)量，納污容量反映了過濾材料的使用壽命。

圖4 濾材厚度對納污容量的影響

圖4 為濾材厚度對納污容量的影響。由圖4 可知，濾材納污容量隨著濾材厚度的增加而增大。納污容量為濾材達(dá)到終止壓差時單位面積濾材所容納的污染物質(zhì)量。由于4種濾材隨著厚度增加到達(dá)終止壓差的時間延長，故納污容量也隨著濾材厚度增加而增加。厚度為0.12 mm 的濾材納污容量為38.7 g/m2，厚度為0.84 mm 的濾材納污容量為82.1 g/m2。厚度增加了6倍，納污容量僅增大了1.12倍，納污容量增加倍數(shù)和濾材厚度增加倍數(shù)不一致。

由圖4 可知，濾材納污容量和濾材厚度接近線性關(guān)系，本研究建立數(shù)學(xué)模型從過濾機理解釋納污容量和濾材厚度的線性關(guān)系。這里用最小二乘法對曲線做線性擬合[15]，見式（2）和式（3）。

得擬合曲線為:

其中，平方誤差:27.54，擬合優(yōu)度:0.9613。

式中，x表示濾材厚度，mm；s(x)表示納污容量，g/m2。

把濾材截面簡化為如圖5 所示的由濾材入流面和濾材內(nèi)部組成的模型，由式（3）可推出，在本研究的多次通過實驗條件下，對于平均流量孔徑在8.7 μm左右的濾材，33.3 g/m2的納污容量主要是濾材表面過濾形成濾餅貢獻(xiàn)，與濾材厚度無關(guān)；57.2x 為濾材深層過濾通過攔截和吸附貢獻(xiàn)的納污容量，與濾材厚度成正比，57.2 為濾材深層過濾貢獻(xiàn)的納污容量與濾材厚度的系數(shù)。

2.4 多次通過實驗后樣品SEM分析

對多次通過實驗后的4 種不同厚度的濾材進(jìn)行SEM 分析，結(jié)果見圖6～圖9。從圖6～圖9 可以看到，過濾過程中的大量顆粒物被攔截在濾材靠上游一側(cè)的表面層，容易在表面形成濾餅，使壓差在后期急劇上升。此外可以看到有部分小顆粒沉積在出流面，結(jié)合濾材過濾比在過濾后期有一定程度的下降，這部分顆粒一是在過濾過程中由流體挾帶穿過濾材；二是在過濾后期由于壓差的增大，產(chǎn)生二次夾帶，導(dǎo)致后期過濾比的下降。

圖5 濾材截面簡化模型

圖6 厚度為0.12 mm濾材SEM圖

圖7 厚度為0.36 mm濾材SEM圖

圖8 厚度為0.60 mm濾材SEM圖

圖9 厚度為0.84 mm濾材SEM圖

由圖6～圖9中SEM截面圖可以看出，顆粒物從入流面進(jìn)入時，大量顆粒物集中在靠近濾材上游的表面層。對比入流面對顆粒物的攔截，濾材中靠近出流面部位并不能起到顯著的納污作用。尤其是當(dāng)顆粒物在濾材入流面表面形成濾餅后，顆粒物主要被濾餅攔截，很難進(jìn)入濾材內(nèi)部，導(dǎo)致濾材急劇上升到終止壓差，因此濾材厚度的增加并不會導(dǎo)致納污容量顯著增加。

3 結(jié) 論

本研究以玻璃纖維、玻璃棉1#、玻璃棉2#和玻璃棉3#為原料，制備了4 種厚度的液體過濾材料（濾材），將該濾材在多次通過實驗臺上進(jìn)行航空液壓油液體過濾性能測試。

3.1 4 種厚度濾材在平均流量孔徑（8.7 μm）接近的情況下，相同平均過濾比對應(yīng)污染物顆粒粒徑尺寸接近。

3.2 平均流量孔徑接近時，4 種厚度的濾材壓差與時間間隔的曲線幾乎完全重合；從濾材壓差與時間的曲線中可以看出，在實驗前50 min，4 種厚度的濾材壓差與時間曲線基本一致，隨著時間增加，不同厚度的濾材壓差曲線出現(xiàn)分化，且濾材厚度增加，濾材到達(dá)終止壓差的時間延長。

3.3 當(dāng)4 種厚度濾材的平均流量孔徑接近時，納污容量隨濾材厚度的增大而增大，厚度為0.12 mm的濾材納污容量為38.7 g/m2，厚度為0.84 mm 的濾材納污容量為82.1 g/m2。厚度增加了7倍，納污容量僅增大了1.12 倍，納污容量增加倍數(shù)和濾材厚度增加倍數(shù)不一致，但二者存在線性關(guān)系。濾材截面可以簡化為由濾材入流面和濾材內(nèi)部組成的模型，濾材入流面通過表面過濾提供的納污容量為固定值；濾材內(nèi)部通過深層過濾提供的納污容量隨濾材厚度增加而增大，這部分的納污容量與濾材厚度呈線性關(guān)系。