聚四氟乙烯微孔膜及其過濾材料制備研究

徐 汀

(上海金由氟材料股份有限公司 , 上海 200137)

隨著《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)在2016年1月1日的執(zhí)行和實(shí)施，越來越多的環(huán)境污染治理的法律法規(guī)相繼出臺實(shí)施。根據(jù)2014年7月1日開始實(shí)施的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求在用鍋爐大氣污染顆粒物排放限值為80 mg/m3，新建鍋爐大氣污染顆粒物排放限值為50 mg/m3[1]?！痘痣姀S大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》則規(guī)定，作為重點(diǎn)地區(qū)的北京、上海等地顆粒物排放限制為20 mg/m3，然后，目前傳統(tǒng)的過濾材料遠(yuǎn)不能滿足要求，而濾袋作為袋式除塵的關(guān)鍵材料，其性能的優(yōu)劣決定了整個(gè)除塵系統(tǒng)除塵效率和運(yùn)行的穩(wěn)定性[2-4]。

在針刺氈表面覆上一層膨體聚四氟乙烯微孔膜可提高其過濾效率，且不增加過濾阻力。因此，本文在傳統(tǒng)的濾料制備工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合本公司的ePTFE薄膜生產(chǎn)工藝，研制了一種新型的聚四氟乙烯覆微孔膜及覆膜濾料制備方法。該方法生產(chǎn)ePTFE覆膜濾料，具有工藝流程短、操作簡單、成本較低，也易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

聚四氟乙烯樹脂，DF 206(由山東東岳提供)；助溶劑，航空煤油(市售)；針刺氈基材(公司自制)；泡壓法濾膜孔徑分析儀(貝士德儀器科技(北京)有限公司)，制膜設(shè)備和濾料覆合設(shè)備采用本公司中試車間自制專用設(shè)備。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1聚四氟乙烯微孔膜制備

在傳統(tǒng)PTFE薄膜雙向拉伸工藝的基礎(chǔ)上，研究了拉伸倍數(shù)、熱定型溫度、拉伸速度等工藝參數(shù)對微孔膜微觀結(jié)構(gòu)的影響，開發(fā)膨體聚四氟乙烯微孔膜(ePTFE)。聚四氟乙烯微孔膜生產(chǎn)工藝流程圖見圖1。

1.2.2聚四氟乙烯覆膜濾料制備

圖1 聚四氟乙烯微孔膜生產(chǎn)工藝流程圖

目前，聚四氟乙烯覆膜濾料多采用黏合和熱熔等覆合工藝，在使用過程中可能會因?yàn)轲ず闲Ч膯栴}導(dǎo)致微孔膜剝落，降低濾料使用壽命，因此，本文充分利用公司已有的覆膜技術(shù)開發(fā)熱復(fù)合工藝。具體工藝如下：①將聚四氟乙烯微孔膜在預(yù)加熱烘箱于85～135 ℃預(yù)熱10～23 min；②將預(yù)熱后的聚四氟乙烯微孔膜用離子風(fēng)機(jī)除去微孔膜表面靜電，離子風(fēng)量為1.27～10.19 m3/min，處理時(shí)間為1～15 min；③將基材進(jìn)行表面處理提高基材的比表面積；④將預(yù)處理的聚四氟乙烯微孔膜和預(yù)處理的基材復(fù)合烘箱內(nèi)復(fù)合，復(fù)合溫度為150～430 ℃，復(fù)合壓力為0.03～4.9 MPa，復(fù)合輥的轉(zhuǎn)速為0.1～10 m/min；⑤將復(fù)合后的聚四氟乙烯復(fù)合濾料在熱定型機(jī)中進(jìn)行熱定型處理，處理溫度為50～150 ℃，熱定型輥轉(zhuǎn)速為0.05～5 m/min。⑥將熱定型后的聚四氟乙烯滌綸復(fù)合濾料進(jìn)行切邊收卷，并打包成成品。簡要工藝流程圖見圖2。

2 結(jié)果與討論

2.1 加工工藝對ePTFE薄膜微孔結(jié)構(gòu)的影響

圖2 聚四氟乙烯覆膜濾料生產(chǎn)工藝流程

ePTFE在制備成膜的過程中，受到預(yù)處理、壓延、三向拉伸、熱定型等作用，其形態(tài)結(jié)構(gòu)及微結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，因此可以通過研究拉伸倍數(shù)、熱定型溫度等參數(shù)來確定最佳生產(chǎn)工藝[5]。

2.1.1拉伸方向的影響

ePTFE樹脂經(jīng)過混合、擠出和壓延后得到聚四氟乙烯基帶，經(jīng)過雙向拉伸后聚四氟乙烯微孔膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)(見圖3)。ePTFE微孔膜在制備的過程中會出現(xiàn)纖維化，在電鏡照片中可以發(fā)現(xiàn)微孔膜局部變薄[5]。而三向拉伸工藝是以傳統(tǒng)雙向拉伸工藝為基礎(chǔ)進(jìn)行改良，在溫度較高的條件下讓PTFE基帶通過特殊工藝進(jìn)行上下拉伸從而實(shí)現(xiàn)三向拉伸(見圖4)，使微孔膜具有空間三維立體結(jié)構(gòu)。因此三向拉伸不但能夠優(yōu)化ePTFE薄膜微孔性能，并且能夠?qū)穸冗M(jìn)行良好的調(diào)控。

圖3 雙向拉伸膜表面電鏡照片

圖4 三向拉伸ePTFE膜表面電鏡照片

2.1.2拉伸倍數(shù)的影響

在不改變拉伸溫度的情況，通過改變不同拉伸方向的拉伸倍數(shù)研究拉伸倍數(shù)對微孔膜孔隙率和孔徑的影響，見表1、表2。由表1和表2中數(shù)據(jù)可見，隨著橫向拉伸倍數(shù)的提高，薄膜孔隙率和平均孔徑增加，當(dāng)拉伸倍數(shù)達(dá)到9倍時(shí)，空虛率是2倍時(shí)的2倍，平均孔徑也達(dá)到了0.30 μm。與橫拉方向一樣，微孔膜的平均孔徑和孔隙率隨縱向拉伸倍數(shù)的增大而增加，當(dāng)拉伸倍數(shù)達(dá)到8.5倍時(shí)，孔隙率達(dá)到了90.1%，平均孔徑達(dá)到了0.49 μm。

表1 橫向拉伸倍數(shù)對微孔膜孔隙率和孔徑的影響

表2 縱向拉伸倍數(shù)對微孔膜孔徑和孔隙率的影響

2.1.3熱定型溫度的影響

熱定型需保持在一定的張力下進(jìn)行，以確保微孔膜成孔和尺寸的穩(wěn)定性。熱定型溫度對薄膜的孔徑、孔隙率有較大的影響，其影響結(jié)果如表3所示。

表3 熱定型溫度對微孔膜孔徑和孔隙率的影響

從表3可知，隨著熱定型溫度的增加，微孔膜孔徑和孔隙率增大，原因可能是隨著熱定型溫度的升高，微孔膜的結(jié)晶度下降，微孔膜內(nèi)部的纖維化加劇，原纖化節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的距離增大，節(jié)點(diǎn)也在不斷增高的熱定型溫度作用下逐漸減少，導(dǎo)致部分原纖斷裂，進(jìn)而促使微孔膜的孔徑不斷增大和空虛率的提高[6]。

2.2 聚四氟乙烯覆膜濾料過濾性能研究

2.2.1ePTFE覆膜濾料與傳統(tǒng)濾料的比較研究

濾料過濾方式隨著濾料結(jié)構(gòu)的發(fā)展由深層過濾發(fā)展為表面過濾、表層過濾，傳統(tǒng)的纖維針刺氈和覆蓋的灰粒層濾料過濾方式見圖5[7]。

圖5 濾料過濾方式

傳統(tǒng)針刺氈濾料一般為深層過濾材料，是一種基布針刺不同纖維而成的常規(guī)濾料。其過濾過程如圖6所示。針刺氈濾料在過濾之初過濾效率不高，只有在濾料表面形成粉塵層后才具有較高的除塵效率，但是隨著表面粉塵不斷形成的同時(shí)粉塵微粒也不斷地浸入濾料的內(nèi)部，而細(xì)微粒也容易吸附在濾料內(nèi)部的纖維表面，最終堵塞濾料內(nèi)部空隙，粉塵殘留率較高，不斷地提高過濾阻力，降低過濾效率，因此需要較為頻繁的清灰[8]。

圖6 常規(guī)覆膜濾料過濾方式

ePTFE覆膜濾料是一種新型的表面過濾方式，通過在針刺氈濾料表面覆合ePTFE微孔膜，通過控制微孔膜的孔徑大小來提高粉塵的過濾效率。覆合ePTFE微孔膜后，直徑大于孔徑的粉塵微粒不能通過薄膜進(jìn)入濾料內(nèi)部，從而全部沉積在濾料外表面上實(shí)現(xiàn)高效過濾效率，通過膨體聚四氟乙烯覆蓋膜濾料過濾方式，用膨體聚四氟乙烯薄膜做成的微孔復(fù)合濾料和覆蓋的微粒，如圖7所示。因此，要實(shí)現(xiàn)表面過濾，關(guān)鍵是要有一種質(zhì)密而又有許多微孔、易于清灰的薄膜材料。因此，膜的質(zhì)量和覆膜技術(shù)決定了濾料的性能及使用壽命。

圖7 膨體聚四氟乙烯覆膜濾料過濾方式

傳統(tǒng)濾料和覆膜濾料粉塵過濾效率見表4。從表4中可以看出，傳統(tǒng)濾料的除塵效果基本上可維持在80%～90%，而ePTFE覆膜濾料粉塵過濾效率可達(dá)99.999%。

表4 ePTFE覆膜濾料與針刺氈濾料過濾效率比較

2.2.2不同ePTFE覆膜濾料性能的對比

為了比較不同ePTFE覆膜濾料性能，對四種型號的ePTFE膜和針刺氈都在過濾實(shí)驗(yàn)前做了空氣透過實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 ePTFE覆膜濾料空氣透過阻力對比表

通過表5中不同型號的ePTFE覆膜濾料空氣透過阻力可以看出：雖然不同ePTFE覆膜濾料在一定過濾流速下的空氣透過阻力有一定的變化，但是與本實(shí)驗(yàn)整個(gè)過濾過程的平均過濾阻力(約3 kPa)相比較，均不足6%，這與工業(yè)除塵壓降(約0.1 MPa)相比，更是微乎其微。因而，ePTFE膜對過濾過程的影響非常微弱，基本上可以忽略。

3 結(jié)論

制備三向拉伸微孔膜過程中的拉伸倍數(shù)、熱定型溫度、拉伸速度等工藝參數(shù)對微孔膜結(jié)構(gòu)的影響，通過三向拉伸工藝不但能夠優(yōu)化ePTFE薄膜微孔性能，并且能夠?qū)穸冗M(jìn)行良好的調(diào)控。與三向拉伸微孔膜覆合后，覆膜濾料的過濾效率可以達(dá)到99.999%，且覆膜后，ePTFE膜對過濾過程的影響非常微弱，基本上可以忽略。