高溫對機織布玻纖覆膜濾料耐折性能影響實驗研究*

毛顏波 柳靜獻 毛寧

(東北大學濾料檢測中心 沈陽110004)

*基金項目：國家重點研究計劃項目(2016YFC0203701)。

0 引言

近年來，大氣污染問題日益突出，工業(yè)生產(chǎn)中排放出的有毒有害氣體、顆粒物是大氣污染的主要源頭。袋式除塵技術是工業(yè)除塵的重要手段，在鋼鐵鑄造、冶金、垃圾焚燒以及電力等行業(yè)袋式除塵應用廣泛[1-2]。濾料作為袋式除塵器的核心部分，其性能優(yōu)劣對除塵效果影響明顯[3-4]。機織布玻纖覆膜濾料是一種耐高溫過濾材料，一般應用在130 ℃以上的高溫工況條件下，能耐260 ℃的高溫，瞬間溫度可耐280 ℃，由于其優(yōu)越的耐熱性能，被認為是高溫工況下粉塵捕集的首選濾料[5]。其中玻纖覆膜濾料是在玻纖基布上經(jīng)過不同方式處理, 在基布上覆合一層聚四氟乙烯(PTFE)膜的高效過濾材料, 覆膜玻纖濾料包含了玻璃纖維的伸縮率低、耐高溫和聚四氟乙烯(PTFE)表面光滑、透氣性能好、化學性質穩(wěn)定的優(yōu)勢[6-7]。

現(xiàn)場實際應用表明，機織布玻纖覆膜濾料耐酸性能、耐折性能及耐屈撓性相對較差。并且，玻璃纖維的微觀結構也顯示出玻璃纖維形貌是圓柱形表面光滑且排列規(guī)則的棒狀結構，因此耐折性能較差[8]。與濾料的斷裂強力和斷裂伸長率相比較，玻纖濾料的耐折性能更值得關注，耐折性能的好壞對濾料使用壽命起著關鍵的作用[5,9]。嚴榮樓等[10]對玻纖過濾材料表面采用不同化學配方處理，結果表明，濾料表面采取TFB配方處理可以提高濾料耐折性能。許寧等[11]研究模擬了高溫工況下玻纖濾料老化拉伸性能，結果表明，玻纖濾料具有良好的耐熱性能，高溫老化對玻纖濾料拉伸性能影響不顯著。梁正海等[12]研究了在玻纖濾料表面用納米材料處理后，發(fā)現(xiàn)在濾料表面處理液中添加SiOx納米材料,對濾布的耐折性能有較為明顯的改善作用。因此，研究高溫對玻纖濾料耐折性能影響對其延長使用壽命、降低運行成本有重要意義。

1 實驗方法

1.1 實驗樣品及制備

本文選取5種機織布玻纖覆膜濾料作為實驗樣品。實測每平方米質量為600～800 g，2#濾料實測單位面積質量最大，并且透氣性較好。5種濾料的基本特征參數(shù)如表1所示。

表1 5種玻纖濾料基本特征參數(shù)

按《紙和紙板 試樣的采取及試樣縱橫向、正反面的測定》(GB/T 450—2008)規(guī)定取樣，把所取試樣放在符合《紙、紙板和紙漿試樣處理和試驗的標準大氣條件》(GB/T 10739—2002)規(guī)定的大氣條件下處理后切取寬(15±0.1)mm、長度不小于140 mm的經(jīng)、緯向試樣至少各10條，并放在標準大氣條件下進行測試。

1.2 實驗方案

實驗主要研究了不同溫度和不同加熱時間老化對機織布玻纖覆膜濾料耐折性能的影響。在固定加熱時間條件下，探究了在不同的高溫作用下，機織布玻纖覆膜濾料耐折性能的變化情況。在固定加熱溫度條件下，探究了在不同的加熱時間，機織布玻纖覆膜濾料耐折性能的變化情況，并對實驗濾料進行傅里葉紅外光譜分析，具體實驗條件見表2。實驗儀器為耐折度儀和Tensor27傅立葉變換紅外光譜儀。

表2 實驗條件

實驗樣品的測試和計算按《紙和紙板耐折度的測定(MIT耐折度儀法)》(GB/T 2679.5—1995)進行。實驗步驟為：將按《紙和紙板 試樣的采取及試樣縱橫向、正反面的測定》(GB/T 450—2008)制取的寬15 mm、長140 mm的實驗樣品垂直夾于折疊頭兩夾具之間，測試選取的彈簧張力為14.72 N，將彈簧張力指針調至該數(shù)值進行測試。耐折度測試的折疊角度為135°，開始測試直至試樣折斷為止，記下顯示屏所顯示的耐折次數(shù)。重復上面實驗程序，經(jīng)緯向各測試10條試樣。通常用耐折度來衡量濾料的耐折性能，耐折度的計算公式如下：

N=log10L

(1)

Lave=(L1+L2+…+Ln)/n

(2)

Nave=10Lave

(3)

式中，N為耐折次數(shù)，L為耐折度，Nave為平均耐折次數(shù)，Lave為平均耐折度，L1、L2、…、Ln為試樣1、2、…、n的耐折度。

將不同條件高溫老化后的試樣進行紅外光譜分析，并對得到的紅外光譜圖及數(shù)據(jù)進行對比分析。并探究耐折次數(shù)與玻纖官能團所在頻段內對應的透光率的關系。

2 結果與討論

2.1固定加熱時間，溫度對玻纖濾料耐折性能影響

設定高溫加熱時間為12 h，探究烘箱溫度對濾料耐折性能影響。由于玻纖濾料一般在130 ℃以上高溫工況下使用，并且瞬時可耐280 ℃，因此，分別調整加熱溫度為120 ℃、170 ℃、220 ℃和270 ℃，在各溫度下將試樣放置在烘箱12 h后，取出進行耐折度測試，結果見圖1、圖2。

(a)耐折次數(shù)隨溫度變化

(b)耐折度隨溫度變化

(a)耐折次數(shù)隨溫度變化

(b)耐折度隨溫度變化

根據(jù)圖1和圖2可以看出，在加熱時間為12 h時，5種玻纖濾料的經(jīng)向耐折次數(shù)與緯向耐折次數(shù)都隨著溫度的升高而顯著降低，相應，耐折度也隨之減少。其中，2#玻纖濾料具有較好的經(jīng)向耐折性能，當加熱溫度從120 ℃升至270 ℃時，經(jīng)向耐折次數(shù)下降率為54.3%，耐折度降低0.34。1#玻纖濾料耐折度隨時間變化不明顯，相比耐折性能較差，加熱溫度為270 ℃時，其經(jīng)向和緯向耐折次數(shù)僅為789次和775次。3#濾料的緯向耐折性能相比其他4種濾料，具有優(yōu)越的耐折性能，加熱溫度為120 ℃，耐折次數(shù)可達35 042次，溫度升至270 ℃時，耐折次數(shù)下降率為48.2%。這說明，高溫作用會對玻纖濾料耐折性能產(chǎn)生影響，溫度越高，耐折次數(shù)下降越明顯。

2.2固定加熱溫度，不同加熱時間對玻纖濾料耐折性能影響

玻纖濾料的極限溫度可達270 ℃，并且溫度越高，耐折次數(shù)變化更為明顯，故將烘箱溫度設定為230 ℃，在加熱10 h、36 h、60 h和84 h后，進行耐折度測試，結果見圖3、圖4。

從圖3和圖4可以看出，在230 ℃下，隨著玻纖濾料在烘箱中加熱的延長，濾料的經(jīng)向與緯向耐折次數(shù)呈下降趨勢，濾料耐折度顯著降低。在加熱時間為10 h時，經(jīng)向耐折次數(shù)排序為：2#>5#>4#>3#>1#,5種濾料耐折次數(shù)相差不大，均在同一數(shù)量級，2#經(jīng)向耐折性能最好，但加熱84 h后耐折次數(shù)下降率也是最高，為79.3%。相比較，緯向耐折次數(shù)相差較大，3#濾料耐折次數(shù)遠遠高于其他4種濾料，但其他4種濾料緯向耐折次數(shù)差別不大，5#濾料在這4種濾料中耐折性能最好，2#濾料的緯向耐折次數(shù)下降率仍最高，1#和2#兩種濾料耐折次數(shù)隨溫度變化最為明顯，加熱84 h后耐折次數(shù)下降率是12 h時的耐折次數(shù)的75%左右。這說明，在高溫氛圍下，玻纖濾料的耐折性能隨著作用時間的增長而降低，每種濾料的下降幅度存在差異。

(a)耐折次數(shù)隨時間變化

(b)耐折度隨時間變化

(a)耐折次數(shù)隨時間變化

(b)耐折度隨時間變化

2.3 高溫作用下玻纖濾料紅外光譜分析

通過紅外光譜圖，可以根據(jù)不同的特征峰判斷物質具有的官能團。圖5為不同溫度下5種玻纖濾料在900～1 200 cm-1頻段內的紅外光譜圖。圖6為不同加熱時間下玻纖濾料在900～1 200 cm-1頻段內的紅外光譜圖。從圖5和圖6可以看出，隨著溫度升高、加熱時間的增加，900～1 200 cm-1頻段的透射率有下降趨勢，且該頻段為玻璃纖維特征峰頻段。

圖5 5種玻纖濾料在不同溫度下900～1 200 cm-1頻段紅外光譜

圖6 5種玻纖濾料在不同加熱時間下900～1 200 cm-1紅外光譜

從紅外光譜圖可以看出：在900～1 200 cm-1有極強的吸收峰出現(xiàn)，可判斷其峰為玻璃纖維的特征峰頻段。在1 150～1 250 cm-1左右出現(xiàn)的振動峰為CF2基團反對稱伸縮振動和伸縮對稱振動，在2 350 cm-1出現(xiàn)的吸收峰為其倍頻峰?？膳袛酁榫鬯姆蚁?PTFE)的吸收振動峰。隨著溫度升高，玻璃纖維的特征峰頻段伸縮振動減弱、透射率降低，故高溫對玻璃纖維的分子結構也有一定的破壞作用。

從圖5和圖6可以看出，不同溫度下，900～1 200 cm-1頻段的吸收峰變化明顯，即透射率隨溫度變化較為顯著。由于該吸收頻段為玻璃纖維的特征吸收頻段，故從該頻段中選取1 147 cm-1處作為研究點，探究耐折次數(shù)與透射率之間的關系，為了更好地進行對比，將所有的光譜圖進行歸一化處理。圖7為5#玻纖覆膜濾料的經(jīng)向與緯向耐折次數(shù)與在1 147 cm-1處經(jīng)歸一化后透射率的線性相關擬合直線圖。

從圖7線性擬合直線可以看出，5#玻纖覆膜濾料的經(jīng)向和緯向耐折次數(shù)與在1 147 cm-1處的透射率具有明顯線性相關性，即隨著耐折次數(shù)的減少，透射率也有下降的趨勢。其他4種玻纖覆膜濾料與5#玻纖覆膜濾料有相似的線性擬合關系。紅外光譜中900～1 200 cm-1頻段內每處的耐折次數(shù)與透射率的線性擬合關系同1 147 cm-1處的一致。這說明，高溫作用對玻璃纖維分子結構有破壞，導致玻纖官能團透射率降低，宏觀表現(xiàn)為玻纖濾料性能下降。

(a)經(jīng)向

(b)緯向

3 結論

實驗結果表明：高溫作用下，機織布玻纖覆膜濾料耐折性能下降明顯。

(1)在120～270 ℃，加熱時間為12 h條件下，隨著加熱溫度的升高，5種機織布玻纖覆膜濾料的經(jīng)向和緯向耐折次數(shù)及耐折度呈顯著下降趨勢。其中，2#濾料耐折性能隨溫度升高變化最為明顯，5種濾料緯向耐折性能均好于經(jīng)向。

(2)230 ℃條件下，隨著高溫作用的時間延長，5種機織布玻纖覆膜濾料的耐折性能下降明顯。例如，5種濾料加熱84 h較加熱10 h經(jīng)向耐折次數(shù)下降率均超過50%。3#濾料緯向耐折性能最好，且下降率最低。

(3)通過對紅外光譜分析可知，隨著溫度升高和作用時間的延長，玻璃纖維特征峰頻段所對應的透射率呈下降趨勢，即耐折次數(shù)與透射率擬合關系呈線性正相關性。這說明，高溫對玻璃纖維的分子結構有破壞，導致耐折性能下降。

(4)實際應用中，應該考慮高溫條件對機織布玻纖覆膜濾料耐折性能的影響，防止工作溫度過高，并對濾料進行相應處理，提高其自身性能。