PTFE針刺過濾材料粉煤灰整理工藝及其制品性能研究

劉樹森 湯大寧 王洪云 李素英

1．南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通226019；

2．南通新綠葉非織造布有限公司，江蘇 南通226019

近年，空氣質(zhì)量的惡化使得我國出現(xiàn)了大范圍的霧霾天氣。目前，空氣過濾是解決空氣污染最有效的一種處理方式。PTFE纖維是目前最為穩(wěn)定的耐化學(xué)腐蝕和耐高溫的纖維材料之一[1]。PTFE針刺氈采用針刺工藝，通過摩擦、抱合或粘合等作用將隨機(jī)排列的纖維組合在一起，具有力學(xué)性能好、孔隙率大、透氣性好、耐腐蝕性佳、使用壽命長等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。PTFE纖維為膜裂纖維，其是以PTFE為原料，通過紡絲或制成薄膜后，通過切割或原纖化工藝制得的一種合成纖維，故該纖維的細(xì)度不均勻，這在很大程度上影響了針刺氈的均勻性，加之所形成的纖網(wǎng)孔徑尺寸差異較大，且分布隨機(jī)，這導(dǎo)致其針刺氈對顆粒物的過濾效率不高。常規(guī)的PTFE濾料對PM2.5的過濾效率僅在50.0%～64.0%[2]。

粉煤灰是從燃煤煙氣中收集到的一種優(yōu)良的固體顆粒物，一般有灰白色、灰色、黃褐色和黑色等顏色，且顏色越淡，燃燒越完全，變異程度越高，其中的漂珠含量也越高。漂珠是一種具有質(zhì)輕、表面光滑、導(dǎo)熱系數(shù)小、強(qiáng)度高等特性的微態(tài)粉煤灰空心球[3]，成分為惰性，具有很好的耐化學(xué)腐蝕性能。

空氣過濾器在形成濾餅的階段，過濾效率不斷提高，因此，盡可能縮短濾餅形成時間及延長濾餅作用時間，是空氣過濾器的一個發(fā)展方向。本試驗將以PTFE針刺氈為原料，利用含粉煤灰的整理劑對PTFE針刺氈進(jìn)行后整理，制備粉煤灰PTFE針刺氈，使粉煤灰在材料表面形成濾餅預(yù)敷層，既能保持PTFE耐高溫高壓、耐腐蝕等特性，又能夠有效延長過濾器的使用壽命，增強(qiáng)過濾器的使用性能。

1 試驗

1.1 原料及藥品

粉煤灰，灰白色(國外煤燒結(jié)而成)和黃褐色(國內(nèi)煤燒結(jié)而成)，上海集大實業(yè)有限公司；聚四氟乙烯(PTFE)乳液，浙江巨化股份有限公司；PTFE針刺氈，具體規(guī)格及性能見表1；無水乙醇、吐溫80，南通鏈集化工有限公司；硅烷偶聯(lián)劑，河南永佳化工產(chǎn)品有限公司；1227軟化劑，浙江贊宇科技股份有限公司。

表1 試驗所用PTFE針刺氈具體規(guī)格及性能

1.2 主要設(shè)備

三峰牌電子秤(上海升亮電子科技有限公司)、HJ-5型多功能恒溫攪拌器(金壇市榮華儀器制造有限公司)、GZX-GF-101AB-2型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海華聯(lián)環(huán)境試驗設(shè)備公司恒昌儀器廠)、DZF-6090型真空干燥箱(上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司)、WDW-1200型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)(濟(jì)南勝工萬能試驗機(jī)有限公司)、KYKY-2800型掃描電鏡儀(北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司)。

1.3 樣品制備

1.3.1 整理劑的制備

向蒸餾水中加入不同質(zhì)量的粉煤灰，并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%的PTFE乳液、2%的吐溫80、2%的無水乙醇、1%的1227軟化劑和1%的硅烷偶聯(lián)劑，配置粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、20%及30%的整理劑，并將配好的整理劑在磁力攪拌器下攪拌3 min，待用。其中，PTFE乳液作為表面活性劑，能促使粉煤灰黏附到PTFE纖維上；同時，PTFE乳液會在濾料表面復(fù)合上一層致密又透氣的PTFE涂層，改善表面平整度，提高濾料的清灰性能。

1.3.2 后整理

將PTFE針刺氈平整地放入不銹鋼浸漬盆中，將預(yù)先配置好的整理劑均勻地倒在針刺氈表面。利用軋車進(jìn)行軋壓，使整理劑快速地滲入材料內(nèi)部。軋車壓強(qiáng)設(shè)為0.2 MPa。軋壓過的PTFE針刺氈先在真空干燥箱中烘10 min，然后在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中230 ℃烘10 min，取出后即得粉煤灰PTFE針刺氈。其中，230 ℃的鼓風(fēng)烘干不僅能使軋壓過的PTFE針刺氈烘干固結(jié)，還能令粉煤灰顆粒在PTFE針刺氈上做局部的熱運(yùn)動，從而形成致密的濾餅。

1.4 性能表征

1.4.1 粉煤灰粒徑

采用KYKY-2800型掃描電鏡儀觀察并測量粉煤灰的粒徑大小，統(tǒng)計其粒徑分布情況。

1.4.2 面密度

參照FZ/T 60003—1991《非織造布單位面積質(zhì)量的測定》，測量PTFE針刺氈粉煤灰整理前后的面密度。

1.4.3 過濾效率

參照GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》，選用TOPAS AFC 131濾料測試臺，測試PTFE針刺氈粉煤灰整理前后的過濾效率。測試方法：利用計數(shù)法原理，對光學(xué)粒子計數(shù)器配置切換閥，通過切換濾料上下游氣溶膠采樣，測定濾料0.20～2.00 μm的分級過濾效率。

1.4.4 透氣性

參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，采用YG(B)461E型數(shù)字式織物透氣性能測定儀，測試PTFE針刺氈粉煤灰整理前后的透氣率。測試方法：試樣測試面積為40 cm2，壓差為200 Pa，每塊試樣隨機(jī)測試10個不同位置，透氣率結(jié)果取平均值。

1.4.5 耐腐蝕性能

參照GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》進(jìn)行耐腐蝕性測試。濾料的耐腐蝕性以濾料經(jīng)酸、堿溶液浸泡后的斷裂強(qiáng)力保持率表示。先在粉煤灰PTFE針刺氈上隨機(jī)剪取3塊500 mm×400 mm尺寸的濾料試樣。再將第1塊不做任何處理；第2塊浸在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的H2SO4溶液中，85 ℃水浴加熱24 h；第3塊浸在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的NaOH常溫溶液中，24 h后取出，清水沖洗后放入溫度為100 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中烘2 h。最后，3塊試樣及未整理的PTFE針刺氈(簡稱“PTFE針刺素氈”)按照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，測定縱橫向斷裂強(qiáng)力，并計算縱橫向斷裂強(qiáng)力保持率。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰原料的選擇

對灰白色和黃褐色的粉煤灰進(jìn)行粒徑分析，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出：灰白色粉煤灰的粒徑主要分布在5.0～6.0 μm，其次是在3.0～4.0 μm，粒徑4.0～5.0 μm和8.0～9.0 μm的粉煤灰占比也較大，總體而言灰白色粉煤灰的粒徑分布范圍廣且粒徑范圍不集中，粒群整體的差異性大，平均粒徑在8.0 μm左右；黃褐色粉煤灰的粒徑主要分布在2.0～3.0 μm，該尺寸有利于黃褐色粉煤灰快速進(jìn)入PTFE針刺氈內(nèi)部，有效填充PTFE針刺氈內(nèi)部細(xì)小的孔隙。此外，粒徑越小，粉煤灰的比表面積越大，吸附能力越好，越能大幅提高PTFE針刺氈對PM2.5的截留能力，進(jìn)而提高過濾效率。故本文選擇黃褐色粉煤灰制備整理劑。

圖1 粉煤灰粒徑分布

2.2 粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)對PTFE針刺氈面密度的影響

如圖2所示，與PTFE針刺素氈相比，粉煤灰PTFE針刺氈面密度都有大幅增加，且整理劑中粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，粉煤灰PTFE針刺氈面密度越大，這與更多的粉煤灰黏附在PTFE針刺氈上并在內(nèi)部纖維孔隙中結(jié)塊有關(guān)。

圖2 整理劑中粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)對PTFE針刺氈面密度的影響

2.3 粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)對PTFE針刺氈過濾效率的影響

對PTFE針刺氈粉煤灰整理前后進(jìn)行過濾效率測試，整理劑中粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)對PTFE針刺氈過濾效率的影響如圖3所示，其中圖3b)單獨(dú)展示了粉煤灰PTFE針刺氈對粒徑在0.75～1.00 μm的顆粒物的過濾效果。

圖3 整理劑中粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)對PTFE針刺氈過濾效率的影響

從圖3a)可以看出，粉煤灰PTFE針刺氈對顆粒物的過濾效率大于PTFE針刺素氈，對粒徑小于0.75 μm的顆粒物過濾效率較PTFE針刺素氈提升尤為明顯。這與粉煤灰顆粒粒徑小、含有多孔玻璃體、比表面積大且有一定的活性基團(tuán)有關(guān)。

從圖3b)可以看出，粉煤灰PTFE針刺氈對粒徑在0.75～1.00 μm的顆粒物的過濾效率都在99.5%以上，其中整理劑中粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%和30%時，過濾效率高達(dá)99.9%。這歸因于PTFE纖維是膜裂纖維，多數(shù)纖維以一根相對粗的纖維為骨干，繼而分裂出很多更細(xì)的纖維。這種結(jié)構(gòu)大大增加了PTFE針刺氈的孔隙率，提高了粉煤灰嵌入PTFE針刺氈內(nèi)部的概率，促進(jìn)了粉煤灰在PTFE纖維孔隙中結(jié)塊成膜，PTFE針刺氈中孔隙率減少、孔徑尺寸降低，過濾效率提高。

2.4 粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)對PTFE針刺氈透氣性能的影響

圖4反映了粉煤灰整理前后PTFE針刺氈的透氣率。從圖4可以看出，與PTFE針刺素氈相比，粉煤灰PTFE針刺氈透氣率明顯下降，這歸因于粉煤灰顆粒集聚在纖維間的孔隙中，堵塞或縮小了孔隙，進(jìn)而影響了氣流的流動。結(jié)合圖3可知，透氣率與過濾效率成負(fù)相關(guān)，孔隙率和孔徑減小，過濾效率提高。

圖4 粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)對PTFE針刺氈透氣率的影響

綜合以上試驗數(shù)據(jù)，并考慮實際生產(chǎn)應(yīng)用中過濾氈面密度越大，安裝越困難的狀況，確定整理劑中粉煤灰最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。該條件所得粉煤灰PTFE針刺氈面密度適中、過濾效率高、透氣性好。

2.5 濾料耐腐蝕性能

PTFE針刺氈主要用于電廠、化工、冶金、鋼鐵等行業(yè)。這些行業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)廢氣中含有二硫化碳、硫化氫、硫酸、氮氧化物、氟化氫、一氧化碳等腐蝕性氣體[4-5]，故要求濾料具有優(yōu)良的耐腐蝕性。

本文選擇對粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的整理劑整理的PTFE針刺氈進(jìn)行耐腐蝕性能測試，并與PTFE針刺素氈做比較，結(jié)果見表2。從表2可以看出：粉煤灰PTFE針刺氈的縱橫向力學(xué)性能均有所改善，這與PTFE乳液在纖維表面形成了一層堅固的保護(hù)層，且粉煤灰吸附在PTFE針刺氈內(nèi)部孔隙中，PTFE針刺氈面密度增加，纖維滑移的空間減少，纖維之間的摩擦力增加有關(guān)；相較于未酸堿處理的粉煤灰PTFE針刺氈，酸堿處理后粉煤灰PTFE針刺氈的斷裂強(qiáng)力保持率仍都在88%以上，這歸因于PTFE纖維及PTFE乳液的耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿特性，PTFE乳液會在PTFE纖維表面形成保護(hù)層，進(jìn)一步提高PTFE針刺氈的耐腐蝕性。酸堿處理后的粉煤灰PTFE針刺氈和PTFE針刺素氈相比，斷裂強(qiáng)力仍有提高，表明粉煤灰整理工藝對PTFE針刺氈的強(qiáng)力指標(biāo)是有利的，其可作為提高PTFE濾料力學(xué)性能的一種方法。

表1 PTFE針刺氈?jǐn)嗔褟?qiáng)力及斷裂強(qiáng)力保持率

表2 酸堿處理后的PTFE針刺氈的分級過濾效率 (%)

3 濾料的耐腐蝕性與過濾效率的關(guān)系

對酸堿腐蝕過的粉煤灰PTFE針刺氈及PTFE針刺素氈做分級過濾效率測試，結(jié)果見表3。

從表2可以看出：

(1) 粉煤灰PTFE針刺氈經(jīng)酸堿處理后，過濾效率較酸堿處理前均小幅度增加。這是因為粉煤灰內(nèi)還含有許多非空心的微珠，H2SO4會在一定程度上腐蝕微珠表面，使微珠的比表面積增加，同時還會對粉煤灰中的玻璃體有一定的腐蝕作用，致使其表面變得不平整，這都在一定程度上提高了吸附能力；NaOH對硅酸玻璃相的腐蝕性比較強(qiáng)，它會和粉煤灰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)溶出Si，形成硅膠，且在強(qiáng)堿的作用下，從粉煤灰中溶出的Si和Al會在適當(dāng)?shù)臏囟认罗D(zhuǎn)化成沸石，而沸石具有很強(qiáng)的吸附能力。

(2)PTFE針刺素氈酸堿處理后的過濾效率較酸堿處理前提高，這可能是源于PTFE紡絲過程中存在雜質(zhì)，導(dǎo)致酸堿處理過程中纖維表面發(fā)生了腐蝕或其他輕微的化學(xué)反應(yīng)，但也可能是試驗過程存在誤差。

4 結(jié)論

通過研究整理劑中粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)對PTFE針刺氈各方面性能的影響得出：粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，所得粉煤灰PTFE針刺氈面密度越大，過濾效率越高，但透氣性能越差，故確定整理劑中粉煤灰最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%；經(jīng)過粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的整理劑整理后，所得粉煤灰PTFE針刺氈過濾效率高達(dá)到99.9%，力學(xué)性能增加，與PTFE針刺素氈相比縱橫向斷裂強(qiáng)力保持率分別達(dá)到123%和119%，且在酸堿環(huán)境中仍然能夠保持良好的力學(xué)性能和小幅增加的過濾性能。