縫合對(duì)高溫除塵濾料結(jié)構(gòu)與性能的影響

唐雅斐，張瑞寅，郝可可，徐廣標(biāo)

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2.浙江嚴(yán)牌過(guò)濾技術(shù)股份有限公司，浙江 天臺(tái) 318000)

袋式除塵技術(shù)廣泛應(yīng)用于水泥廠、鋼鐵廠、垃圾焚燒廠等工業(yè)領(lǐng)域[1]，袋式除塵器中最核心的部件是濾料和縫紉線(xiàn)，其性能決定了袋式除塵器的使用壽命和過(guò)濾效率。目前應(yīng)用于工業(yè)除塵領(lǐng)域的濾料原料主要有滌綸(PET)、芳綸、玻璃纖維、碳纖維、聚四氟乙烯(PTFE)纖維和聚苯硫醚(PPS)纖維等，縫紉線(xiàn)主要有PET、PPS、PTFE等。應(yīng)用于高溫除塵領(lǐng)域的濾料主要有芳綸、PPS和PTFE纖維。

關(guān)于袋式除塵器用高溫濾料的研究，涵蓋其蠕變性能、耐溫力學(xué)性能，尺寸穩(wěn)定性、耐腐蝕性、老化性耐久性以及過(guò)濾性能的研究[2－6]。關(guān)于耐高溫縫紉線(xiàn)的研究涵蓋其縫紉線(xiàn)的制備流程、縫紉線(xiàn)的耐酸堿性、高溫處理后的力學(xué)性能[7－9]。關(guān)于縫合濾料的研究有不同縫合工藝縫合濾料的過(guò)濾效率以及舊袋損壞原因的研究[10－11]，可以看出目前大多數(shù)文獻(xiàn)的研究單獨(dú)研究濾料的性能和縫紉線(xiàn)的性能，而對(duì)于經(jīng)縫紉線(xiàn)縫合后的濾料性能的研究少有涉及。因此，本文針對(duì)工業(yè)除塵領(lǐng)域常用的芳綸、PTFE纖維和PPS纖維加工生產(chǎn)的3種濾料來(lái)測(cè)試縫合前后的拉伸力學(xué)性能和過(guò)濾性能，測(cè)試結(jié)果可以為3種濾料的生產(chǎn)加工和工程應(yīng)用提供一些建議。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品

本試驗(yàn)所采用的樣品為某公司提供的芳綸濾料、PPS/PTFE混纖(5/5)濾料、PTFE濾料和FTFE縫紉線(xiàn)，其規(guī)格為1250D，三股加Z捻合成。3種濾料樣品的具體參數(shù)如表1所示。

表1 濾料的基本測(cè)試參數(shù)

1.2 測(cè)試指標(biāo)與方法

1.2.1 結(jié)構(gòu)形貌

采用FlexSEM1000和TM3000掃描電鏡，觀察3種濾料的結(jié)構(gòu)形貌。

1.2.2 拉伸性能

采用YG(B)026H型織物強(qiáng)力儀，測(cè)試3種濾料的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率。

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn):GB/T3923.1－2013?紡織品織物拉伸性能第1部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)?，分別沿經(jīng)向和緯向剪取5 cm×30 cm規(guī)格的濾料試樣各5條，在相對(duì)濕度60%、溫度20°C的環(huán)境中，測(cè)定試樣經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力，并計(jì)算其平均值。

1.2.3 過(guò)濾性能

采用VDI濾料仿真測(cè)試儀，測(cè)試在發(fā)塵狀態(tài)下3種濾料的過(guò)濾阻力、清灰時(shí)間以及過(guò)濾效率的變化。

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn):ISO 11057－2011

測(cè)試條件:過(guò)濾風(fēng)速2m/min，過(guò)濾面積154 cm2，發(fā)塵濃度5g/m3，泵的流量1.85 m3/h。

測(cè)試過(guò)程:調(diào)整期(1000Pa定壓噴吹30個(gè)清灰周期)、老化期(5s間隔，噴吹10000次)

粉塵排放濃度按照式(1)計(jì)算

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)形貌

3種濾料經(jīng)過(guò)掃描電鏡測(cè)試的結(jié)果如圖1所示。

由掃描電鏡圖1可以看出:縫合前，濾料表面平整光滑，芳綸濾料和PPS/PTFE混纖濾料在經(jīng)過(guò)燒毛軋光處理后有大量的燒焦?fàn)钗镔|(zhì)覆蓋在濾料表面，PTFE濾料在經(jīng)過(guò)覆膜之后表面更加質(zhì)密。縫合后，濾料表面被破壞，存在明顯的縫合孔隙。

圖1 3種濾料表面和縫合處的電鏡圖

2.2 拉伸性能

2.2.1 拉伸曲線(xiàn)

3種濾料在經(jīng)過(guò)拉伸之后的拉伸曲線(xiàn)圖如圖2所示。

由下頁(yè)圖2的拉伸曲線(xiàn)圖可以看出:3種濾料在經(jīng)縫合后，其經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力的總體趨勢(shì)都基本保持不變，但由于縫紉線(xiàn)的存在，其斷裂強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率的最值位置發(fā)生較大的變化。3種濾料的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力在縫合后都有所增加，芳綸濾料和PPS/PTFE混纖濾料在拉伸斷裂過(guò)程中的斷裂強(qiáng)力產(chǎn)生波動(dòng)。而緯向斷裂強(qiáng)力在縫合后并無(wú)明顯的規(guī)律，芳綸濾料和PTFE濾料的緯向斷裂強(qiáng)力降低，PPS/PTFE混纖濾料的斷裂強(qiáng)力有略微增加。

圖2 3種濾料縫合前后典型濾料拉伸曲線(xiàn)

2.2.2 濾料縫合前后斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率

將5次拉伸試驗(yàn)測(cè)試的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率取平均值，并以其為縱坐標(biāo)畫(huà)出的柱狀圖如下頁(yè)圖3、圖4所示。

由下頁(yè)圖3可以看出:縫合后，對(duì)于經(jīng)向來(lái)說(shuō)，3種濾料的經(jīng)向強(qiáng)力都有所增加，這是由于濾料在拉伸過(guò)程中除了纖維和基布的斷裂，還增加了PTFE縫紉線(xiàn)的作用，此過(guò)程中PTFE縫紉線(xiàn)并未斷裂，只是提供了濾料斷裂的一部分強(qiáng)力。PTFE濾料的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力增大的最明顯，由縫合前的846.53N增加到1240.98N，斷裂強(qiáng)力增加46.59%；對(duì)于緯向來(lái)說(shuō)，芳綸濾料和PTFE濾料的緯向斷裂強(qiáng)力有所降低，尤其是芳綸濾料由縫合前的1170.96N降低到375.27N，斷裂強(qiáng)力降低67.95%，這是因?yàn)樵诶爝^(guò)程中PTFE縫紉線(xiàn)產(chǎn)生了滑脫，濾料的纖維層和基布層沒(méi)有斷裂，從而表現(xiàn)為斷裂強(qiáng)力的急劇下降，而PPS/PTFE混纖濾料的緯向斷裂強(qiáng)力由縫合前的977.10N增加到1035.11N，斷裂強(qiáng)力增加5.94%，變化則不明顯。

圖3 3種濾料縫合前后的斷裂強(qiáng)力

由圖4可以看出:縫合后，芳綸濾料的經(jīng)緯向斷裂伸長(zhǎng)率都降低，經(jīng)向由縫合前的67.35%降低到51.12%，降低31.74%，緯向由縫合前的67.35%降低到51.12%，降低31.74%，是由于PTFE縫紉線(xiàn)的存在，使芳綸濾料在沒(méi)有達(dá)到最大伸長(zhǎng)時(shí)就發(fā)生斷裂，因此斷裂伸長(zhǎng)率降低。PTFE濾料的經(jīng)緯向斷裂伸長(zhǎng)率都增加，經(jīng)向由縫合前的11.62%增加到15.65%，增加34.68%，緯向由縫合前的20.76%增加到26.07%，增加25.58%。而PPS/PTFE混纖濾料的經(jīng)緯向斷裂伸長(zhǎng)率無(wú)明顯變化。

圖4 3種濾料縫合前后的斷裂伸長(zhǎng)率

2.3 過(guò)濾性能

2.3.1 清灰時(shí)間

清灰時(shí)間表示濾料進(jìn)行一個(gè)完整的噴吹周期所用的時(shí)長(zhǎng)，清灰時(shí)間長(zhǎng)短反應(yīng)濾料阻力上升的快慢。在相同的條件下，濾料的清灰時(shí)間越長(zhǎng)，清灰次數(shù)就越少，清灰頻率越低，使用壽命就越長(zhǎng)。3種濾料在調(diào)整階段的清灰時(shí)間隨清灰周期的變化如圖5所示。

圖5 3種濾料縫合前后清灰時(shí)間隨清灰周期的變化

從上頁(yè)圖5中可以看出:3種濾料在縫合前后的清灰時(shí)間都是呈遞減的趨勢(shì)，且縫合后濾料的清灰時(shí)間要低于縫合前。這種趨勢(shì)主要集中在前10個(gè)周期，而之后的20個(gè)周期，清灰時(shí)間逐漸趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樵诿}沖清灰過(guò)后殘余在濾料內(nèi)部的粉塵顆粒使得濾料阻力高于清潔狀態(tài)的阻力。因此，阻力達(dá)到1000Pa所用的時(shí)間減少；在經(jīng)過(guò)10個(gè)清灰周期后，沉積在濾料內(nèi)部的氧化鋁顆?；具_(dá)到一個(gè)飽和的狀態(tài)，此時(shí)再通過(guò)的粉塵只能附著在濾料表層，經(jīng)過(guò)脈沖清灰后脫離濾料表面，所以在后20個(gè)周期的清灰時(shí)間變化很小。

相比較而言，PTFE覆膜濾料在30個(gè)周期的清灰時(shí)間相差不大，雖然清灰時(shí)間也是逐漸降低，但初始清灰時(shí)間和最終穩(wěn)定的清灰時(shí)間相差在100s以?xún)?nèi)，說(shuō)明濾料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，有較好的過(guò)濾性能。在穩(wěn)定后，PTFE覆膜濾料的每個(gè)清灰周期的清灰時(shí)間約為500s，高于芳綸濾料(300s)和PPS/PTFE混纖濾料(320s)，說(shuō)明清灰性能PTFE濾料>PPS/PTFE混纖濾料>芳綸濾料。PTFE濾料的清灰時(shí)間最長(zhǎng)，這意味著在相同的使用時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，PTFE覆膜濾料的清灰次數(shù)少，清灰頻率低，可以延長(zhǎng)濾袋的使用壽命。

2.3.2 殘余阻力

濾料清灰后剩余的壓差稱(chēng)為殘余阻力。老化期5s間隔噴吹10000次，濾料在老化階段的殘余阻力增加的快慢可以表示氧化鋁粉塵顆粒在濾料表層或內(nèi)部沉積速率的快慢。老化階段要反復(fù)進(jìn)行10000次的脈沖清灰，時(shí)間比較長(zhǎng)，為了便于分析，將10000個(gè)周期的測(cè)試數(shù)據(jù)每500個(gè)周期分成一個(gè)區(qū)間，一共分為20個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間有500個(gè)殘余阻力數(shù)值，將500個(gè)殘余阻力的平均值代替每個(gè)區(qū)間的平均殘余阻力，3種濾料縫合前后平均殘余阻力隨清灰周期的變化如圖6所示。

從圖6可以看出:隨清灰周期的增加，縫合前后3種濾料的平均殘余阻力都呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，而且縫合后濾料的平均殘余阻力高于縫合前。

圖6 3種濾料縫合前后平均殘余阻力隨清灰周期的變化

相比于芳綸濾料和PPS/PTFE混纖濾料，PTFE濾料的平均殘余阻力上升的較為緩慢，這是因?yàn)楦材な沟肞TFE濾料表面光滑孔隙小，其過(guò)濾機(jī)理屬于表面過(guò)濾[12]，粉塵顆粒不容易進(jìn)入濾料的纖維層，因此表面的氧化鋁粉塵更容易在脈沖清灰作用下脫落。這說(shuō)明如果除塵器的最大運(yùn)行阻力一定，非覆膜濾料的使用壽命相較于其他產(chǎn)品會(huì)較短。

2.3.3 過(guò)濾效率

3種濾料在兩個(gè)階段的過(guò)濾效率的粉塵排放濃度如表2所示，

表2 調(diào)整期和老化期測(cè)試結(jié)果

由表2中數(shù)據(jù)可以看出:縫合前后3種濾料的過(guò)濾效率都達(dá)99.9%以上，縫合后的過(guò)濾效率相比于縫合前有細(xì)微的降低，芳綸濾料、PPS/PTFE混纖濾料和PTFE濾料分別降低了0.05%、0.002%、0.0006%。相比較而言，PTFE濾料在經(jīng)過(guò)老化期后，其過(guò)濾效率要略微高于芳綸濾料和PPS/PTFE混纖濾料，是由于表面覆蓋的PTFE薄膜孔隙小且質(zhì)密，因此可以將粉塵附著在濾料的表面，阻擋粉塵進(jìn)入濾料纖維層，而且薄膜使得PTFE濾料表面更加光滑，粉塵更容易在脈沖清灰作用下脫落。綜合來(lái)看，縫合后3種濾料的過(guò)濾效率降低不明顯，即縫合前后濾料的過(guò)濾效率無(wú)明顯差別。

3 結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)形貌測(cè)試，燒毛軋光處理后的芳綸濾料和PPS/PTFE混纖濾料表面存在有大量的燒焦?fàn)钗镔|(zhì)，覆膜后的PTFE濾料表面光滑。縫合后，3種濾料表面存在明顯的縫合孔隙，孔隙大小不同。

(2)濾料的拉伸測(cè)試，縫合后，芳綸濾料、PPS/PTFE混紡濾料、PTFE濾料的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力分別增加了22.27%、29.51%、46.59%，緯向斷裂強(qiáng)力增加了－67.95%、5.94%、－40.49%。

(3)濾料的動(dòng)態(tài)過(guò)濾性能測(cè)試，3種濾料在縫合后的過(guò)濾效率于縫合前差別不大，但是每個(gè)周期內(nèi)的清灰時(shí)間有所降低，相同的時(shí)間內(nèi)清灰次數(shù)增加，會(huì)降低濾料的使用壽命。