濾袋接縫耐疲勞性評價(jià)方法研究

申業(yè)彤，黃景瑩，李毓陵，王 洪

(1.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2.中國產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)協(xié)會，北京 100076)

0 引言

作為控制工業(yè)煙塵超低排放的主要手段，袋式除塵廣泛應(yīng)用于燃煤電廠、鋼鐵冶煉、水泥窯爐、垃圾焚燒等工業(yè)領(lǐng)域[1-2]。袋式除塵技術(shù)是依靠濾料本身特有的性質(zhì)，以及被攔截在濾料表面粉塵的特性，而起到攔截過濾物中粉塵的作用[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，袋式除塵的過濾效率可以達(dá)到99.99%[4]，完全實(shí)現(xiàn)了粉塵的高效過濾，滿足低排放甚至零排放的標(biāo)準(zhǔn)要求。

濾袋是袋式除塵中的過濾元件，一般由針刺非織造材料或機(jī)織覆膜材料制成，按照接縫成形工藝，可分為縫制濾袋與熱熔濾袋?？p制濾袋是指接縫區(qū)域采用縫紉線縫制成形，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，濾袋縫合處由于存在針孔縫隙，在長期反復(fù)的過濾和清灰過程中，粉塵有從濾袋針孔滲入甚至穿透的風(fēng)險(xiǎn)[5-7]。因此，一般需要對縫制濾袋接縫區(qū)域采用涂膠封堵處理。熱熔濾袋是指接縫區(qū)域通過加熱熔融再熱壓的方式成形，由于接縫區(qū)域沒有針孔的存在，微細(xì)粉塵不存在從針孔穿透的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在同等試驗(yàn)條件下，相比縫制濾袋，熱熔濾袋具有更高的過濾效率[8-10]。但是，并不是所有的濾袋都能采用熱熔工藝，通常面層為單一熱塑性纖維材質(zhì)的濾袋可采用熱熔工藝成型，但其接縫處強(qiáng)力不如縫制濾袋出色[11-15]。

目前，關(guān)于濾袋的技術(shù)要求包括GB/T 6719-2009《袋式除塵器技術(shù)要求》[16]、T/CAEPI 21-2019《袋式除塵用濾料技術(shù)要求》、T/CAEPI 33-2021《袋式除塵用濾袋技術(shù)要求》等。其中，GB/T 6719-2009對濾料的形態(tài)性能、透氣性、強(qiáng)力和伸長率、阻力特性、濾塵性能、耐溫特性以及防靜電性、耐腐蝕性、疏水疏油、阻燃性等特殊功能的考核指標(biāo)與檢測方法都進(jìn)行了規(guī)定。此外，還對縫制濾袋的縫紉線材質(zhì)、縫紉針數(shù)與線跡、縫合質(zhì)量進(jìn)行了具體要求。T/CAEPI 21-2019中增加了濾料外觀、耐磨、耐折、覆膜牢度、面層剝離強(qiáng)度的性能檢測指標(biāo)，并采用動態(tài)除塵效率與PM2.5捕集效率綜合評價(jià)濾袋的除塵效果。T/CAEPI 33-2021對縫制濾袋的縫紉線、縫制的針數(shù)線跡給出了更加具體的要求，對熱熔濾袋的粘合寬度與粘合強(qiáng)力做了規(guī)定。但濾袋作為一種使用壽命長達(dá)3年甚至更長時(shí)間的產(chǎn)品，上述標(biāo)準(zhǔn)都未給出其耐疲勞性的評價(jià)方法與指標(biāo)。

本文作者前期申報(bào)成功了《工業(yè)除塵濾袋接縫性能的測定及評價(jià)》標(biāo)準(zhǔn)(申報(bào)號為2020-1013T-FZ，見工業(yè)和信息化部辦公廳編制的關(guān)于2020年第二批行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂和外文版項(xiàng)目計(jì)劃公告)，擬在標(biāo)準(zhǔn)中引入接縫耐疲勞性評價(jià)指標(biāo)。這是因?yàn)樽鳛闉V袋的特殊部分，濾袋接縫在濾袋長期使用過程中容易出現(xiàn)疲勞，導(dǎo)致接縫區(qū)域透濾或者破損而影響濾袋的整體過濾除塵效果。因此，建立濾袋接縫耐疲勞性評價(jià)方法意義重要。本實(shí)驗(yàn)計(jì)劃采用圓球形頂桿對濾袋接縫進(jìn)行反復(fù)沖頂，模擬濾袋在實(shí)際工況下受到的來自含塵氣流及脈沖清灰的噴吹作用，測試不同沖頂力和沖頂次數(shù)下接縫處的透氣率，通過測試反復(fù)沖頂后濾袋接縫處的透氣率變化率來評價(jià)其耐疲勞性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

參照GB/T 19976-2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測定 鋼球法》，以濾袋接縫中心線為直徑裁取圓片型試樣，將試樣夾持在固定基座的圓環(huán)試樣夾內(nèi)，圓球形頂桿以設(shè)定的負(fù)荷垂直頂向試樣，設(shè)置循環(huán)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)圓球形頂桿對試樣的反復(fù)沖頂。測試試樣在反復(fù)沖頂前后的透氣率，通過透氣率的變化值來表征其耐疲勞性。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

等速伸長型試驗(yàn)儀(CRE)，包括一個(gè)試樣環(huán)形夾持器和一個(gè)球形頂桿組件。環(huán)形夾持器內(nèi)徑為45mm±0.5mm，表面應(yīng)有同心溝槽，以防止試樣滑移。頂桿的頭端為拋光鋼球，球的直徑選擇38mm±0.02mm。

可執(zhí)行GB/T 5453-1997《紡織品 織物透氣性的測定》的透氣率測試儀。

1.3 濾袋試樣

本實(shí)驗(yàn)收集了不同纖維材質(zhì)的濾袋，分為縫制與熱熔兩大類，縫制濾袋涵蓋了接縫區(qū)域涂膠與未涂膠，具體如表1所示。在除塵領(lǐng)域內(nèi)，縫制濾袋市場占有率和使用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱熔濾袋，因此，本實(shí)驗(yàn)收集的試樣中，縫制接縫試樣占比約為2/3?？p制和熱熔接縫如圖1和圖2所示。

表1 接縫試樣類別與編號

圖1 縫制接縫照片

圖2 熱熔接縫照片

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

參照GB/T 19976-2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測定 鋼球法》進(jìn)行取樣，以濾袋接縫區(qū)域中心線為直徑裁取符合要求的圓片型試樣，取樣方法如圖3所示。頂壓和回程速度皆為300mm/min，在設(shè)置的負(fù)荷和循環(huán)次數(shù)下進(jìn)行沖頂實(shí)驗(yàn)。參照GB/T 5453-1997《紡織品 織物透氣性的測定》測試樣品的透氣率，測試面積20cm2，測試壓差200Pa。

圖3 濾料接縫沖頂試驗(yàn)取樣示意圖

沖頂前后接縫試樣的透氣率變化率計(jì)算見公式(1)。

式中:μ——透氣率變化率，%；Q0——濾料接縫初始透氣率，mm/s；Q1——濾料接縫經(jīng)定負(fù)荷反復(fù)沖頂后的透氣率，mm/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾袋頂破性能測試與分析

鑒于目前除塵領(lǐng)域暫無關(guān)于濾袋接縫頂破性能方面的研究，本實(shí)驗(yàn)首先測試濾袋接縫的頂破強(qiáng)力，以了解接縫處頂破強(qiáng)力的大致范圍。在實(shí)際測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓球形頂桿施加的沖頂力達(dá)到一定數(shù)值后，部分試樣會在夾持處發(fā)生滑移現(xiàn)象，結(jié)果如表2所示，試樣A-D為縫制接縫，試樣E-F為熱熔接縫。

表2 試樣的頂破強(qiáng)力

從表2數(shù)據(jù)可知，縫制接縫試樣頂破強(qiáng)力普遍較高，A組試樣發(fā)生滑移時(shí)的沖頂力高達(dá)2600N，B和D兩組試樣在2000N時(shí)發(fā)生滑移，C組試樣的頂破力值為2200N，說明縫制濾袋接縫處的頂破強(qiáng)力平均在2000N以上。對于E和F組的熱熔接縫試樣來說，E組試樣的頂破力為1600N，F(xiàn)組在1500N時(shí)發(fā)生滑移現(xiàn)象，皆低于縫制接縫試樣。

2.2 沖頂定負(fù)荷值設(shè)定的理論計(jì)算

反復(fù)沖頂法是為了模擬濾袋接縫在實(shí)際工況下受到的來自于含塵氣流及脈沖清灰噴吹作用后的耐疲勞性，因此需要確定反復(fù)沖頂時(shí)的負(fù)荷值。首先，可以根據(jù)濾袋在工作運(yùn)行時(shí)受到的脈沖清灰噴吹力大小來設(shè)定。

噴吹壓力與噴吹高度是濾袋脈沖清灰效果的兩大影響因素。鐘亮明等通過對長濾袋除塵器在實(shí)際應(yīng)用工況條件下的脈沖清灰實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴吹壓力的增大可提高清灰強(qiáng)度，改善清灰效果，但噴吹壓力增大至0.35MPa后，清灰效率趨于飽和[17]。呂娟等自建脈沖噴吹試驗(yàn)裝置，采用壓力傳感器測試長濾袋側(cè)壁壓力峰值，發(fā)現(xiàn)噴吹壓力為0.3MPa時(shí)濾袋側(cè)壁壓力峰值的最大值約為8000Pa[18]。本試驗(yàn)中，用于沖頂?shù)膱A片形試樣面積為50cm2，沖頂力F計(jì)算見公式(2)

上式中，P為濾袋側(cè)壁壓力，Pa；S為沖頂試樣面積，m2。

當(dāng)濾袋側(cè)壁噴吹壓力為8000Pa時(shí)，相當(dāng)于沖頂力為40N。另外，從上頁表1中可以看出，這個(gè)噴吹力遠(yuǎn)小于接縫的頂破強(qiáng)力，因此，可以設(shè)定反復(fù)沖頂?shù)呢?fù)荷為50N和100N。

2.3 不同沖頂實(shí)驗(yàn)條件下濾袋接縫透氣率變化研究

GB/T 6719-2009要求濾料透氣率CV值≤8%，濾料經(jīng)熱處理或酸堿腐蝕處理后，斷裂強(qiáng)力保持率≧95%。那么，如果反復(fù)沖頂后試樣透氣率變化率≥8%，則可認(rèn)為樣品的耐疲勞性較差。進(jìn)一步地，在相同的沖頂負(fù)荷和循環(huán)次數(shù)下進(jìn)行循環(huán)沖頂實(shí)驗(yàn)，當(dāng)透氣率變化率≥8%的樣品比例為10%時(shí)，則認(rèn)為該沖負(fù)荷和循環(huán)次數(shù)能夠較好地用于評價(jià)試樣的耐疲勞性。

分別設(shè)置定負(fù)荷值為50N和100N、循環(huán)沖頂次數(shù)為10次和20次，進(jìn)行循環(huán)沖頂實(shí)驗(yàn)。試樣選取涵蓋縫制接縫與熱熔接縫兩大類，分別從兩家工廠收集表1中的A、B、C、D四種樣品，共8組，從1到8依次編號。另外，收集滌綸針刺和丙綸針刺非織造熱熔濾袋，依次編號為9和10，共計(jì)10組試樣。

在定負(fù)荷值50N、循環(huán)次數(shù)10次反復(fù)沖頂樣品，然后測試沖頂前后10組樣品的透氣率，進(jìn)而計(jì)算其透氣率變化率，結(jié)果如表3所示。

表3 負(fù)荷50N和循環(huán)次數(shù)10次沖頂處理前后樣品的透氣率

從表3數(shù)據(jù)可知，當(dāng)定負(fù)荷值50N、循環(huán)次數(shù)10次反復(fù)沖頂后，10組試樣透氣率增量很小，透氣率變化率分布在0.1%～4.5%之間，可認(rèn)為此實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，試樣透氣率均無明顯變化，無法評價(jià)樣品的耐疲勞性。

進(jìn)一步在定負(fù)荷值50N、循環(huán)次數(shù)20次下進(jìn)行沖頂實(shí)驗(yàn)，然后測試沖頂前后樣品的透氣率，進(jìn)而計(jì)算其透氣率變化率，結(jié)果如下頁表4所示。

從表4數(shù)據(jù)可知，當(dāng)定負(fù)荷值50N、循環(huán)次數(shù)增加至20次時(shí)，反復(fù)沖頂后，10組試樣透氣率增量相較循環(huán)10次有所提升，透氣率變化率分布在0.5%～10%之間，透氣率變化率≥8%的樣品比例為10%，說明經(jīng)定負(fù)荷值50N、循環(huán)次數(shù)20次反復(fù)沖頂處理后，部分試樣已經(jīng)發(fā)生了結(jié)構(gòu)變化。

表4 負(fù)荷50N和循環(huán)次數(shù)20次沖頂處理前后樣品的透氣率

為了驗(yàn)證是否可以縮短測試時(shí)間，進(jìn)一步在定負(fù)荷值100N、循環(huán)次數(shù)10次條件下進(jìn)行沖頂實(shí)驗(yàn)，然后測試沖頂前后樣品的透氣率，進(jìn)而計(jì)算其透氣率變化率，結(jié)果如表5所示。

表5 負(fù)荷100N和循環(huán)次數(shù)10次沖頂處理前后樣品的透氣率

從表5數(shù)據(jù)可知，當(dāng)定負(fù)荷值增至100N、循環(huán)次數(shù)10次時(shí)，反復(fù)沖頂后，10組試樣透氣率增量相較定負(fù)荷值50N時(shí)有所提升，透氣率變化率分布在5%～30%之間，透氣率變化率≥8%的樣品比例為60%，說明部分試樣已經(jīng)發(fā)生了明顯的結(jié)構(gòu)變化。分析認(rèn)為，沖頂后樣品透氣率的變化主要是由濾料部分引起的，而非接縫。這是因?yàn)?，濾袋所用濾料基本都由機(jī)織基布增強(qiáng)，沖頂時(shí)無機(jī)織布經(jīng)緯紗增強(qiáng)處容易發(fā)生變形，因此透氣率變大。

2.4 接縫透氣率測試制樣方法優(yōu)化與接縫耐疲勞性評價(jià)方法探究

濾袋接縫處為雙層濾料堆疊結(jié)構(gòu)，透氣率測試時(shí)，壓環(huán)與試樣間的密封性差，可能會引起測試數(shù)據(jù)的失真。因此，采用同種濾料對試樣進(jìn)行找平處理，并分別測試接縫的透氣率和接縫試樣的綜合透氣率，通過對比兩者沖頂前后的變化來評價(jià)濾袋接縫的耐疲勞性。

綜合透氣率的測試方法為:在濾袋非接縫處裁出兩個(gè)與圓片型試樣直徑相同的半圓片型濾料，使用雙面膠將其分別黏附在濾袋接縫試樣的上下兩面的非接縫區(qū)域，使之成為雙層圓片型試樣。透氣性測試時(shí)，將接縫位于測試口徑正中，此時(shí)測試孔徑覆蓋樣品接縫區(qū)域與接縫兩側(cè)部分非接縫區(qū)域，測試所得結(jié)果即為試樣的綜合透氣率。

接縫透氣率的測試方法為:按照上述處理方法使接縫試樣成為雙層圓片型試樣后，使用密封性良好的膠帶將非接縫區(qū)域覆蓋，如圖4所示。透氣率測試時(shí)，將接縫位于測試口徑正中，測試所得結(jié)果即為試樣的接縫透氣率。

圖4 接縫透氣率制樣照片

設(shè)定反復(fù)沖頂定負(fù)荷值為100N，循環(huán)次數(shù)為50次，對濾袋接縫試樣進(jìn)行反復(fù)沖頂，然后按照上述的透氣率測試制樣方法，測試樣品沖頂前后的接縫透氣率和綜合透氣率。試樣涵蓋縫制接縫與熱熔接縫，濾料覆膜與否、縫制接縫涂膠與否亦考慮在內(nèi)，具體分為四組，第一組:滌綸未覆膜濾袋，縫紉未涂膠接縫，滌綸縫紉線；第二組:滌綸未覆膜濾袋，縫紉涂膠接縫，滌綸縫紉線；第三組:PPS未覆膜濾袋，熱熔接縫；第四組:PPS覆膜濾袋，熱熔接縫。四組樣品接縫透氣率變化率與綜合透氣率變化率如表6所示。

表6 接縫透氣率和綜合透氣率變化率

從表6數(shù)據(jù)可知，除第二組因針孔涂膠，反復(fù)沖頂后涂膠出現(xiàn)裂隙導(dǎo)致透氣率大幅度增加外，其余三組試樣的接縫透氣率變化率均遠(yuǎn)小于綜合透氣率變化率，說明接縫透氣率變化率和綜合透氣率變化率可較好地反映試樣經(jīng)反復(fù)沖頂后的耐疲勞程度。

因此，建議濾袋接縫耐疲勞性的評價(jià)方法為:在反復(fù)沖頂定負(fù)荷值為100N、循環(huán)次數(shù)為50次的條件下對接縫試樣進(jìn)行反復(fù)沖頂處理，然后測試其沖頂前后的接縫透氣率變化和綜合透氣率變化，當(dāng)接縫透氣率變化率小于綜合透氣率變化率時(shí)，認(rèn)為濾袋接縫有較好的耐疲勞性。

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)采用圓球頂桿對濾袋接縫反復(fù)沖頂，模擬濾袋工作中受到的含塵氣流及脈沖空氣的噴吹作用，以評價(jià)縫制和熱熔濾袋的接縫耐疲勞性。通過測試分析不同負(fù)荷和循環(huán)次數(shù)沖頂后接縫試樣的透氣率，優(yōu)化透氣率測試制樣方法，認(rèn)為濾袋接縫耐疲勞性的評價(jià)方法為:定負(fù)荷100N、循環(huán)次數(shù)50次反復(fù)沖頂后，濾袋接縫試樣的接縫透氣率變化率應(yīng)小于綜合透氣率變化率。

本實(shí)驗(yàn)采用圓球頂桿反復(fù)沖頂?shù)姆椒?，在很少的循環(huán)次數(shù)下就可以反映出不同縫紉線、不同接縫方式所制濾袋接縫的耐疲勞性，評價(jià)指標(biāo)明確，方法簡便省時(shí)，為評價(jià)濾袋接縫的耐疲勞性建立了方法標(biāo)準(zhǔn)。