木棉纖維含量對濾材柴油/水分離效率的影響

王新宇 宋強(qiáng) 曾靖山 唐敏 徐桂龍

（華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州，510640）

高壓共軌系統(tǒng)是現(xiàn)代高效柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的先進(jìn)技術(shù)，可以有效提高柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒效率。高壓共軌系統(tǒng)具有燃油噴射間隙?。? μm）、發(fā)動(dòng)機(jī)壓力大（250 MPa）的特點(diǎn)，而小間隙、高壓力會(huì)導(dǎo)致柴油中水滴粒徑分布范圍從傳統(tǒng)燃料系統(tǒng)的25～100 μm降至3～25 μm，對柴油/水分離濾材是重要挑戰(zhàn)[1]。超低硫柴油是通過加氫脫硫方法降低柴油中硫含量，為減少柴油燃燒過程中含硫氣體生成制備的柴油[2]。然而，加氫脫硫方法會(huì)對柴油潤滑性產(chǎn)生負(fù)面影響，因此柴油制造商會(huì)通過添加表面活性劑來解決柴油潤滑性問題。然而，表面活性劑會(huì)增強(qiáng)乳液穩(wěn)定性，導(dǎo)致濾材的柴油/水分離效率下降[2-4]。柴油中的水不僅會(huì)降低油品質(zhì)量，增加廢氣排放，還會(huì)磨損、腐蝕、堵塞（生成顆粒物）發(fā)動(dòng)機(jī)管路部件，以及由于細(xì)菌生長造成的過濾器堵塞等，所以必須在水到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射系統(tǒng)之前將其分離[5-8]。

目前柴油/水分離濾材可分為3類：①使用親水纖維制成的濾材捕獲水滴，水滴在纖維上發(fā)生聚結(jié)，而后通過沉降除去；②使用疏水纖維制成具有疏水結(jié)構(gòu)的濾材，影響小水滴在濾材中運(yùn)動(dòng)方向，使其聚結(jié)為大水滴被除去；③通過混合親水和疏水纖維制成能夠影響水滴運(yùn)動(dòng)方向和捕獲水滴的濾材，親水纖維主要用來捕獲水滴，疏水纖維既可使被影響運(yùn)動(dòng)方向的水滴聚結(jié)長大，又可以讓大水滴不被再次分散，從而順利通過濾材發(fā)生沉降[9-13]。其中使用疏水纖維制備的濾材因具備高柴油/水分離效率和低壓差的特點(diǎn)吸引了研究者目光。Rajgarhia等人[14]將聚醋酸乙烯酯和聚乙烯吡咯烷酮混合，制備疏水納米纖維與玻璃棉纖維復(fù)合，得到一種疏水濾材，發(fā)現(xiàn)該疏水濾材接觸角為150°，且當(dāng)Dv,50=20 μm時(shí)，其性能與未復(fù)合疏水納米纖維前的濾材相比柴油/水分離效率提高48.1%，但壓差僅提高0.204 kPa。Kulkarni[15]研究發(fā)現(xiàn)控制濾材中玻璃棉和聚丙烯纖維的比例可有效提高濾材柴油/水分離性能，當(dāng)濾材中親水與疏水纖維質(zhì)量比為8∶2時(shí)，在Dv,50=22 μm時(shí)，100%親水纖維濾材柴油/水分離效率由73.48%提高至80.03%，壓差由13.16 kPa降至11.99 kPa。柴油中水滴粒徑的大小和分布范圍對柴油/水分離效率的測試結(jié)果有著重要的影響，但是以上研究并不符合ISO 16332∶2017中對乳液水滴粒徑大小和分布范圍的要求，因而還需進(jìn)一步開展工作。

纖維是濾材組成的最小宏觀結(jié)構(gòu)單元，纖維表面性能是影響濾材整體性能的決定因素之一，因此了解柴油中纖維與水滴的接觸狀態(tài)具有重要意義。本研究通過使用高速攝像成像系統(tǒng)觀測靜態(tài)條件下纖維與水滴相互作用，以及動(dòng)態(tài)條件下水滴與纖維網(wǎng)絡(luò)的相互作用，從而探究了親水玻璃棉與疏水木棉纖維在濾材過濾聚結(jié)過程中的具體作用，并且在此基礎(chǔ)上制備不同木棉纖維含量濾材，探究木棉纖維含量對自制濾材柴油/水分離效率的影響。本研究中水滴粒徑分布范圍參考ISO 16332∶2017要求（Dv,50=（10±1.5）μm），對濾材性能的評(píng)價(jià)更為科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)，對新型高性能柴油/水分離濾材的研制更具指導(dǎo)意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

玻璃棉纖維1（型號(hào)100-260，直徑范圍0.3～9.0 μm）和玻璃棉纖維2（型號(hào)253-39，直徑范圍0.4～4.2 μm）均購自沈陽東響玻璃纖維有限公司；木棉纖維（直徑范圍12.0～35.0 μm）產(chǎn)自印度尼西亞；雙熔點(diǎn)PET纖維（型號(hào)TJ04CN）購自日本TEIJIN公司；十六烷基三甲基溴化銨（CTMAB）購自北京偶合科技有限公司；單油酸甘油酯，購自中日合成化學(xué)股份有限公司；0#柴油購自中國石油化工集團(tuán)；商品濾材購自廣州華創(chuàng)華工材料科技開發(fā)有限公司；活性白土（型號(hào)BY 398）購自黃山市白岳活性白土有限公司。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：柴油/水分離實(shí)驗(yàn)臺(tái)（實(shí)驗(yàn)室自制），HR2101型高剪切疏解機(jī)（荷蘭皇家飛利浦公司），No.2542-A型自動(dòng)抄片器（日本KRK公司），XSE204型分析天平（瑞士METTLER TOLEDO公司），TYD02-01型注射泵（保定雷弗流體科技有限公司）。

分析儀器：YG142型厚度儀（寧波紡織儀器廠），F(xiàn)X 3300-IV型透氣度儀（瑞士TEXTEST公司），CFP-1100-A型毛細(xì)流量孔徑測試儀（美國PMI公司），G2Pro Y型掃描電子顯微鏡（SEM，荷蘭Phenom-World公司），OCA25型全自動(dòng)接觸角測量儀（德國Dataphysics公司），F(xiàn)R-Stream型高速攝像成像系統(tǒng)（加拿大Norpix）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 濾材制備

由于木棉纖維表面具有疏水蠟質(zhì)層，且天然未處理木棉纖維直徑較長（8～34 mm）。為解決木棉纖維分散性問題，本研究采取以下3種措施：①降低纖維長徑比，將纖維裁剪為長度5 mm左右；②通過高頻疏解減少纖維相互絮聚；③添加CTMAB作為分散劑。

利用濕法成形技術(shù)制備定量200 g/m2的自制濾材，纖維配比（相對于濾材質(zhì)量）及編號(hào)命名如表1所示。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的固定量添加雙熔點(diǎn)PET纖維增強(qiáng)自制濾材強(qiáng)度，防止使用過程中損壞。

表1 自制濾材中纖維種類與含量Table 1 Type and content of fiber in self-made filter

圖1為自制濾材制備流程圖。首先利用高剪切疏解機(jī)對木棉纖維疏解8 min，然后加入玻璃棉和PET纖維共同疏解2 min，疏解完成后將紙漿濃度稀釋至0.06%，并加入32 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的CTMAB溶液進(jìn)行攪拌，待混合漿攪拌均勻后脫水成形，最后在溫度為120℃的輥式干燥機(jī)上干燥至恒質(zhì)量。

圖1 濾材制備流程圖Fig.1 Flow diagram of filter preparation

1.2.2 高速攝像成像系統(tǒng)

采用高速攝像成像系統(tǒng)（如圖2所示）觀測柴油中水滴與纖維及纖維網(wǎng)絡(luò)的相互作用，并通過高精度注射泵控制乳液與纖維網(wǎng)絡(luò)面流速20 mm/min，拍攝幀率0～600 f/s。

圖2 高速攝像成像系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of high-speed camera imaging system

1.2.3 濾材用柴油/水分離效率實(shí)驗(yàn)臺(tái)

參考SAE J1488中濾清器用柴油/水分離實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖，搭建如圖3所示的濾材用柴油/水分離實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對濾材柴油/水分離效率進(jìn)行表征。采用高速分散器和攪拌器制備含水量2.5‰的柴油/水乳化液，并根據(jù)SAE J1488附錄B測定柴油中溶解水體積濃度。然后，以20 mm/min的面速度將乳化后的柴油泵入測試夾具中。上游和下游的水濃度每10 min測定一次，并同時(shí)記錄濾材上下游的壓差。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)至少30 min時(shí)，實(shí)驗(yàn)終止。由式(1)和式(2)計(jì)算濾材上、下游水含量的體積比計(jì)算出濾材的柴油/水分離效率（以下簡稱為效率）。

圖3 濾材用柴油/水分離實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖Fig.3 Schematic diagram of diesel fuel/water separation test stand for filter

式中，Cdown為下游水滴的平均濃度，‰；Cdown,i為下游某一時(shí)刻水滴的平均濃度，‰；E為效率，%；Cdissolve為柴油中溶解水的濃度，‰；n為測試次數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 商品濾材及自制濾材基本性能

圖4為木棉纖維材料SEM圖及接觸角。由圖4(a)可以看出，木棉纖維表面光滑無明顯磨損，通過圖4(b)可看出，木棉纖維材料接觸角在151°～153°間，表明本研究采用的制備方法沒有破壞木棉纖維表面的蠟質(zhì)層，木棉纖維仍具有親油疏水的特性。表2為商品濾材及自制濾材的基本性能。由表2可知，自制濾材定量為（200±3）g/m2，比商品濾材低10%左右，平均孔徑為（7±1）μm，與商品濾材接近；自制濾材厚度隨木棉纖維含量增加而增加，透氣度隨木棉纖維含量增加而降低。

圖4 木棉纖維材料SEM圖及接觸角Fig.4 SEM image and contact angle of kapok fiber material

表2 商品濾材及自制濾材基本性能Table 2 Basic performance of commercial and self-made filter

圖5為商品濾材及不同木棉纖維含量的自制濾材SEM圖?？紤]到商品濾材為雙層結(jié)構(gòu)，故觀察入流面、出流面和截面；自制濾材為單層材料，因此僅取一面（平面）和截面的SEM圖。商品濾材是由植物纖維和聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）纖維組成，由圖5(a)～5(c)可知，商品濾材入流面并未涂覆樹脂，而出流面纖維表面涂覆有樹脂，且商品濾材有一定分層結(jié)構(gòu)。由圖5(d)～5(k)可知，F(xiàn)20中的玻璃棉纖維緊密分布在木棉纖維構(gòu)成的骨架中；F40和F60中的玻璃棉纖維含量急劇減少，造成木棉纖維間的孔隙增大，使自制濾材的最大孔徑增大且大孔數(shù)量增加；F80中的木棉纖維在干燥過程中被壓成扁平狀，自制濾材表面孔隙減小，且從截面上看，隨著木棉纖維含量的增加，木棉纖維堆積越來越密實(shí)。

圖5 商品濾材及不同木棉纖維含量的自制濾材SEM圖Fig.5 SEM images of self-made filter with different kapok fiber content and commercial filter

2.2 柴油中水滴與纖維相互作用

圖6為靜態(tài)條件下玻璃棉、木棉和PET纖維在柴油中與水滴的接觸狀況。從圖6可知，水滴與玻璃棉纖維接觸后形成串珠狀，玻璃棉纖維與水接觸的部分被包裹在水滴的軸心位置，說明水滴容易被親水的玻璃棉纖維捕獲，有利于水滴在玻璃棉纖維上聚結(jié)長大。而木棉纖維和PET纖維與水滴的接觸角均大于90°，且水滴附著在纖維一側(cè)，說明乳液中的小水滴較難被木棉纖維和PET纖維捕獲。

2.3 柴油中水滴與纖維網(wǎng)絡(luò)相互作用

圖7為動(dòng)態(tài)條件下，柴油中水滴與不同纖維網(wǎng)絡(luò)的接觸狀態(tài)照片。圖7(a)顯示了玻璃棉網(wǎng)絡(luò)與水滴接觸狀態(tài)。由圖7(a)發(fā)現(xiàn)，玻璃棉纖維表面帶有大量小水滴，且在纖維交叉處明顯存在大水滴，說明玻璃棉纖維易于捕獲小水滴，且纖維交織點(diǎn)處的小水滴更容易在流體作用下聚結(jié)長大。圖7(b)顯示了木棉纖維網(wǎng)絡(luò)與水滴接觸狀態(tài)。由圖7(b)可知，木棉纖維交織網(wǎng)與水滴接觸狀態(tài)與單根木棉纖維類似，水滴均附著在纖維一側(cè)，并未潤濕木棉纖維。圖7(c)顯示了PET纖維網(wǎng)絡(luò)與水滴接觸狀態(tài)。由圖7(c)可看出，大部分水滴存在于PET纖維交織點(diǎn)，單根PET纖維不能很好捕獲和攔截乳液中的小水滴，與圖6(c)展示的靜態(tài)條件下PET纖維在柴油中與水滴接觸狀況相同。

圖6 靜態(tài)條件下纖維在柴油中與水滴接觸狀況Fig.6 Contact state of fiber and water droplets in diesel fuel under static conditions

圖7 動(dòng)態(tài)條件下柴油中水滴與不同纖維網(wǎng)絡(luò)的接觸狀態(tài)照片F(xiàn)ig.7 Photos of the contact state between water droplets in diesel fuel and different fiber networks under dynamic conditions

圖8為使用高速攝像成像系統(tǒng)觀測到的柴油中水滴與不同纖維網(wǎng)絡(luò)的接觸狀態(tài)圖。圖8(a)為水滴與疏水的木棉纖維交織網(wǎng)接觸狀態(tài)。由8(a)可知，隨著時(shí)間變化，木棉纖維表面水滴會(huì)被流動(dòng)的乳液再次分散，木棉纖維與其表面水滴相互作用力很弱。當(dāng)木棉纖維上液滴受到流體作用時(shí)，木棉纖維表面攔截到的小水滴很容易從木棉纖維表面脫落，所以疏水的木棉纖維可影響水滴在自制濾材中的運(yùn)動(dòng)軌跡，增加液滴碰撞聚結(jié)概率。圖8(b)為水滴與PET纖維交織網(wǎng)接觸狀態(tài)。由圖8(b)可看出，PET纖維與木棉纖維類似，在柴油中呈疏水狀態(tài)，水滴與PET纖維碰撞后并不容易被PET纖維捕獲。圖8(c)為親水的玻璃棉纖維與疏水的木棉纖維共同作用捕獲水滴。從圖8（c）可以看出，當(dāng)乳液中的水滴與疏水的木棉纖維發(fā)生碰撞后（20和40 ms），水滴與木棉纖維碰撞對水滴運(yùn)動(dòng)方向有一定影響（60和80 ms），從而提高了水滴與玻璃棉纖維上其他水滴的碰撞概率（100 ms），使自制濾材的聚結(jié)效率增加。因此，對于含有親水纖維和疏水纖維的柴油/水分離材料，親水的玻璃棉纖維主要起到捕獲乳液中的水滴（特別是小水滴）作用，疏水纖維可促進(jìn)液滴的變向遷移，有利于水滴向親水纖維部分匯集，以提高碰撞和聚結(jié)的機(jī)率。

圖8 柴油中水滴與不同纖維網(wǎng)絡(luò)的接觸狀態(tài)圖Fig.8 Photos of the contact state of water droplets in diesel fuel with different fiber networks

2.4 纖維表面性能對濾材柴油/水分離效率的影響

圖9是實(shí)驗(yàn)測試乳液粒徑分布圖。從圖9中可以看出，乳液中水滴中值粒徑Dv,50=（10±1.5）μm，與本研究其他測試條件（界面張力（IFT）17 mN/m、含水量2.5‰、面流速20 mm/min）均滿足ISO 16332∶2017和SAE J1488要求。

圖9 實(shí)驗(yàn)測試乳液粒徑分布圖Fig.9 Diagram of experimental test emulsion particle size distribution

圖10為濾材纖維表面性能對柴油/水分離效率與壓差的影響。由圖10可知，所有自制濾材的柴油/水分離效率均高于商品濾材（32.1%），且隨著自制濾材中疏水的木棉纖維含量增加，柴油/水分離效率和壓差同時(shí)出現(xiàn)先下降后上升的趨勢。雖然F20的壓差明顯高于商品濾材，但是柴油/水分離效率較商品濾材提高了30.6%，說明自制濾材具有較優(yōu)的綜合性能，且親水的玻璃棉纖維可在一定程度上提高自制濾材性能。F20和F80均具有較高柴油/水分離效率，但F20壓差是F80的2.2倍。這是因?yàn)楫?dāng)自制濾材中含有較多親水的玻璃棉纖維時(shí)，雖然親水的玻璃棉纖維與疏水的木棉纖維共同作用，可增加自制濾材捕獲液滴的概率，從而增加柴油/水分離效率，但是自制濾材的孔隙會(huì)被更多水滴填充，油液流通面積減小，自制濾材壓差升高。因此需適當(dāng)增加疏水木棉纖維含量，使自制濾材可以在保證較高柴油/水分離效率的同時(shí)，壓差較小。當(dāng)自制濾材中親水的玻璃棉被疏水的木棉纖維取代后，自制濾材中玻璃棉捕獲的水滴減少，油液流通面積增加，自制濾材柴油/水分離效率和壓差同時(shí)降低。自制濾材中玻璃棉纖維含量繼續(xù)減少時(shí)，疏水的木棉纖維影響小水滴在自制濾材中的運(yùn)動(dòng)方向，從而增加液滴碰撞聚結(jié)概率，因此F60和F80的柴油/水分離效率升高。F80完全由疏水的木棉纖維構(gòu)成，乳液中的水滴在自制濾材曲折的孔道中聚結(jié)成為大液滴，此時(shí)柴油/水分離效率為65.9%，壓差為0.9 kPa，與商品濾材相比，柴油/水分離效率提高33.8%，壓差降低0.7 kPa。

圖10 濾材纖維表面性能對柴油/水分離效率與壓差的影響Fig.10 Effect of fiber surface properties on diesel fuel/water separation efficiency and pressure drop of filter

3 結(jié) 論

本研究通過靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相結(jié)合的手段，觀察水滴與不同纖維和纖維網(wǎng)絡(luò)的接觸狀態(tài)，研究了親水的玻璃棉纖維和疏水的木棉纖維在柴油/水分離材料中發(fā)揮的作用，以及濾材中木棉纖維含量對柴油/水分離效率影響。

3.1 親水的玻璃棉纖維有利于捕獲乳液中的小水滴，疏水的木棉纖維和PET纖維可影響水滴在自制濾材中的運(yùn)動(dòng)軌跡，增加水滴間碰撞聚結(jié)的概率，有利于降低自制濾材壓差。

3.2 木棉纖維自身具有的天然疏水性可有效提高柴油/水分離濾材性能，具有較高應(yīng)用價(jià)值。含有疏水木棉纖維的自制濾材其柴油/水分離效率均高于商品濾材，自制濾材柴油/水分離效率和壓差隨著自制濾材中疏水木棉纖維含量的增加呈現(xiàn)先減小后升高的趨勢，在木棉纖維含量為80%時(shí)，自制濾材具有較高的柴油/水分離效率（65.9%）和較低壓差（0.9 kPa）。