超細(xì)PET纖維對液壓過濾材料過濾效率的影響

黃昱杰，曾靖山，梁云，唐敏

(華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510641)

0 前言

隨著機(jī)械設(shè)計(jì)加工技術(shù)的發(fā)展，液壓傳動(dòng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工程機(jī)械、運(yùn)輸設(shè)備、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。液壓油作為液壓傳動(dòng)技術(shù)的工作介質(zhì)，對液壓系統(tǒng)有著冷卻、潤滑和防銹的作用。但是液壓油會(huì)受到固體顆粒、水分和空氣等因素的影響，逐漸變質(zhì)老化，從而降低系統(tǒng)元件的使用壽命，影響設(shè)備的正常運(yùn)行[3-5]。實(shí)踐表明：液壓系統(tǒng)中75%以上的系統(tǒng)故障來源于液壓油的污染[6-7]。因此，控制液壓油液的污染程度、維持液壓系統(tǒng)的清潔度就顯得尤為重要。

玻纖濾材是液壓過濾中的主流材料，玻纖表面光滑，過濾阻力較低，有利于顆粒物的攔截，具有很好的過濾性能和過濾精度[8]，可以有效除去液壓油使用過程中的雜質(zhì)顆粒，維持油液的清潔程度[9]。過濾材料對顆粒污染物的去除能力可以用過濾精度來評價(jià)，而評價(jià)過濾精度最常用的指標(biāo)為過濾比β，它表示在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下，過濾器上游油液單位體積中大于某一給定尺寸x(μm)的顆粒數(shù)與下游油液單位體積中大于同一尺寸的顆粒數(shù)之比[10]。目前多數(shù)過濾器以平均過濾比βx≥200時(shí)的最小顆粒數(shù)尺寸x為該過濾器的過濾精度。但是，由于液壓系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)流體介質(zhì)的流量沖擊、雜質(zhì)顆粒堵塞等原因[11]，在過濾過程中，濾材會(huì)出現(xiàn)過濾比嚴(yán)重下降的問題，導(dǎo)致濾材的使用壽命明顯縮短[12-14]。針對這一現(xiàn)象，朱呂等人[15]通過研究商品液壓濾芯發(fā)現(xiàn)：在使用過程中濾芯容易從打褶處發(fā)生破損，降低濾材的使用壽命；李蘭振[16]通過研究液壓濾材厚度變化的影響發(fā)現(xiàn)：在一定范圍內(nèi)，濾材厚度減小可以增大過濾器的有效過濾面積，提高過濾器的使用壽命；楊超等人[17]通過仿真軟件模擬液體過濾材料的過濾過程發(fā)現(xiàn)：介質(zhì)流速提高會(huì)使濾材中被攔截的顆粒脫落，使濾材的過濾比下降，一定程度上降低了過濾器的使用壽命。盡管不同學(xué)者針對濾材過濾比下降的原因進(jìn)行了一定的探索，但是在過濾后期濾材過濾比下降這一問題仍未解決。

液壓過濾材料一般由玻璃棉和短切玻纖按照一定比例制備而成。而合成纖維由于受紡絲技術(shù)的限制，一般直徑都在5 μm以上，不利于制備過濾精度較高的濾材。但是近些年來，超細(xì)的PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)纖維(一般指直徑在5 μm以下)發(fā)展迅速[18]，它有著良好的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于過濾紙、熱敏紙、電池隔膜等各種場景[19]。本文作者通過在玻纖濾紙中添加PET纖維，以提高濾紙的整體抗張強(qiáng)度，使濾紙?jiān)趯?shí)際生產(chǎn)打褶過程以及過濾過程中保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，以期減少過濾后期濾材過濾比下降的現(xiàn)象。目前的液壓過濾應(yīng)用場景中，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道關(guān)于PET纖維直徑與濾材強(qiáng)度的關(guān)系以及它對過濾性能的影響，所以本文作者通過研究不同直徑、相同添加比例的PET纖維濾材和不同添加比例的超細(xì)PET纖維濾材打褶前、后的抗張強(qiáng)度，并測試含超細(xì)PET纖維的玻纖濾材和含短切玻纖的純玻纖濾材的液體過濾性能，為解決濾材過濾比下降的問題提供思路。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

玻璃棉(29°SR)、玻璃棉(39°SR)，榆林天盛緣玻璃纖維科技有限公司生產(chǎn)；短切玻纖(6 mm × 6 μm)，重慶國際復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)；超細(xì)PET纖維(0.1D)和常用PET纖維(0.6D、1.2D、2.0D、3.0D)具體規(guī)格見表 1，日本帝人株式會(huì)社生產(chǎn)；丙烯酸樹脂GF03A，廣州華創(chuàng)化工材料科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)。

表1 PET 纖維的長度和直徑

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

RK3AKWT抄片器，奧地利PTI公司生產(chǎn)；FX3300透氣度測定儀，瑞士TEXTEST公司生產(chǎn)；XSE204分析天平，瑞士METTLER TOLEDO公司生產(chǎn)；G2Pro Y掃描電子顯微鏡，荷蘭Phenom-World公司生產(chǎn)；RH-KZY臥式抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)，廣州潤湖儀器有限公司生產(chǎn)；DT-100Z多次通過試驗(yàn)臺(tái)，新鄉(xiāng)市東風(fēng)過濾技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

1.3.1 濾材的制備

(1)不同直徑的PET纖維濾材的制備

液壓濾材分別由 0.1D、0.6D、1.2D、2.0D和3.0D這5種PET纖維配抄玻璃棉(29°SR)制備，濾材分別編號(hào)為A、B、C、D、E。PET纖維占濾材總質(zhì)量的20% ，玻璃棉(29°SR)占濾材總質(zhì)量的80%，濾材定量為80 g/m2。

(2)不同比例的 0.1DPET纖維和短切玻纖濾材的制備

液壓濾材分別由0.1DPET纖維和短切玻纖配抄玻璃棉(29°SR)制備，0.1DPET纖維和短切玻纖分別占濾材總質(zhì)量的5%、10%、15%、20%，濾材編號(hào)分別為A-1、A-2、A-3、A-4和F-1、F-2、F-3、F-4，濾材定量為80 g/m2，具體配比見表2和表3。

表2 不同比例的0.1D PET纖維濾材的配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表3 不同比例的短切玻纖濾材的配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

(3)多次通過實(shí)驗(yàn)測試的濾材制備

檢測濾材的液體過濾性能，需要進(jìn)行多次通過實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)濾材采用濾材A-3和含短切玻纖的純玻纖濾材，為了保證2種濾材配方的過濾精度接近，在濾材F-3中加入5% 的玻璃棉(39°SR)，此濾材配方記作F-5，具體配比見表4。

表4 多次通過實(shí)驗(yàn)測試濾材配比

濾材制備結(jié)束，采用樹脂GF03A對所制備的濾材進(jìn)行增強(qiáng)處理，控制濾材的上膠量為(5±0.5)%，然后進(jìn)行固化處理(160 ℃，15 min)。

1.3.2 濾材的檢測與表征

微觀形貌觀測：采用荷蘭Phenom-World公司型號(hào)為G2Pro Y掃描電子顯微鏡。

抗張強(qiáng)度：參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12914—2018《紙和紙板 抗張強(qiáng)度的測定 恒速拉伸法(20 mm/min)》，使用RH-KZY臥式抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)測試濾料的抗張強(qiáng)度。

濾材打褶后的抗張強(qiáng)度測試：參考GB/T 17939—2015 《核級高效空氣過濾器》，沿濾料縱向裁剪尺寸為(150±6)mm的測試樣品，使濾料縱向垂直于直徑(5±1)mm的細(xì)軸，在細(xì)軸上彎曲1次，彎曲弧度為180°，然后用RH-KZY臥式抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)測試其抗張強(qiáng)度。

液體過濾性能測試：參考標(biāo)準(zhǔn)ISO 16889，采用型號(hào)為DT-100Z多次通過試驗(yàn)臺(tái)，其中顆粒計(jì)數(shù)器型號(hào)為PAMAS2132。實(shí)驗(yàn)條件如表5所示。

表5 多次通過測試實(shí)驗(yàn)條件

2 結(jié)果與討論

2.1 濾材微觀形貌的觀察與分析

圖1所示為不同直徑的PET纖維占濾材總質(zhì)量為20%的電鏡照片。

圖1 5種液壓濾材入流面的電鏡圖片

雖然PET纖維在濾材中占比較大，但是從圖1(a)、(b)中仍不能清楚地觀察到0.1DPET和0.6DPET纖維在濾材中的分布。因?yàn)椴Ａ?29°SR)的平均直徑雖然只有1.1 μm，但是通過用圖像分析軟件Image J對玻璃棉的直徑進(jìn)行測量[20]可知：玻璃棉最大的直徑為6.1 μm，所以很難通過纖維直徑分辨這2種纖維在玻璃棉中的分布。隨著PET纖維直徑的增大，如圖1(c)(d)(e)所示：可以很明顯地看到PET纖維在濾材中均勻分布，交織搭接在玻璃棉纖維中，為濾材提供了骨架結(jié)構(gòu)。

2.2 濾材物理性能測試結(jié)果

(1)不同直徑的PET纖維濾材抗張強(qiáng)度測試結(jié)果

圖2是不同直徑的PET纖維濾材打褶前后的抗張強(qiáng)度，PET纖維在濾材中的添加比例為20%?？梢钥闯觯弘S著PET纖維直徑的增大，濾材結(jié)構(gòu)中粗纖維與細(xì)纖維在內(nèi)部形成的孔隙增大，所以濾材的抗張強(qiáng)度降低。添加0.1DPET纖維的A濾材的抗張強(qiáng)度是5種濾材中最大的，這是因?yàn)?.1DPET纖維的直徑較細(xì)，在相同的添加比例下，濾材中纖維的數(shù)量最多，所以其強(qiáng)度最好。在測試過程中，濾材能承受較大的張力，從而保證使用過程中其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

圖2 不同直徑的PET纖維濾材打褶前后的抗張強(qiáng)度

測試濾材打褶后的抗張強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)：濾材的抗張強(qiáng)度出現(xiàn)了很大程度的下降，與濾材初始的抗張強(qiáng)度相比，打褶后A、B、C、D 4種濾材的抗張強(qiáng)度分別下降了44.3%、48.0%、61.0%、70.0%，PET纖維的直徑越大，濾材打褶后的抗張強(qiáng)度下降率越大。從圖1也可以看出：在相同的PET纖維添加比例下，直徑越粗的PET纖維，濾材結(jié)構(gòu)越疏松，在濾材打褶后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形變也就越大，所以打褶后的抗張強(qiáng)度下降率也就越大。

(2)0.1DPET纖維和短切玻纖濾材抗張強(qiáng)度測試結(jié)果

圖3是不同添加比例的0.1DPET纖維和短切玻纖濾材打褶前后的抗張強(qiáng)度?？梢钥闯觯寒?dāng)濾材中添加一定比例的短切玻纖和PET纖維時(shí)，濾材的抗張強(qiáng)度逐漸升高，因?yàn)槎糖胁＠w和PET纖維的加入，可以為濾材提供骨架，從而使濾材內(nèi)部粗細(xì)纖維分布均勻。但是隨著短切玻纖和PET纖維添加比例的提高，濾材中玻璃棉纖維的含量減少，粗纖維的組分增多，與纖維之間的細(xì)纖維填充程度減少，所以濾材的抗張強(qiáng)度降低。在0.1DPET纖維和短切玻纖的添加量為15%時(shí)，2種濾材打褶前后的抗張強(qiáng)度是最大的，分別為1 280 N/m和1 190 N/m，添加0.1DPET 纖維的濾材強(qiáng)度要高于添加短切玻纖的濾材。與初始抗張強(qiáng)度相比，濾材經(jīng)過打褶后，濾材A-3的抗張強(qiáng)度分別下降了52.6%、52.0%、45.8%、44.3%；濾材F-5分別下降了60.6%、49.0%、63.6%、67.0%。因此，濾材打褶后強(qiáng)度明顯下降，而且添加短切玻纖的濾材打褶后抗張強(qiáng)度的下降速度要遠(yuǎn)大于添加相同比例的0.1DPET纖維濾材。因?yàn)榇蝰蘅梢栽黾舆^濾器的有效過濾面積，在濾材加工過程中是很重要的一道生產(chǎn)工序，所以需要提高濾材打褶前的強(qiáng)度，并保證濾材在打褶后強(qiáng)度下降幅度較小。

圖3 不同比例的0.1D PET纖維和短切玻纖濾材打褶前后的抗張強(qiáng)度

2.3 濾材液體過濾性能測試結(jié)果

圖4所示為濾材的過濾比(β≥12)隨時(shí)間間隔的變化曲線。濾材F-5和濾材A-3在平均過濾比為200下對應(yīng)的顆粒尺寸數(shù)分別為11.1和11.2，說明濾材F-5和濾材A-3的過濾精度接近。由圖4可以看出：雖然濾材F-5的初始過濾比要略高于濾材A-3，但是隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，濾材兩側(cè)壓降上升，濾材F-5和濾材A-3的過濾比逐漸下降。因?yàn)闉V材自身耐壓強(qiáng)度不高，在過濾后期原先被攔截的部分顆粒被沖擊到過濾器的下游，導(dǎo)致過濾比下降。此外，濾材F-5在20%～40%時(shí)間間隔內(nèi)，過濾比先下降后上升，可能的原因是濾材F-5中添加的短切玻纖直徑為6.0 μm，濾材A-3中添加的0.1DPET 直徑為3.0 μm，直徑粗的短切玻纖在濾材中形成了更大的纖維骨架，濾材的孔隙結(jié)構(gòu)更加豐富，所以顆粒進(jìn)入濾材內(nèi)部，一些小的顆粒會(huì)穿過濾材，當(dāng)濾材內(nèi)部的孔隙通道被小顆粒堵塞后，濾材的過濾比又會(huì)短暫地上升。

圖4 濾材過濾比隨著時(shí)間間隔的變化曲線

表6和表7分別是濾材 F-5 和濾材A-3在不同時(shí)間間隔的過濾比βx相比于初始過濾比的下降率，濾材F-5和濾材A-3在時(shí)間間隔為10%時(shí)的過濾比記為初始過濾比，然后對比了不同尺寸的污染物顆粒在不同時(shí)間間隔下與初始過濾比的下降率。從表6和表7中可以看出：隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，濾材F-5和濾材A-3的不同尺寸的污染物顆粒對應(yīng)的過濾比逐漸下降。在濾材F-5和濾材A-3中，β≥12所對應(yīng)的最終過濾比比初始過濾比分別下降了88.8%和50.2%，與濾材F-5相比，濾材A-3在一定程度上緩解了過濾比下降的現(xiàn)象。因?yàn)闉V材A-3的抗張強(qiáng)度大于濾材F-5，導(dǎo)致濾材A-3的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)于濾材F-5，所以相比于濾材F-5，濾材A-3更加抗流量沖擊，濾材內(nèi)部結(jié)構(gòu)在流量沖擊和壓降的雙重作用下更加穩(wěn)定，不易發(fā)生變形，濾材A-3對污染物顆粒過濾更加穩(wěn)定，所以濾材A-3的過濾比下降程度小于濾材F-5，也即濾材A-3過濾效率下降的速度小于濾材F-5。

表6 濾材F-5在不同時(shí)間間隔的過濾比βx比初始過濾比的下降率

表7 濾材 A-3 在不同時(shí)間間隔的過濾比βx比初始過濾比的下降率

3 結(jié)論

以玻璃棉、不同直徑的PET纖維為原料制備了5種添加比例相同、直徑不同的液體過濾材料，通過抗張強(qiáng)度測試分析，選擇出了強(qiáng)度最大的濾材，即含0.1D超細(xì)PET纖維的濾材；然后在濾材中添加不同比例的0.1DPET纖維，通過抗張強(qiáng)度測試分析，含15%的0.1DPET纖維濾材的抗張強(qiáng)度最大；制備含15%的短切玻纖的純玻纖濾材，使其過濾精度與含15%的0.1DPET纖維濾材接近，測試2種濾材結(jié)構(gòu)的液體過濾性能。

(1)在纖維添加比例相同的條件下，濾材打褶前后的抗張強(qiáng)度隨著PET纖維直徑的增大而減??；隨著短切玻纖和PET纖維添加比例的提高，濾材打褶前后的抗張強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)濾材添加15%的超細(xì)0.1DPET纖維時(shí)，其打褶前后的抗張強(qiáng)度最大。

(2)在過濾精度接近的條件下，隨著多次通過實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，含短切玻纖和0.1DPET纖維的2種濾材對于不同尺寸的污染物顆粒的過濾比逐漸下降，β≥12所對應(yīng)的最終過濾比相比初始過濾比分別下降了88.8%和50.2%，可知：濾材中添加超細(xì)0.1DPET纖維有利于緩解實(shí)驗(yàn)過程中過濾比下降的現(xiàn)象，進(jìn)一步緩解濾材過濾效率下降的速度。