耐高温针刺材料特性研究
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本文作者：刘延波 王 振 张泽茹 张 维 单位：天津工业大学
目前解决大气污染的主要手段是利用袋式除尘器除尘。袋式除尘器具有高效、稳定、可靠的分离能力，能够满足日益严格的环保标准要求［1］。袋式除尘器主要由袋室、滤袋、框架和清灰装置等组成，其除尘过程主要由滤袋完成，滤袋是袋式除尘器的关键部件。选用合适的纤维原料加工滤袋是袋式除尘技术的研究重点之一。国内外使用的过滤材料多数是针刺非织造布［2］。本文选取聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯硫醚(PPS)和聚酰亚胺(P84)针刺过滤材料，对其进行面密度、厚度、透气性、孔径分布、过滤效率、阻燃性能和力学性能测试，并进行比较，旨在为过滤材料选择合适的纤维原料，以延长滤袋的使用寿命，节省成本，并达到更佳的过滤效果。
1试样制备本试验所用的PTFE、PPS和P84针刺过滤材料均采用以下工艺制备:纤维开松梳理成网交叉铺网预针刺中线分切加基布主刺分切卷绕。
1．1PPS针刺过滤材料PPS纤维原料由日本东丽公司生产，纤维规格为2．4dtex×76mm，用德国Dilo生产线生产。梳理毛网面密度32g/m2，交叉铺网18层后喂入预刺机;经牵伸后，由牵伸机后设有的切刀将毛网切成同幅宽的两半，通过翻转将两层毛网层叠，引入基布(本样品的基布为120g/m2的PPS织物);喂入主刺机，针刺频率约3850r/min，针刺密度888．9刺/cm2，针刺深度8．3mm，经过4块针板上下同步对刺，最后分切卷绕。
1．2P84针刺过滤材料P84纤维原料由奥地利兰精公司生产，纤维规格为2．2dtex×51mm，用德国Dilo生产线生产。铺网层数为20层，添加120g/m2的PTFE基布;梳理毛网面密度24g/m2，铺网后进行预刺，针刺密度37．2刺/cm2，针刺深度13mm;牵伸后中点分切，加入基布，再送入主刺机中，主刺深度7．3mm，针刺密度888．9刺/cm2，针刺频率约3852．3r/min，最后分切卷绕。
1．3PTFE针刺过滤材料PTFE纤维原料来自常州中澳兴城高分子材料有限公司，纤维规格为(3．3～5．5)dtex×51mm，用海润纺织机械有限公司生产的针刺生产线生产。基布为120g/m2的PTFE织物。生产过程始终保持室温20℃、相对湿度75%。为使纤维容易梳理，在梳理过程中添加滑石粉。滑石粉还能使PTFE过滤材料有更好的过滤性能。平均针刺密度180刺/cm2，针刺频率约750r/min。
2性能测试参考《除尘布袋制造的国家标准及质量控制》和GB12625—1990《袋式除尘器用滤料及滤袋技术条件》所规定的测试方法进行检测。
2．1面密度过滤材料面密度按GB/T4669—1995《机织物单位长度质量和单位面积质量的测定》［3］的规定测定。测试设备:FA2004B电子天平，上海精密仪器有限公司;测试条件:温度20℃，相对湿度65%，0．1MPa;试样:PPS、PTFE和P84针刺过滤材料各10块，面积100cm2。
2．2厚度过滤材料的厚度按GB/T3820—1997《纺织品与纺织制品厚度的测定》［4］的规定测定。测试设备:YG141织物厚度仪，常州第二纺织机械厂;测试条件:温度20℃，相对湿度65%，0．1MPa;试样:PPS、PTFE和P84针刺过滤材料各10块，面积100cm2。
2．3透气性过滤材料的透气量按GB/T5453—1997《纺织品织物透气性的测定》［5］的规定测定。测试设备:YG461型中压透气量仪;测试条件:温度20℃，相对湿度65%，0．1MPa;试样:PPS、PTFE和P84针刺过滤材料各10块，面积200cm2。
2．4孔径分布通过电镜扫描仪观察三种样品的孔径分布及其大小。试验条件:温度20℃，相对湿度65%，0．1MPa;试样:PPS、PTFE和P84针刺过滤材料各2块，面积1cm2。
2．5过滤效率洁净过滤材料阻力和静态除尘率按GB12625—1990《袋式除尘器用滤料及滤袋技术条件》［6］的规定采用过滤材料静态性能测试仪测定。测试设备:SX-L1050滤料试验台;测试条件:温度20℃，相对湿度65%，0．1MPa;试样:PPS、PTFE和P84针刺过滤材料各6块，试样尺寸20cm×20cm。
2．6阻燃性能袋式除尘器用于高温或含有可能发生自燃现象粉尘的过滤时，由于高温或者灼热的颗粒附着于滤袋，或者是自燃物质发火均会使过滤材料烧毁，造成严重后果。为了防止滤袋发生燃烧事故，需要对于除尘器的过滤材料进行阻燃性能的测定。过滤材料的阻燃性能根据GB/T12138—1989《袋式除尘器性能测试方法》［7］进行，用垂直法测定其阻燃性能。测试设备:垂直燃烧试验仪;测试条件:调湿调温24h，温度20℃，0．1MPa;试样:采用梯形取样，试样尺寸30cm×8cm，PPS、PTFE和P84针刺过滤材料分别按纵横向各取样5块。
2．7力学性能针刺过滤材料的断裂强力和断裂伸长率按GB/T3923．1—1997《纺织品织物拉伸性能》［8］的规定测定。测试条件:调湿调温24h，温度20℃，0．1MPa;试样:采用平行法取样，试样尺寸300cm×50cm，PPS、PTFE和P84针刺过滤材料分别按纵横向各取样5块。
3结果与分析
3．1针刺过滤材料的物理性能
3．1．1面密度与厚度三种过滤材料的面密度和厚度，以及面密度和厚度标准差的测试结果见图1和表1。由图1可以看出，PTFE过滤材料的厚度在三种过滤材料中最小，但是面密度却最大，其原因是PTFE单纤密度高达2．2g/cm3，而PPS和P84单纤密度分别为1．36和1．41g/cm3。表1数据显示，PTFE过滤材料的面密度标准差大，说明其面密度不均匀，比其他两种过滤材料均匀性差。一是因为PTFE过滤材料的生产设备为国产针刺设备，而另外两种过滤材料均由德国Dilo公司进口的设备生产，PTFE过滤材料的生产受到设备的影响，导致纤网的面密度不匀;二是因为PTFE过滤材料本身的面密度较大，在生产工艺上不容易控制，也会导致面密度不匀。用作除尘器滤袋的针刺材料，厚度和面密度是根据所使用环境的具体要求而定的，国家标准要求面密度标准差为±25g/m2，厚度标准差为±0．2mm。
3．1．2力学性能三种过滤材料的强力和断裂伸长率的测试结果分别见图2和图3。由图2和图3可以看出，三种过滤材料中力学性能最好的是PPS针刺过滤材料，而PTFE针刺过滤材料受到纤维自身特性的影响，其力学性能较差，但是PTFE过滤材料横纵向的强力较为均匀。由于PPS与P84针刺过滤材料的生产设备与PTFE针刺过滤材料的生产设备不同，造成铺网方式不同，所以PPS与P84过滤材料的横向断裂强力大于纵向断裂强力，而PTFE针刺过滤材料是纵向断裂强力大于横向断裂强力。一般情况下，材料断裂强力大，其断裂伸长率会小，但是上述三种过滤材料是强力大的过滤材料其伸长率也大。这种现象应当与产品添加了基布有关。三种过滤材料分别添加了PPS或PTFE基布。基布采用经纬平纹织造，基布两侧均有纤网，在基布两侧纤网的纤维基本都断开时，基布尚未断开，因此过滤材料的伸长率受到影响。由此可见:PTFE过滤材料的横向强力稍差，P84过滤材料的纵向强力也未达到标准，而三种过滤材料的横纵向断裂伸长率均达到了国家标准中规定的指标。在生产中可以通过调整铺网工艺和调整基布的方法提高过滤材料的强力，同时考虑到刺针对于强力的影响，也可以通过调整针布和刺针，以减少对于针刺材料中纤维和基布的损伤。
3．2针刺过滤材料的过滤性能
3．2．1透气量和过滤效率图4是三种过滤材料透气量、过滤效率和过滤阻力的测试结果，并测得PPS、PTFE和P84过滤材料透气量的标准差分别为5．17、28．7和11．87L/(m2•s)。过滤材料的透气量因纤维种类、线密度及材料的结构形式、密度不同而异。透气量小，单位面积单位时间内允许通过的风量小，则过滤效率高，阻力也大。透气量标准差的大小反映了过滤材料质地的均匀程度［9］。按照国家标准GB/T5453—1997《纺织品织物透气性的测定》规定，材料的透气量作为只参考不考核的项目，要求透气量标准差在±25%即可。三种过滤材料的标准差均达到了标准要求，且PPS过滤材料的质地均匀性优于其他两种过滤材料。过滤效率的测试均在洁净状态下进行。由图4可以看出:PTFE过滤材料的过滤效率最高，过滤阻力较小;P84过滤材料的过滤阻力最小，过滤效率也最小;PPS过滤材料的过滤阻力最大，过滤效率较低。按照国家标准GB12625—1990《袋式除尘器用滤料及滤袋技术条件》对于针刺过滤材料的要求，在静态下的过滤除尘率应达到99．5%以上。上述三种过滤材料中以PTFE过滤材料的过滤效果为最好。
3．2．2孔径图5是PTFE、PPS和P84过滤材料的扫描电镜照片。由图5可以清晰地看出:PTFE过滤材料的孔隙要比PPS与P84过滤材料的孔隙小，PTFE纤维的形状与PPS、P84纤维明显不同，呈扁平状且表面不光滑;P84纤维的截面呈现三叶形。扁平且表面不光滑的PTFE纤维增加了纤维的比表面积，也提高了纤维对于粉尘的拦截效果;而三叶形的P84纤维与普通的圆形纤维相比，比表面积增大，也提升了微粒的捕集效率。
3．2．3孔隙率通常情况下，材料的过滤性能也可以用孔隙率来间接的反映。根据下式可以计算得出过滤材料的孔隙率。计算得到PPS、P84和PTFE过滤材料的孔隙率分别为96%、97%和88%。对比三种过滤材料的过滤效率可以发现，过滤效率与过滤材料的孔隙率成反比。针刺非织造过滤材料孔径分布分散程度高，针刺加工形成的微孔较大，大孔径的孔隙多，有很高的孔隙率，微孔为含尘气流提供了通道，导致过滤效率较低和过滤阻力低。根据透气性与孔径之间的关系，说明大部分气体都经大孔径孔隙流走。过滤材料的孔径大，不能有效地截留气流中的颗粒物，则通过过滤材料的颗粒物数量多，过滤效果差，因而很难达到理想的过滤效果［10］。结合三种过滤材料的过滤效率和透气量测试结果以及扫描电镜照片进行分析，影响三种材料过滤效率的因素包括针刺生产过程中的针刺频率、刺针的粗细，以及原料纤维的线密度和形状对于微粒拦截效应的影响。
3．3针刺过滤材料的阻燃性能在阻燃性能测试过程中，三种过滤材料均未出现阴燃和续燃现象。根据三种过滤材料的面密度分别选择对应的重锤，PPS、PTFE和P84针刺过滤材料分别选用340．2、453．6和340．2g的重锤。将重锤挂于试样一侧的下端，三种过滤材料纵横向的撕裂长度(即损毁长度)基本无差异。测试结果见表2。未经阻燃后整理的针刺过滤材料，其阻燃性能取决于纤维本身的阻燃性能。根据纤维能达到的瞬间耐温值可以看出，PTFE纤维＞P84纤维＞PPS纤维，因此PPS过滤材料的损毁长度最大。PPS针刺过滤材料适用于烟气温度较低的工况。PTFE过滤材料的阻燃性能最好，适用于温度更高的工况，并且其耐酸碱腐蚀性好，最适宜用于垃圾焚烧炉烟气的过滤［11］。P84过滤材料的阻燃耐高温性也很出色，因此是煤炉、水泥窖烟气过滤的最佳选择。
4结论
(1)在三种过滤材料中，PPS和P84袋式除尘针刺过滤材料力学性能指标能够达到国家标准的技术要求，但PTFE针刺过滤材料的力学性能较其他两种针刺过滤材料差，如果能够通过改进PTFE过滤材料的生产工艺来进一步提高其力学性能，将会大大提高PTFE针刺过滤材料滤袋的使用寿命，从而进一步降低滤袋的使用成本。(2)PTFE针刺过滤材料的过滤性能大大好于其他两种针刺过滤材料，在未作任何后整理的情况下即可达到98%的过滤效率。(3)PPS与P84针刺过滤材料在未进行PTFE覆膜或是后整理的情况下不能达到国家标准对于针刺过滤材料的技术要求，但在覆膜后过滤效率会有所提高，因此如果能够对PPS和P84针刺过滤材料进行适当的功能性整理，例如防油防水整理等，可有效提高其袋式除尘过滤材料的过滤性能，使PPS和P84针刺过滤材料的市场前景更加广阔。