针刺和水刺复合工艺制备的PPS滤料及其性能研究

(南京百朋纺织材料有限公司，南京，211505)

随着我国经济的持续高速发展和城市化进程的加速，对电力的需求量越来越大。国家统计局2011年度国民经济和社会发展统计公报显示，2011年我国发电总量为47 000.7亿kW·h，其中火力发电量为38 253.2亿kW·h，占总发电量的81.4%。由于火电机组以煤为燃料，不可避免地会产生巨量的微细粉尘，现已成为PM2.5粉尘的一个重要污染来源。国家对工业粉尘排放的控制日益严格，在2011年新发布的《火电厂大气污染物排放标准》中已严格要求其烟尘排放的质量浓度小于30 mg/m3［1］。由于燃煤电厂的特殊工况决定了未来电厂将广泛采用除尘效果更好的袋式除尘，而滤料是袋式除尘最重要的核心部件，其性能直接决定了袋式除尘效率。

目前在燃煤电厂中广泛应用的是聚苯硫醚(PPS)滤料。PPS纤维的耐酸、耐水解和耐化学性能极其优异，能够在170℃温度下长期使用，并且易于纺织加工制成滤料［2-3］。国内外现有的PPS滤料大都采用针刺工艺制作，面密度在550 g/m2左右，对PM2.5的过滤效率能够达到99%，但是，针刺PPS滤料也存在一些不足。例如:刚性刺针对基布强力的损伤较大，也会使纤网中纤维的强力受到不同程度的损伤，导致PPS针刺滤料的强力降低;针刺PPS滤料中孔隙的孔径较大，影响其过滤精度;针刺PPS滤料表面有针痕和呈现骨折状，手感硬。

为解决针刺工艺生产PPS滤料所出现的种种问题，本文采用针刺和水刺复合工艺替代现在普遍使用的针刺工艺。水刺的柔性缠结复合技术能有效地解决普通针刺工艺中带钩的钢针对PPS基布长丝不可避免的损伤问题，突破针刺复合过程中大量切断长丝而造成滤袋强度下降的瓶颈约束;克服由于刚性刺针上下往复运动与柔性纤网的连续水平运动必然会给布面留下针痕等难题［4-6］。与传统针刺PPS滤料相比，针刺和水刺复合工艺制作的PPS滤料过滤效率和过滤精度都大为提高，特别是对粒径在2.5 μm以下的微细粒子的过滤效率达到了100%，透气性和力学性能出色，完全能够满足燃煤电厂对粉尘排放浓度的要求。

1 试验部分

1.1 材料

普通针刺PPS滤料，南京际华3521特种装备有限公司生产;

针刺和水刺复合工艺制备的PPS滤料(下称针刺水刺复合 PPS滤料)，德国 Fleissner公司提供。

1.2 针刺水刺复合PPS滤料的制作工艺

针刺和水刺复合工艺是将经过预针刺的纤网，再经过水刺加固，利用高速水流的冲击作用，将纤维缠结，最终形成具有很高强力和高过滤精度的滤料。

1.3 性能测试

依据标准 GB/T 24218.2—2009，采用 YG141型厚度仪测试样厚度;

依据标准GB/T 24218.1—2009，采用圆形取样器测试样面密度;

依据标准GB/T 3923.1—1997，采用HD026N型电子织物强力仪测试样拉伸性能;

依据标准GB/T 5453—1997，采用YG461型织物中压透气量仪测试样透气性;

采用CLJ-03A型激光尘埃粒子计数器测试样过滤效率，其尘埃的粒径分为 0.3、0.5、1、3、5 和10 μm六个级别。

2 结果与分析

2.1 厚度与面密度

对普通针刺PPS滤料和针刺水刺复合PPS滤料两种试样进行厚度和面密度测试，结果见表1。

表1 两种PPS滤料的厚度和面密度

从表1可以看出，针刺水刺复合滤料的厚度和面密度均比普通针刺滤料要小，这主要是由于水针直径更细小，对纤维的损伤更小，加固后的滤料其内部孔隙的孔径更小。大量测试结果显示:针刺水刺复合PPS滤料的面密度在500 g/m2时就已经能达到烟尘过滤性能的要求，而普通针刺PPS滤料需要550 g/m2才能达到烟尘过滤性能的要求。这也是针刺水刺复合PPS滤料厚度可以比普通针刺滤料的厚度少0.1 mm的原因。

从表1还可以看出，针刺水刺复合PPS滤料的厚度与面密度误差范围相对较小。这主要是由于其在加固过程中一直受托网帘托持，其牵伸较小，而不像普通针刺滤料经多道针刺机时要经受多次纵向拉伸。

针刺水刺复合PPS滤料表面平整，没有普通针刺滤料常见的针痕和针眼。传统刺针针柄较粗，在反复来回对材料进行穿刺时，刺针在纤维层中会停留一定时间，导致输出速度与输入速度有一定的速度比，因此不可避免地会产生一定的拉伸，造成针痕出现。

2.2 过滤效率与过滤精度

对普通针刺PPS滤料和针刺水刺复合PPS滤料两种试样进行过滤效率测试，结果见表2。

表2 两种PPS滤料的过滤效率 (单位:%)

从表2可以看出，两种滤料的过滤效率均随着尘埃粒径增大而相应增大，对于粒径在5μm以上的尘埃，两者的过滤效率都达到了100%。这是由非织造滤料的过滤机理所决定的，无论是普通针刺滤料还是针刺水刺复合滤料，都具有复杂的三维立体空间结构，存在着许多微细孔隙和弯曲通径，这有利于利用重力沉降、拦截效应和布朗扩散作用来完成过滤。在实际烟尘过滤工况下，烟尘会在滤料表面形成一个“滤饼层”，从而利用滤料表面沉积的微细尘埃层来实现表面过滤。也就是说，在实际工况中的过滤效率会比试验所测得的静态过滤效率更高。

从表2还可以明显看出，针刺水刺复合PPS滤料的过滤效率远高于普通针刺PPS滤料，对于粒径在2.5 μm以下的颗粒捕集效果优于普通针刺PPS滤料。这主要是由于使用水针代替刚性的刺针会使滤料表面孔隙的孔径更小，并且不会对纤维产生损伤，而普通针刺则完全是靠刚性刺针对纤维层进行上下反复穿刺，其刺针的针柄直径大于水针。有资料显示［5］，水刺滤料表面孔隙的孔径集中在20 μm左右，而针刺滤料孔隙的孔径则集中在40 μm，孔径越小，其捕捉微细颗粒的能力就越强。因此，对于治理对人们身体危害巨大的PM2.5，针刺水刺复合滤料更为有效。

目前燃煤电厂生产中产生的粉尘，70%以上是粒径小于5 μm的呼吸性粉尘。粉尘的分散度高，粉尘粒径小，其在空气中的稳定性高，在空气中悬浮也持久［6］，会对人体造成很大的危害。从表2数据可以看出，普通针刺PPS滤料对5 μm尘埃的过滤效率可达100%，而对0.5～5 μm尘埃的过滤效率是90%以上，但对5 μm以下的尘埃的过滤效率却只能达到90%左右。

2.3 透气性

透气性能够直观地反映出滤料的过滤效率与精度，透气性越差则滤料表面孔隙的孔径越小，其过滤效率越高，过滤微细粉尘颗粒的能力就越强。透气性还能够反映出滤料制成滤袋后在燃煤电厂使用时阻力的大小。透气性越差则在使用过程中形成表面滤饼层的时间就越短，其所需的负压风力也相应较小;透气性好则在过滤时会有较多微细颗粒进入到滤料内部，堵塞滤料表层孔隙，从而妨碍表面滤饼层的形成，表面过滤效果变差。因此，对于燃煤电厂的烟尘过滤用滤料，其透气量以偏低为宜，但也不能过低，因为过低极易使滤料孔隙被堵塞，不利于过滤的进行。

对普通针刺PPS滤料和针刺水刺复合PPS滤料两种试样进行透气性测试，每种滤料取五个样点，其数据平均值见表3。

表3 两种PPS滤料的透气性

表3数据显示，针刺水刺复合PPS滤料的透气量小于普通针刺PPS滤料。这主要是由于针刺水刺复合滤料所产生的针眼少且孔径较小，而针刺PPS滤料则相反。孔径越小，透气量也越小。

从表3还可以看出，两种滤料的透气量均在一定的范围内变动。在同一试样的不同位置进行测试，其结果可能不相同。针刺水刺复合PPS滤料的CV值仅为5%，远小于普通针刺PPS滤料的12%。在铺网工序中，挟持单层纤网的铺网小车行走在两个边缘处时要减速或加速，会在两边停留相对较长的时间，相对于中间部位小车在边缘处对纤网的牵伸力较小，最终形成纤网两边稍厚而中间薄的状况，这是无论针刺滤料还是水刺滤料透气量均会出现一定程度上不均匀的原因。由于针刺水刺复合滤料只对纤维层进行预针刺，而后面多道高压水刺才是加固的主要方式，在生产过程中纤维层一直在托网帘之上，没有经受多道纵向拉伸，并且水针缠结方式较为柔和，因此针刺水刺复合PPS滤料的CV值比普通针刺PPS滤料低。

2.4 力学性能

对普通针刺PPS滤料和针刺水刺复合PPS滤料两种试样进行力学性能测试，结果见表4。

表4 两种PPS滤料的力学性能

表4数据显示，针刺水刺复合PPS滤料的纬向和经向强力分别比普通针刺PPS滤料高9.4%和23.1%。这是由于水刺对PPS纤维特别是对基布的损伤较小，基布是最终成品强力的主要贡献者，滤料的绝大部分经向强力和大部分纬向强力均由基布提供，而针刺对基布(特别是对其中的经向纱)的损伤很大，因此针刺水刺复合滤料的强力比普通针刺滤料的强力要高，其中尤以经向强力提高更多。

从表4可以看出，针刺水刺复合PPS滤料的经、纬向伸长率比普通针刺PPS滤料小，经向伸长率降低了4.28个百分点，而纬向伸长率则降低了8.04个百分点。针刺水刺复合PPS滤料由于基布中的经向纱没有受到刺针损伤，伸直度较针刺滤料高，因而经向伸长率比普通针刺滤料低。针刺水刺复合PPS滤料的纬向伸长率降低幅度超过经向，这主要是由于普通针刺滤料在生产中出现的“纬斜”现象所导致的。纤网在进行多道正反面针刺时，不可避免地出现局部拉伸不一致，如断针处由于受到的阻力小而使其行进速度快于正常处，因而所受到的牵伸力就不同，并且相邻针刺机之间也会产生纵向拉力，最终导致基布中的纬纱出现不同程度的倾斜。而在针刺水刺复合滤料制作过程中出现纬斜现象的程度小于普通针刺滤料，因此其纬向伸长率降低幅度较大。

3 结论

针刺水刺复合PPS滤料融合了针刺工艺和水刺工艺各自的优点，又克服了两种工艺各自的缺点。

(1)同样达到烟尘过滤性能的要求，针刺和水刺复合工艺制得的PPS滤料与普通针刺PPS滤料相比，面密度可降低50 g/m2，原材料的用量降低10%。

(2)针刺水刺复合滤料可实现更低的微孔直径，从而使滤料具有更高的过滤效率和过滤精度。

(3)针刺水刺复合PPS滤料的基布和纤维受到损伤较小，经纬向强力大大超过普通针刺PPS滤料。

(4)经过水刺工艺对滤料表面进行整理后，能有效提高滤料表面平整性，从而使针刺水刺复合滤料具有透气量较小且均匀的特点。

目前，滤料市场上能生产针刺水刺复合PPS滤料的企业很少，产品仍处于前期小试阶段，但针刺水刺工艺复合PPS滤料凭借着出色的性能优势和成本优势，必能在燃煤电厂的烟气过滤中迅速得到推广应用，具有较好的市场前景。

［1］ 中国环境科学研究院，国电环境保护研究院.GB 13223—2011火电厂大气污染物排放标准［S］.北京:中国环境科学出版社，2011.

［2］ 王桦.聚苯硫醚纤维的发展现状及其应用［J］.产业用纺织品，2007，25(7):1-3.

［3］ 李熙，靳双林.PPS纤维及其在袋式除尘领域的应用［J］.产业用纺织品，2007，25(4):1-4.

［4］ LANG A.水刺技术和PM 2.5级过滤是正确的选择方案吗?［J］.国际纺织导报，2006(11):48-49.

［5］ 吴丽丽，柯勤飞.水刺复合PPS纤维耐高温过滤材料的研究与开发［J］.非织造布，2009(4):24-26.

［6］ 孙亚颇，焦晓宁.聚苯硫醚针刺毡在高温除尘上的应用性能研究［J］.合成纤维，2010(5):6-8.