耐高温针刺滤料中的纤维损伤表征与研究

(东华大学，上海，201620)

随着国家可持续发展战略实施的不断深入，对环境的保护力度越来越大。环保部门对钢铁、有色冶金、水泥等工业部门以及火力发电、垃圾焚烧和沥青搅拌等行业的高温烟气的除尘要求更加严格，排尘浓度标准已由原来的200 mg/m3提高到30～50 mg/m3［1］。

目前袋式除尘技术已能完全满足烟气除尘和稳定可靠运行的需要，在烟气除尘中的应用也越来越广泛，其中滤料是袋式除尘器的关键材料，其性能直接影响袋式除尘器的过滤效果及使用寿命。因此，研发高质量的耐高温滤料具有非常重要的意义［2］。

为了更方便地研究耐高温针刺滤料中纤维的损伤机理，本文提出了新的纤维损伤表征方法并考证了其合理性。基于水溶性维纶在水中的溶解性能，将芳纶与维纶的混合纤维制成纤网，进行针刺，随后溶掉维纶，以此来研究针刺工艺中针刺深度、针刺密度等参数对滤料中芳纶性能的影响，讨论新表征方法的合理性，并为耐高温针刺滤料生产提供参考。

1 纤维损伤的表征

本试验所用滤料是由纤网进行针刺加固制成的。由于刺针的高频往复运动，刺针上的钩刺带着纤维在运动过程中会对纤维造成损伤。这种损伤主要表现在两个方面:一是纤维在钩刺运动过程中在切割外力作用下被完全破坏(或称显性损伤);另一是纤维的弱化(或称隐性损伤)。本试验通过测量单纤维长度的减少来分析和评估纤维的破坏程度，并通过纤维强力的降低来测量纤维的弱化程度［3］。

本文将纤维损伤度(LS)以纤维长度损失度(LC)为主要参考指标纤维强力损失度(LQ)为辅助参考指标。LC和LQ的计算公式如下:

式中:LC——纤维长度损失度(%);

LQ——纤维强力损失度(%)。

2 试验部分

2.1 原材料

本试验使用水溶性维纶和间位芳纶作原材料，其物理性能见表1。

表1 水溶性维纶和间位芳纶物理性能

2.2 仪器与设备

(1)WFC-100针刺机，三角刺针;

(2)BG218型梳理机;

(3)XQ-2纤维强伸度仪，量程20 cN，测试条件为隔距20 mm、拉伸速度20 mm/min;

(4)RY-12000高温染样机，容积24.5 L，最高工作温度140℃;

(5)光学显微镜，电子天平等;

(6)自制起绒布袋，防止混合纤维纤网中的水溶性维纶被溶解掉时芳纶分散到水中，不易收集。

2.3 试验方案

2.3.1 混合纤维比例

通过小样试验发现，当芳纶混合比例超过10%(质量分数)时，不便于在溶解后抽取单根纤维，故本试验采用水溶性维纶和间位芳纶的质量比为 9∶1。

2.3.2 成网方式

根据混合纤维的特点，选择机械成网+交叉铺网方式成网，并用玻纤基布复合混合纤网模拟500 g/m2的针刺间位芳纶耐高温滤料的方案［4］。

2.3.3 针刺工艺参数

(1)本试验设定针刺频率600刺/min、输出速度1.18 m/min，在其他参数不变的情况下进行改变针刺深度的试验，设定针刺深度分别为4、6和8 mm。

(2)对每一组针刺深度，分别进行6次不同针刺密度的试验，针刺密度依次为87.3、174.6、261.9、349.2、436.5 和 523.8 刺/cm2。

3 结果与分析

3.1 纤维长度损失

从图1可以看出，滤料中芳纶的长度损失与针刺工艺中针刺深度及针刺密度存在一定的关系。

图1 针刺深度和针刺密度对纤维长度损失的影响

(1)随着针刺深度的增加，针刺滤料的厚度逐渐减小，纤维的长度损失度呈逐渐上升趋势。这主要是因为针刺深度越大，钩刺动程也越大，对纤维作用的钩刺数增加，受到作用力的纤维数量增大，进而对纤维的剪切拉伸程度提高，纤维的疲劳度增加，机械损伤加大。

如图2所示，试验所用的三角形刺针，同一棱边上相邻钩刺间的距离为6.3 mm。假设纤网厚度为4.0 mm，当针刺深度为4 mm时，有1个钩刺触及到纤维;当针刺深度继续增至6 mm时，有2个钩刺拉伸纤维，且钩刺的动程增大。因此，针刺深度的增加，意味着触及纤维的钩刺数增多，对应的钩刺动程增大，这些都会加剧对芳纶的损伤。根据试验所用的刺针型号可知，当针刺深度大于6.3 mm时，针刺深度每增加2.1 mm，起切割破坏作用的钩刺数增加一个。

图2 针刺深度与纤维损伤关系示意

(2)从图1可以看出，随着针刺密度的增加，纤维长度损失度呈现持续增加的趋势，并有两次大量断裂的关键阶段。以针刺深度4 mm的曲线为例，纤维损失度在开始阶段随针刺密度增大有显著上升，这是因为纤维开始相互锁结，渐渐地不易滑移，纤维被钩刺作用，在缺陷处开始大量断裂，曲线呈现急速上升的趋势;随着针刺密度继续增加，滤料相互锁结，不易滑移，纤维疲劳增加，纤维拉伸伸长，在250～350刺/cm2区段经历了一个短暂的塑性积累和弹性伸长被锁结的过程;当针刺密度超过350刺/cm2后塑性积累和弹性伸长过程完成，纤维不能对钩刺的冲击进行有效的避让，随着针刺密度进一步加大，纤维开始大面积损伤断裂，曲线又一次进入急速上升阶段。

3.2 纤维强力损失

从图3可以看出，在三种不同针刺深度的情况下，纤维强力与针刺密度的关系曲线整体趋势大致相同。以针刺深度为4 mm时的纤维强力变化曲线为例，纤维强力随着针刺密度的变化呈现下降→上升→下降的波动趋势。第一次强力下降是因为在前道针刺时，纤网松散，纤维还未锁结，钩刺对纤维作用时纤维能够滑移，刺针对纤维的作用以纤维转移为主，但纤维由于受到剪切冲击作用，损伤会增多，造成检测到的纤维强力逐渐降低。

图3 针刺深度和针刺密度对纤维拉伸强力的影响

随着纤网的紧密度增加，纤维相互锁结。假设纤维因相互缠结而滑移困难，针刺加固时纤维会受到拉伸应力作用，有些质量不好的纤维、本身有缺陷的纤维或遭钩刺损伤的纤维会从缺陷处断裂，所以理论上滤料在生产中不存在大量的“藕断丝连”和“千疮百孔”现象。图4是针刺前和针刺后(针刺密度611.1刺/cm2)纤网的纤维结构。从图4中不容易发现两者有明显的差异，因此最直观地判断纤维受损情况的方法还是观察纤维长度的变化。

图4 纤网中的纤维结构

强力拉伸曲线中的上升阶段是由于试验中检测的有些纤维在针刺过程中已经从缺陷处断裂过，根据纤维弱节拉伸断裂的力学特征，弱节减少导致检测的纤维强力有上升趋势，甚至有些比针刺前的纤维强力更大。第二次强力下降是因为当纤网中的纤维被锁结而不易滑移时，纤维要不断承受加负荷、减负荷的反复循环针刺，纤维疲劳度增加，塑性积累，纤维的切割破坏逐渐显现，纤维出现新的缺陷或断裂，所以纤维的拉伸强力又会降低。

3.3 纤维伸长率

针刺深度和针刺密度对纤维伸长率的影响见图5。

图5 针刺深度和针刺密度对纤维伸长率的影响

由图5可以看出，纤维的断裂伸长与针刺深度和针刺密度关系更为复杂，且在三种不同针刺深度的情况下，不同针刺密度的样品所测得的纤维最大断裂伸长率却是非常接近，即伸长率曲线的最高点相差无几。因此，纤维的断裂伸长率也不宜作为纤维损伤的表征。

从纤维长度损失、纤维强力损失和纤维伸长率变化的分析可以得知，通过测量纤维针刺前后的长度的减少量来分析纤维的损伤程度更为直观，曲线变化趋势明显，是表征耐高温针刺滤料中纤维损伤程度的一种比较适宜的可实际应用的方法。

4 结论

(1)通过测量纤维针刺前后长度的减少量可以直观地分析纤维的损伤程度，曲线变化趋势明显，是表征耐高温针刺滤料中纤维损伤程度的一种比较适宜的可实际应用的方法。

(2)针刺过程中纤维长度损失度与针刺深度和针刺密度的关系是:当针刺密度一定时，纤维的长度损失度随着针刺深度的增大而增大;当针刺深度一定时，纤维的长度损失度随着针刺密度的增大而增大。

(3)通过拉伸断裂方式检测的纤维强力损失度在针刺工艺中存在不可比性，只能作为纤维损伤程度的辅助参考量;纤维的断裂伸长与针刺深度和针刺密度关系更为复杂，且在不同针刺深度和不同针刺密度条件下制得样品的纤维最大断裂伸长率非常接近，也不宜作为纤维损伤的表征。

［1］ 赵欣华，梁东.黑龙江电力［J］.布袋除尘器技术在火电厂锅炉烟气除尘的应用，2005，27(2):154-157.

［2］ 冯胜山，许顺红.高温废气过滤除尘技术研究进展［J］.工业安全与环保，2009(1):6-8.

［3］ 贺福敏.纤维损伤与梳理工艺措施［J］.辽宁学院学报，2005(3):47-50.

［4］ 柯勤飞，靳向煜.非织造学［M］.上海:东华大学出版社，2004:86-87.