聚结滤芯的结构和材料分析

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(1.中国人民解放军总后勤部油料研究所， 北京　102300； 2.中国科学院化学研究所， 工程塑料院重点实验室、北京分子科学国家实验室， 北京　100190)

引言

随着国防领空安全的不断加强和民用航空工业的不断发展，喷气燃料作为飞机的主要能源，对其性能要求也越来越高。喷气燃料除了其本身的理化性能要符合要求外，燃料的洁净度也是一个必须严格控制的指标[1]。保证喷气燃料的洁净度主要通过控制燃料中的污染物含量。燃料中的污染物分为水分和固体杂质。相对于固体杂质，喷气燃料中水污染造成的危害更加严重。水污染会腐蚀发动机部件、滋生微生物细菌、水中的腐蚀性物质会造成元件破坏以及加速燃料氧化等[2-5]。甚至燃料中的水污染含量并不多时，也能造成这一系列的危害。目前喷气燃料主要通过过滤分离器清除其中的水分和固体杂质。过滤分离器是由聚结滤芯和分离滤芯两种搭配组成，通过过滤、聚结和分离的方法保证航空燃料的清洁度，其中聚结滤芯是过滤分离器的核心部分。聚结滤芯的性能好坏对整个过滤分离器的过滤分离效果有很大影响。

1　聚结分离过程

油水的聚结分离就是喷气燃料及其携带的固体颗粒和水分从过滤分离器进口流入聚结滤芯的内部，聚结滤芯兼有过滤固体颗粒和聚结水滴的两种功效，其中固体颗粒被过滤层阻挡在聚结滤芯的内部，实现固、液分离；小水滴被破乳层和聚结层聚结成大水滴后，被分离滤芯阻挡在其外部，依靠重力沉降在底部，实现油、水分离；洁净的喷气燃料经分离滤芯从出口流出。

有效聚结分离过程的简单示意图如图1所示。

(1) 水滴的接近过程。含水的燃料接近聚结材料。此过程可以通过拦截、沉淀、扩散、静电吸引、惯性碰撞和范德华力等方式实现。对于较小水滴，扩散作用为主要影响因素，随着水滴尺寸的增加，扩散作用减弱，拦截作用增强；

(2) 水滴粘附聚结过程。燃料中水滴附着在聚结材料上或已附着在纤维上的水滴上。水滴与聚结纤维接触时，它们之间滞留有油膜，水滴必须从纤维上将油膜置换并使纤维湿润，才能实现水滴在纤维上的粘附过程。粘附聚结过程中除了水滴与纤维之间的润湿粘附，还存在水滴之间的碰撞粘附。通常发生两个或几个水滴间的碰撞聚结时，需要适当的作用力才能实现。作用力小时，水滴之间碰触变形，界面膜不破裂，此时聚结是不能发生的。作用力过大时，界面膜破碎，水滴碰撞后会出现液滴破碎。液滴破碎将会增加乳液稳定性，增大油水分离难度，是最应该避免发生的现象；

(3) 水滴释放脱离过程。增大的水滴聚结到一定尺寸后将从纤维表面释放。水滴碰撞聚集后以水线的形式穿过聚结纤维床，到达纤维床出口表面后在液体曳力的作用下，聚结的大尺寸水滴从聚结床表面脱离释放。

图1　聚结脱水基本过程

2　聚结滤芯结构和材料分析

聚结滤芯一般都为圆柱结构，其示意图如图2所示。从内到外分别是金属网、滤纸过滤层、中心管、纤维层以及脱水棉套等。纤维层的组成主要分为破乳层、内聚结层和外聚结层等，其作用是对燃料中的微量水分进行破乳-聚结，是整个滤芯的核心部分，也是需要重点分析的部分。本研究剖析的聚结滤芯是符合API/IP l581最新检验标准，其截面图如图3所示。从图中可以看出聚结滤芯的纤维层主要由三种不同纤维组成，各层厚度也有明显区别，为了进一步分析滤芯的纤维组成，分别从中心管外层剪下一段滤芯纤维材料，如图4所示。从左到右分别为由中心管开始的从里到外滤芯逐层组成材料的宏观图片，其标号如图4所示。F1、F2和F3层属于滤芯的纤维层，F4层为缠绕网，F5层为无纺布纤维层，F6层是脱水棉套。从图中可以看出3种纤维层的厚度从里到外逐渐增加，F1和F3层纤维为黄色，F2层纤维为淡黄色。

1.金属网　2.中心管　3.脱水棉套　4.外聚结尾 5.内聚结尾　6.破乳层　7.过滤层图2　聚结滤芯结构示意图

图3　聚结滤芯的截面图

图4　聚结滤芯的各层材料宏观图片

2.1　纤维丝直径

纤维直径的大小是影响聚结分离效率的主要因素。纤维丝径越小，孔径越小，接触面积就越大，水滴附着在纤维上的几率也就越大，但纤维过细或孔径过小会导致液体流动阻力加强，压差增大，缩短了滤芯使用寿命。采用Hitachi S-4800扫描电子显微镜对不同纤维层试样进行了形貌观察。图5～图7分别为F1、F2和F3纤维层的扫描图片。从图5～图7中可以看出F1、F2和F3纤维层的直径变化是粗—细—粗。从图5可以看出F1层纤维上均匀沉积着纳米颗粒，颗粒大小较一致，在200 nm左右，该层纤维在聚结分离过程中的作用为破乳，纤维表面的颗粒物质可能利于油中水滴的破乳过程。F2层纤维直径明显减小，属于超细纤维层，该层纤维兼具破乳和聚结作用。从图7中可以看出F3层纤维表面较光滑平整，而且F3纤维层较厚，该层纤维应属于聚结纤维层。

图5　F1纤维层SEM图片

图6　F2纤维层SEM图片

图7　F3纤维层SEM图片

2.2　材料成分

采用红外光谱仪对聚结滤芯中F1、F2和F3纤维层成分进行了分析，各层纤维红外光谱结果如图8所示。 通过和标准光谱对比， 得出这三种纤维都是玻璃纤维。 从图4中可以看出3种玻璃纤维的颜色不同，黄色玻璃纤维中可能存在较多的粘结剂。

图8　不同纤维层红外光谱图

2.3　接触角分析

纤维的表面性能也是影响滤芯聚结分离效果的重要因素之一。采用接触角测试仪分别对3种纤维的两侧接触角进行了测试，测试结果如表1所示。表中纤维内侧表示靠近中心管一侧， 外侧表示远离中心管一层。从测试结果可以看出，聚结滤芯中的三种玻璃纤维表面都表现为疏水性能，为单一疏水性结构。

表1　各纤维层表面接触角　单位：度

3　讨论分析

3.1　结构分析

结合宏观截面图和SEM微观扫描图结果，表2给出了聚结滤芯的主要结构参数。从表中可以看出F1层纤维厚度很薄，纤维直径是三种纤维中最粗的，约为10 μm，这层纤维位于最靠近中心管位置，属于破乳层。F2层纤维平均直径约为1.5 μm，层厚在3 mm，这层纤维也是破乳层， 同时也兼具了一定的初步聚结效果。F3层纤维直径和厚度进一步增大，分别为5 μm和5 mm，该层纤维的主要作用是聚结水滴， 在聚结滤芯设计过程中聚结层纤维要具有一定厚度，否则在液体快速流过聚结滤芯时，水滴有可能来不及聚结成大尺寸的液滴，而随液体流过了滤芯，那么将大大降低聚结滤芯的分离效率。

表2　聚结滤芯主要结构参数

3.2　材料分析

通过前面的研究结果可以得出聚结滤芯主要通过不同直径和厚度的玻璃纤维层组合达到破乳和聚结的作用。大多数研究表明[6-8]，破乳层的纤维直径越细，比表面越大，能促进破乳效果。在以往国内外的聚结滤芯设计中也都是将类似于F2层的超细纤维作为破乳层，紧靠中心管缠绕。因此为了了解本研究剖析的聚结滤芯在靠近中心管位置先缠绕1层粗纤维层的原因，对F1层的纤维材料做了进一步分析。

如图9所示，从F1层纤维高倍SEM图中(图5b)可以看出这层纤维表面沉积了大量的纳米颗粒，通过对纳米颗粒进行EDS能谱分析得出这些纳米颗粒主要成分和玻璃纤维类似，主要也是二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化钠等。Shin课题组[9,10]研究了在玻璃纤维中加入纳米聚苯乙烯纤维，研究指出纳米纤维的加入提高了捕获效率，但是也引起了压差的增大，因此纳米纤维的含量不是越高越好。由此推测F1层纤维在聚结滤芯中为破乳层纤维，其纤维表面上的纳米颗粒在改善破乳效果方面和添加纳米纤维的作用一样，纤维上均匀的纳米颗粒增大了纤维的比表面积，在油水混合物流经纤维层时，突起的纳米颗粒可以增加捕获水滴的几率。此外沉积纳米颗粒和添加纳米纤维不同是：加入纳米纤维时纤维层的孔径明显减小，因此导致液体通过纤维层时阻力会明显增大；而在纤维上沉积纳米颗粒时，对纤维层孔径的减小并不明显，对压差增大的影响也就能相应减小。Park[11]等人利用化学气相沉积法在玻璃纤维表面沉积碳纳米管，将这种玻璃纤维作为空气过滤材料，实验结果显示，碳纳米管的沉积有效地提高了滤芯过滤纳米和微米颗粒的效果， 而压差并没有增大。虽然目前没有具体文献研究过这种表面沉积纳米颗粒的玻璃纤维作为油水分离材料时对聚结分离效率的影响，但可以推论，这种在表面沉积纳米颗粒的纤维材料应该可以作为新型有效聚结滤芯破乳层材料，对此结论后续还将做进一步的验证。

图9　F1层纤维上颗粒EDS能谱图

4　结论

聚结滤芯是过滤分离器实现对喷气燃料脱水的关键，聚结滤芯的结构和材料组成是影响其性能的主要因素。本研究剖析的聚结滤芯主要是由不同直径和厚度的玻璃纤维层构成，功能分为破乳层和聚结层，从破乳层到聚结层玻璃纤维直径变化是粗—细—粗，厚度是逐渐增加。其中破乳层采用沉积纳米颗粒的玻璃纤维，这为聚结滤芯材料的选择提供了新的思路。

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