非织造耐高温过滤材料的研究进展

曾月宁，赵晓明

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)



非织造耐高温过滤材料的研究进展

曾月宁，赵晓明

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)

因非织造材料本身具有特殊的多向立体微细弯曲孔道和高孔隙率结构非常适合加工制备滤料。对耐高温滤料中芳纶、聚四氟乙烯、聚苯硫醚、玄武岩、芳砜纶、聚噁二唑、聚酰亚胺和玻璃纤维等八种材料进行简单介绍，重点介绍和分析了针刺和水刺两种滤料加工工艺。

耐高温滤料针刺水刺滤料加工方式

0　前言

过滤就是分离、捕集分散于气体或液体中的颗粒状物质的一个动态过程。过滤材料因其具有较大的内表面和适当的空隙，使之有能力捕获和吸附固体颗粒，并将其从混合物中分离出来[1]。非织造材料一般是应用于过滤材料的较好选择，其主体是由纤维与纤维间互相构成的网状结构，因纤维弯曲使其具有弯曲孔道。同时，纤维与纤维交叉使其有较高的孔隙率。通过纤维原料的选择和加工方式的不同及后整理可以获得不同孔隙率和孔径的材料，这些是制备过滤材料的较理想方法。

过滤材料按其使用温度分有常温过滤材料、高温过滤材料和超高温过滤材料。常温过滤材料多见于天然纤维或合成纤维，超高温过滤材料多采用无机纤维[2]，研究比较多的耐高温纤维，包括芳纶、聚苯硫醚(PPS)、聚四氟乙烯(PTFE)、玻璃纤维、聚酰亚胺(P84)、芳砜纶和玄武岩纤维等[3-6]。

1　耐高温过滤材料用纤维

PTFE纤维，由由PTFE树脂为原料经纺丝或制成薄膜后切割制得的或原纤化后而制得的一种合成纤维。其断裂强度为17.7-18.5 CN/dtex，断裂伸长率为25-50%，氟原子体积较氢原子大，氟碳键的结合力强，使纤维具有优良的化学稳定性。PTFE使用温度很广泛，为-180℃-260℃，在-260℃的超低温下仍不会发脆。另外，其在高温下强度保持率高，水解稳定性能好，阻燃性好，可耐氧化物及各种酸碱的腐蚀，过滤效率高，清灰性能良好。PTFE过滤材料在应用于脉冲清灰滤袋中时，由于长时间受到高过滤风速及脉冲力的作用，必须能在长时期的工作过程中保持强力和只发生很小的蠕变，但是PTFE抗蠕变性能较差[5]，在滤料的制备和使用过程中应注意这一点。

芳纶纤维是芳香族聚酰胺纤维，是一种非常重要的特种纤维。芳纶纤维有两种，一种是间位芳纶，另一种是对位芳纶。间位芳纶突出的优点是耐热性好、阻燃和耐腐蚀性。其在260℃温度下连续使用1000 h后，强度保持率达65%；在300℃高温下，使用170h仍能保持原强度的50%。其在火焰中难以燃烧，离开火焰后具有自熄性，能耐大多数酸的作用，但长时间和盐酸、硝酸或硫酸接触，强度会有所降低，除不能与强氧化钠长时间接触外，对碱的稳定性较好[7]。但是，其高温尺寸稳定性较差，沸水收缩率为3%，在300℃热空气中的收缩率高达8%[8]。另外，其生产技术长期被国外公司垄断，价格较高。山东烟台泰和新材料股份有限公司在于2008年通过芳纶百吨级试验项目的鉴定，并在2011年实现产业化。

PPS纤维是一种特种塑料纤维，由聚苯硫醚树脂经熔融纺丝制备。其具有较高的稳定性、耐化学腐蚀性和阻燃性，极限氧指数值为34-35，熔点为280℃，可在200-240℃温度下连续使用。其短纤维断裂强度为2.65-3.08CN/dtex，断裂伸长率为25-35%，其针刺毡制品拥有优良的性能，被广泛应用于火力发电、水泥、垃圾焚烧、钢铁冶炼和化工行业的除尘过滤中[9]。

聚酰亚胺醚类均聚纤维强度4～5cN/dtex，伸长率5%～7%，模量10～12GPa，在300℃经100h后强度保持率为50%～70%，极限氧指数44，耐射线好；酮类共聚纤维具有近似中空的异形断面，强度3.8cN/dtex，伸长率32%，模量35cN/dtex，密度1.41g/cm，沸水和250℃收缩率各小于0.5%和1%。 国产聚酰亚胺已具有量产及工业化的前景和能力，其中厦门傲蓝环保设备有限公司的聚酰亚胺滤袋具有优良的耐热、阻燃、抗腐蚀等性能，被广泛应用于沥青搅拌、水泥窑炉、烘干、燃烧煤炉及垃圾焚烧等高温过滤除尘行业[9]。

玄武岩是通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，强度与高强度S玻璃纤维相当，颜色似金色，外观呈光滑的圆柱体，界面呈完整的圆形。其密度和硬度很高，具有优异的耐磨、抗拉性能(拉伸强度是普通钢材的10-15倍)，耐化学腐蚀性强，抗氧化性强。其使用温度一般在-269℃-700℃，在700℃以下的环境工作对于玄武岩纤维及其制品是可以保证使用性能的[4, 10]。然而，玄武岩纤维无卷曲、比重大和脆性的特点决定其不能单独在普通的梳理机上梳理成网，在制备耐高温滤料时，一般将其与各耐高温纤维混纺。王萍等人研究发现，玄武岩纤维与其他耐高温纤维1:1混合，采用气流成网法制备的滤料性能较好[11]。

芳砜纶(聚苯砜对苯二甲酰胺)属于对位芳纶系列，具有很强的的物理机械性能和优良的化学稳定性。芳砜纶在50℃和300℃热空气中处理100h后强度保持率分别为90%和80%，在300℃热空气中的收缩率仅为2%，极限氧指数为33，芳砜纶纤维在火焰中燃烧，不熔融，离开火焰后自熄，纤维基本上不收缩，少有阴燃或余燃现象。芳砜纶耐酸、抗氧化性能较好，经85℃、30%硫酸处理2h及经200℃高温处理200h后用质量浓度17%次氯酸钙溶液处理2h的PSA滤料总体断裂强力保持率在90%以上[3]，芳砜纶分别经80℃、30%浓度的硫酸、盐酸或者硝酸处理后，在硝酸溶液中，纤维强力稍有下降，其余均无显著影响，但经相同条件下的NaOH水溶液处理后，强力有较大损失。由于其优异的性能，芳砜纶是制作滤袋的优良材料，其优良的抗热氧老化的稳定性，在270℃内，能保持良好的尺寸稳定性，以及良好的抗酸性等，使其在焚烧炉过滤中的应用前景非常广阔[8]。

芳香族聚噁二唑(POD)是一种芳杂环(含噁二唑环)结构的耐高温特种高分子材料，具有良好的阻燃、耐腐蚀、热稳定、电绝缘等性能[13]。以聚噁二唑纤维为原料经以针刺加工制成的聚噁二唑滤料具有很好的耐高温性，可连续在250℃以下温度使用。聚噁二唑滤材在使用过程中，粉尘逐渐附着，形成滤饼，使聚噁二唑滤材的平均孔径变小，过滤效果提高，一段时间后达到稳定状态。

聚酰亚胺(P84)纤维纤维强度为4～5cN/dtex，伸长率5%～7%，模量10～12GPa，在300℃经100h后强度保持率为50%～70%，极限氧指数44，耐射线好；酮类共聚纤维具有近似中空的异形断面，强度3.8cN/dtex，伸长率32%，模量35cN/dtex，密度1.41g/cm，沸水和250℃收缩率各小于0.5%和1%。聚酰亚胺纤维具有良好的力学性能、热稳定性和低温稳定性、优异的阻燃性和良好的过滤性能，其还具有优异的化学稳定性和电绝缘性能[26]，是耐高温滤料的一个不错选择。由江苏连云港奥神新材料股份有限公司生产的聚酰亚胺纤维已经在实际中得到应用，其联合东华大学拥有自主知识产权，生产效率高，产品均匀性好。

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。玻璃纤维滤料主要有机织布和针刺毡两大类。玻璃纤维滤料能抵抗大部分酸，但不耐氢氟酸的腐蚀，室温下的强碱及高温下的中等碱性亦将侵蚀玻璃。玻璃纤维具有耐磨性和耐折性差等缺点，在使用过程中需要频繁清灰而影响其使用寿命。国内外专家及企业开发出了玻璃纤维与其他耐高温纤维复合的针刺滤料，这些滤料大大提高了玻璃纤维本身的过滤性能，但生产成本略有增加。国内目前已经研制出了超细玻璃纤维滤料，但其耐腐蚀性能、过滤效率有待进一步研究。

2　耐高温滤料加工方式

2.1针刺

针刺是加固纤维网的一种常用机械方式，将通过梳理成网或气流成网的纤维网(或在纤维网的中间加基布以提高强力)，经过针刺形成上下勾连、具有三维结构的滤料。由针刺制得的纤维毡为三维立体结构，所以具有较高的过滤效率和透气性。同时，因纤维毡阻力低，过滤过程中阻力就增长缓慢。经过一定后整理后，纤维毡具有更高的捕集效率。同时，清灰能力也得到提高，得以广泛应用，成为目前袋式除尘器滤料的主流[12]。

张再兴等人将平纹机织布基层夹在纤维网中间，经针刺加固制备聚噁二唑耐高温滤料。并对其热性能、受热形变性能、耐腐蚀性能以及孔径分布和过滤性能进行研究。结果发现，制备的滤料具有很高的拉伸强度，经热处理后，纤维表面不变形，在滤材中，纤维分布集中[13]。李兵涛等人将以PI机织布为中间层，两侧为PI纤维网经针刺加固制得的滤料为基体，经以聚四氟乙烯乳液与环氧树脂为主的耐高温水解整理液进行整理，再经预烘焙后，制得耐高温水解的PI过滤材料。整理后的滤料强度有所提高，但是不太明显。经过后整理的PI 过滤材料，纤维表面形成了一层含氟整理剂，形成保护层可以保护PI纤维，使PI纤维在高温高湿下不易水解，并使过滤材料具有拒水拒油的性能[14]。

王锦等人将芳砜纶经梳理、铺网和针刺工艺制备成纤维毡过滤材料，并注重研究了其尺寸稳定性和机械性能。芳砜纶纤维毡经过200h、250℃高温处理后，纵向收缩率不超过0.25%，横向收缩不超过0.32%，且其纵横向清理功能都有明显提高，随着断裂强力的提高，断裂伸长率总体呈现下降的趋势[15]。

余鹏程对玄武岩/PPS针刺热轧复合滤料各项基本性能进行分析。结果表明：1)通过添加PPS纤维，经由共混制备的复合滤料中，纤维与纤维和纤维与基材间的缠结增加。滤料的纵横向断裂强力有明显提高。2)随着PPS在共混纤维中的重量百分比增加，玄武岩/PPS针刺复合滤料的孔隙率降低，孔径分布趋于集中、均匀，从而使复合滤料的透气量呈明显下降趋势。3)通过添加PPS纤维，针刺复合滤料对多种孔径的颗粒过滤效率都得到有效提高，对粒径10.0微米以上的颗粒过滤效率可达到93.47%[4]。

王玉欣分析了耐高温针刺过滤材料玻璃纤维基布损伤机理，发现：随着针刺深度和针刺密度的增加，基布清理损伤就越来越严重，前道针刺试样透气率与基布的结构的稀疏有很大关系。针刺道数变多时，针刺对表层纤维网影响较大，表层纤维网结构越来越紧密，试样的透气率基本不受基布的影响。当刺针针刺排列方向与布进方向的夹角为45°或者150°时，材料强力保持率最高。且该夹角对针刺材料的横向强力影响较大，对纵向基布清理保持率影响较小，经过正反二道针刺后，基布强力保持在73%左右[16]。

针刺较适合于厚度较大、面密度为200g/m2的非织造布的加固。为了使制品的纤维间结合紧密、牢度高，目前都是采用针刺方式应用于滤料制造领域。但是，由于针刺机上带钩的磁针会带动纤维网进行缠结，大量切断的纤维和长丝，对基布形成不可避免的损伤，使滤料机械强度下降，从而使滤袋寿命下降。

2.2水刺

由于存在针刺对滤料损伤较严重的不足，研究人员开始研究水刺工艺制备滤料，与针刺相比，水针对纤维和基布损伤较小。采用水刺工艺加工过滤材料，水针穿透纤维网和基布后，在转鼓表面形成反弹，在水针直接作用和反射水针的双重作用下，表面更致密，能提升过滤效果[17, 18]。

王萍选择玄武岩纤维与芳纶1313混纺比为50/50，采用气流成网，水刺加固的方式制备耐高温滤料。发现，因水刺压强的增大，纤维与纤维缠结就越紧密，造成纤维网的透气性、孔隙率降低。使孔径变小，过滤效果提高。然而，随着水压的继续增大，纤维会发生断裂及解缠现象，出现较大孔隙，透气率增大[17]。张强以PTFE平纹织物为基布，与PPS纤维网进行复合，经水刺加固制备耐高温滤料。研究发现：在一定范围内，滤料的体积密度随着水剌压力的增加而增加；滤料的透气率、平均孔径随面密度的增加而下降，随水刺压力的增加而下降；滤料的断裂强力随面密度的增加而增加，与PTFE基布复合的滤料随水剌压力的增加而下降，相同条件下不与基布复合的滤料断裂强力更高[19]。

翁美玲将PPS/PTFE纤网用水刺工艺覆盖在经过预针刺“夹心层”结构的PPS纤网上，制得复合水刺滤料。通过实验得出该新型滤料对粒径为10微米以下的颗粒物过滤效率达到了90%以上，除尘效率较高。实验测得，PPS/PTFE复合平均孔径为8.08微米，最大孔径为8.14微米，且孔径分布均匀、密集，是一种优良的过滤材料[18]。

王璐研究和分析了芳纶水刺布在高温条件下和酸碱腐蚀条件下的纤维网表观结构、尺寸稳定、孔隙特征、力学性能等方面。发现：高温处理后芳纶水刺非织造布表面略显疏松，但并无纤维结构变化；酸碱溶液浓度低时，表观结构变化不大，随着浓度的增加，试样纤维开始出现裂痕，纤维分布不再均匀[20]。

与针刺工艺相比，水刺工艺对纤维损伤相对较小，制得的纤维毡表面没有针孔，且表面致密光滑，过滤效果好。然而，水刺一般适用于厚度和面密度不大的非织造布，而耐高温滤料单位面积质量一般较大，纤维层较厚，若直接进行水刺加工，加固性能不佳，容易分层，造成水源和能源的浪费，一般做法是在水刺前先预针刺。在经过多道水刺及后整理，以获得较好的非织造纤维毡。目前通过水刺工艺制备耐高温滤料还处在起始阶段，还不能通过单一的水刺工艺制备耐高温滤料。

2.3其他加工方式

鲍稳采用纺粘法制备PPS过滤材料，利用毛细管流动孔隙测量仪和滤料综合性能测试仪对不同计量泵转数、牵伸气流强度和铺网速度下制备的试样过滤性能研究结果表明：随计量泵转速的增加，过滤效率和平均孔径无变化规律；随气流牵伸强度的增加，过滤效率增加，平均孔径呈现出减小的趋势；随着铺网速度的增加，对5μm以下微粒的过滤效率减小，对10μm以上微粒的过滤效率均比较高，但无变化规律，平均孔径呈现增大的趋势[21]。纺粘法仅适合可熔融的聚合物制备耐高温滤料，而对于如玄武岩纤维和玻璃纤维等的加工不适合。

刘华等人以芳砜纶为原料，在芳砜纶机织格栅上复合静电纺芳砜纶纳米纤维，获得增强三维复合过滤材料。所制备的复合滤料具有优良的力学性能，其孔隙的平均直径为1164±242nm，对直径0.5μm一下的粒子达到85%以上的过滤效率[22]。王成等人以N，N-二甲基乙酰胺/氯化锂( DMAc /LiCl) 为溶剂溶解间位芳纶纤维，使用高压静电纺丝技术制备出直径范围为100-500 nm 的芳纶纳米纤维毡，与聚苯硫醚( PPS) 针刺非织造材料复合后形成高温超过滤材料。芳纶纳米纤维毡具有良好的强度和耐高温性能，复合纤维滤料对粒径在0. 1- 0. 6 μm之间的超微粒子的过滤效率达到99. 9%，明显高于普通PPS 非织造滤料的过滤效率( 70%) ，但PPS/纳米芳纶复合高温超过滤非织造布的压降会随着芳纶纳米纤维膜厚度的增加而迅速下降，这是由于芳纶纳米纤维膜中纤维尺寸和孔径较小，才导致过滤时阻力明显增加[2]。静电纺法制备的纳米纤维膜过滤效率确实很高，但是目前受静电纺丝技术发展的限制还不能实现产业化生产，距实际应用还有一段距离。

3　耐高温滤料后整理

后整理是制备耐高温过滤材料工艺中非常重要的一环，它包括轧光、热定型、乳液浸渍、烧毛、涂层等工艺。后整理技术可以保护滤料布免于遭受气体的污染、粉尘和机械磨损，对过滤效率的提高有很大的帮助，还可以改善清灰性能。

黄学亮为了提高针刺滤料的空气过滤效率，在其表面涂覆一层含有PTFE乳液和有机硅改性丙烯酸酯等构成的泡沫涂层，进行精细化处理。与普通滤料和覆膜滤料相比，泡沫涂层滤料的过滤效率优于普通滤料，过滤阻力小于覆膜滤料，在保证一定过滤精度的同时也降低滤料过滤阻力，实现了空气过滤性能的优化[23]。

在高温烟尘净化方面，耐高温滤料在一些工况下会发生水汽冷凝现象，在一些工况中还存在油性物质。无论是水还是油性物质会引起滤料板结，造成清灰困难。所以有必要对滤料进行拒水拒油处理。金平良选用P84、芳香族聚酰胺、PPS纤维，通过预针刺的缠结和水刺加固工艺将原料纤维加工成多孔高强低伸长的耐高温滤料，水刺加固工艺中产生的褶皱有利于拒水拒油整理后产生荷叶效应；而后经PTFE乳液浸轧整理，得到拒水等级8级、拒油等级7级和淋水等级4级的滤料[24]。

余琴等人将纳米SiO2/PTFE复合整理液应用于PPS 非织造材料后整理，能有效改善PPS 非织造材料的耐磨性，减小其孔径，并提高过滤效率。可以通过调节二氧化硅含量来控制滤料的耐磨性和孔径的变化[25]。

4　结束语

在社会和工业不断发展过程中，传统耐高温滤料已经越来越不能满足市场的需求，因此需要广大科技工作者在现有材料的性能改善、新材料的研发和新的加工技术开发方面做出不断的努力。

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1008-5580(2016)03-0136-05

2015-05-08

国家自然科学基金项目(51206122)

曾月宁(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：非织造耐高温过滤材料的制备。

赵晓明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生导师。

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