新型高精度聚酰亚胺水刺滤料的研究

蔡伟龙，李彪，王巍

（厦门三维丝环保股份有限公司，福建 厦门 361101）

新型高精度聚酰亚胺水刺滤料的研究

蔡伟龙，李彪，王巍

（厦门三维丝环保股份有限公司，福建 厦门 361101）

在针刺聚酰亚胺滤料研究基础上，引入新型水刺工艺，制备水刺聚酰亚胺滤料。通过孔径分析、阻力特性和过滤性能等试验，对针刺法制备的新型聚酰亚胺滤料与水刺法制备的聚酰亚胺滤料进行对比，结果显示，新型水刺聚酰亚胺滤料微孔集中在更小孔径范围内，具有更低的运行阻力、更长的清灰周期及更高的粉尘排放精度。

聚酰亚胺；水刺；高精度过滤；滤料

前言

近年来，我国各大城市雾霾天数大幅增加，空气中粉尘等污染物的治理已被提上了日程。水泥行业的粉尘排放是空气中粉尘污染物的主要贡献者之一，国家对水泥行业的粉尘限额排放要求也逐级趋严。《水泥工艺污染物排放标准》（GB4915-2004）要求窑尾烟尘排放浓度≤50mg/m3，而近两年颁布的《水泥工艺污染物排放标准》（GB4915-2013）已要求窑尾烟尘排放浓度≤30mg/m3。该标准已接近甚至已超过欧美发达国家的排放要求。

鉴于我国水泥行业的体量大，在“十三五”或“十四五”期间，该标准很可能会进一步提高，这就要求水泥行业对粉尘排放技术也要进一步趋严。袋式或者电袋复合除尘器是解决窑尾烟尘达标排放的主要手段之一，而滤袋是袋式除尘器的“核心”部件，其是否能进行高精度除尘并拥有较低的运行阻力、较长的使用寿命，很大程度上决定了除尘器的性能的优劣。针刺聚酰亚胺（下称：PI）材质滤料是水泥窑现今最常用的滤料之一[1]，在此基础上进一步开发了新型水刺PI滤料。

1 试验

1.1 滤料制备

针刺PI滤料：纤维经开松梳理，铺成纤网，经预针刺作用后进入复刺主刺，再经烘干后整理处理成成品。

水刺PI滤料：纤维经开松梳理，铺成纤网，经预针刺作用后进入水刺，水刺机的高压“水针”对预刺后的纤网进行固结，再经烘干后整理处理成成品。

1.2 试验设备及仪器

OerlikonNeumag针刺生产线、Fleissner高压水刺机AquaJet 4-2600-5、孔径分析仪、FILTE-q公司VDI。

1.3 滤料性能评估试验

1.3.1 微孔分析

利用孔径分析仪，依据泡压滤速原理对滤料进行孔径测试。

1.3.2 VDI过滤性能试验

采用VDI仪器，依据《袋式除尘器技术要求》（GB/T 6719-2009）[2]中的滤料过滤性能检测对滤料进行过滤性能分析。

2 试验结果与讨论

2.1 PI纤维

PI纤维简称PI纤维，是主链上含有PI环的一类聚合物，其芳香结构的稳定性，使PI纤维材料具有优异的性能。PI纤维的极限氧指数（LOI）高达38%，极限氧指数是指聚合物在氧气和氮气混合气体中当刚能支撑其燃烧时氧气的体积分数浓度，是表征材料燃烧行为的指数。由PI纤维制成的滤料可在240℃以下连续使用，瞬时使用温度可达260℃。

2.2 针刺成型工艺与水刺成型工艺

2.2.1 针刺缠结机理

纤维经预针刺作用后进入主针刺，主针刺连续分布了多道上下针板，上下针板对进入内部的纤网层进行高频率的上针刺与下针刺，从而对布料进行加固。当纤网层进入主针刺内，钢针利用勾刺将纤维带入纤网层内部，经上下针板等连续多道针板的作用，纤维最终被固结。主针板的钢针头部区域带勾刺，在高频率条件上下振动，易与纤维发生刚性作用使纤维受损伤。

2.2.2 水刺缠结机理

水经加压后再经过水针板形成高压“水针”，预刺后的纤网层进入到水刺区后，高压“水针”带动纤网层的纤维穿过纤网层，穿过纤网层的“水针”射到托网帘后，形成不同方向的反射作用，对纤网层起到类似“勾刺”作用。经过多道高压“水针”的正反面缠结，纤网层的纤维最终被缠结。因高压“水针”与纤维之间的作用是柔性的，所以水刺成型对纤维的损失远小于针刺成型的滤料。

2.3 孔径分析

以针刺为主刺的滤料，一般钢针都是毫米级，刺针将纤维带入纤网后再从纤网出来，经固结后的滤料会有一定的针孔。而水刺技术中所用水针孔一般是100μm、120μm、140μm[3]，远小于针刺技术用刺针的大小，且针孔孔密度为10～30孔/cm大于针刺刺针的密度，故以水刺技术为主刺对纤网中的纤维缠结得更密实，针孔远比针刺的小。

由图1可看出针刺PI滤料存有部分孔径大于50μm的微孔，而水刺PI则没有；针刺PI在30～50μm的微孔数量是水刺PI的3～4倍，水刺PI的微孔主要分布在30μm以下，其中10～30μm的微孔占比接近60%，10μm以下的微孔达35%左右；相对针刺PI滤料，孔径小且集中度高，可以推测其具有更高的过滤精度。

图1 针刺PI与水刺PI孔径分布对比

滤料的过滤主要依靠粉饼层进行过滤，粉饼层又可分为一次粉饼层与二次粉饼层，一次粉饼层是粉尘进入滤料表层，与滤料一起形成的过滤层，二次粉饼层是粉尘被滤料截留在滤料迎尘面表面形成的。一次粉饼层的形成与滤料本身的材质有关系，也与滤料表面微孔分布及微孔大小密切联系。一般微孔孔径较小的滤料形成的一次粉饼层对粉尘拦截效果更佳。在清灰后的瞬间，滤料迎尘面表面的粉饼层还未来得及生成，又或者面对能穿过二次粉饼层的粉尘颗粒，对于这两种情况，滤料与粉尘形成的一次粉饼层的性能就起到决定性作用。滤料对于粉尘的捕集机理是依靠滤料的纤维或粉饼层对粉尘颗粒进行截留、惯性碰撞、扩散及重力作用等将粉尘拦截，从宏观表现上看，主要是“筛分”原理，“筛分”粉尘的微孔依靠滤料表面形成的粉饼层，及粉尘与滤料之间形成的一次粉尘层，而一次粉尘层的质量是与滤料的微孔性能相关，故滤料的孔径大小及孔径分布对滤料拦截粉尘的能力就显得十分重要。

2.4 过滤性能测试

对滤料的过滤性能检测过程中，体现滤料性能最主要的是老化阶段及经过老化后的对滤料进行定压喷吹的模拟。模拟过滤性能检测，老化过程一般设置间隔5s进行喷吹，共喷吹1万次。在老化过程中，粉尘于极短的时间内在滤料迎尘面表面形成粉饼层，经脉冲喷吹后，迎尘面表面的粉尘层掉落后又再度迅速形成，如此循环。另一方面，滤料在老化过程中不断对粉尘进行过滤，当粉饼层掉落后的时刻，滤料的性能显得尤为重要。性能较差的滤料在此过程中，阻力上升极快，表现在实际工况中，则是进出口压差较大，需进行高频清灰。

定压喷吹的模拟阶段最能体现滤料使用稳定后的性能，此阶段的清灰周期、运行阻力及排放浓度等对滤料在实际工况中的运行都十分具有参考意义。清灰周期越长、运行阻力越低、粉尘排放浓度越低，则表面滤料的过滤性能越好，该滤料在实际工况运行中则越具有经济价值。

2.4.1 滤料的老化过程

如图2所示，水刺PI滤料的起始阻力比针刺滤料的大，主要是水刺PI较密实，透气量较小。在1万次老化过程中，水刺PI滤料与针刺PI滤料的阻力都逐渐上升。在喷吹后期，水刺滤料阻力上升的趋势小于针刺滤料。喷吹6100～6400次时，两者的阻力相近，超过6400次后，水刺PI滤料的阻力已经小于针刺滤料的阻力。

图2 针刺PI与水刺PI老化过程阻力对比

2.4.2 模拟过滤性能检测阶段（最后30次定压喷吹）

如图3所示，定压喷吹30个周期过程中，水刺PI滤料与针刺PI滤料运行阻力趋于平缓，水刺PI滤料在整个过程中运行阻力始终低于针刺滤料50Pa左右，表明水刺PI滤料比针刺PI滤料具有更低的运行阻力。

图3 针刺PI与水刺PI阻力对比

如图4所示，定压喷吹30个周期过程中，水刺PI滤料与针刺PI滤料清灰周期也趋于平缓，水刺PI滤料在整个过程中的清灰周期始终比针刺滤料多200s左右，表明水刺PI滤料比针刺PI滤料具有更长的运行周期，即在运行相同的时间内，水刺PI滤料的清灰次数会远低于针刺PI滤料。

图4 针刺PI与水刺PI清灰周期对比

如图5所示，运行30个周期后，水刺PI滤料的过滤效率为99.9998%，针刺PI滤料的过滤效率为99.9965%，水刺PI滤料的过滤效率比针刺PI滤料高了一个数量级，表明水刺PI滤料在控制粉尘排放方面具有更强的拦截能力。

图5 针刺PI与水刺PI过滤效率对比

3 结论

（1）PI纤维由于良好的机械性能和耐温性能，可在240℃以下连续使用，瞬间运行温度可达280℃，适用于水泥高温烟气粉尘过滤。

（2）水刺PI滤料是依靠高压“水针”对纤维进行柔性缠结，相对于针刺，大大减少了对纤维的损伤。另外，“水针”比钢针细，也没有钢针的勾刺影响，造就了水刺PI滤料孔径分布相对集中，同时也避免了较大孔径的产生。

（3）在老化过程完成后，水刺PI滤料相对于针刺PI滤料的性能优势已完全体现出更低的运行阻力、更高的运行周期、更高的过滤效率。

（4）水刺PI滤料能够满足水泥行业的粉尘高精度过滤，且具有更低的运行成本。

[1] 殷焕荣，李茹雅，等.水泥窑布袋除尘几种常见滤料的性能研究[J].四川建材，2011（8）：23-25.

[2] GB/T 6719-2009袋式除尘器技术要求[S].

[3] 邓文义，沈恒根，苏亚欣.燃烧源PM2.5控制技术研究现状及展望[J].大气污染防治，2013（1）：85-90.

Research on Polyimide Spunlaced Filter Materials with New-type and High Precision

CAI Wei-long, LI Biao, WANG Wei
(Xiamen Savings Environmental Protection Co., Ltd, Fujian Xiamen 361101, China)

Based on the research of acupuncture polyimide filter,a new spunlace technique was introduced to prepare spunlace polyimide filter. The results show that the new spunlace polyimide filter prepared by spunlace method, possesses smaller pore size distribution, lower operating resistance, longer cleaning cycle and higher dust discharge accuracy. However,the polyamide filter prepared by acupuncture method exhibits a decreased filtration performance.

polyimide; spunlace; high precision filtration; filter material

X701 文献标志码：A 文章编号：1006-5377（2017）09-0039-04