纳米发泡整理对芳纶过滤材料性能的影响

缪 特， 张如全,2， 冯 阳

(1. 武汉纺织大学 纺织科学与工程学院， 湖北 武汉 430200； 2. 武汉纺织大学 纺织纤维及制品教育部重点实验室， 湖北 武汉 430200； 3. 江苏奥凯环境技术有限公司， 江苏 靖江 214500)

随着工业化进程的不断加快，火力发电厂、垃圾焚烧及工厂烟囱排放废气等高污染烟尘带来了巨大的经济损失，同时严重危害人们身体健康[1]。芳纶过滤材料具有质量轻、高模高强、耐高温、耐酸碱性、绝缘性、抗老化性能好、使用寿命长等[2-3]优点，广泛应用于高温烟气过滤领域。

目前，从工业生产及环境保护出发，均对过滤材料的各方面性能有较高的要求，过滤材料的后整理工艺能较好地提高其使用性能和过滤效率。蔡伟龙等[4]采用聚四氟乙烯泡沫涂层方法，对聚酰亚胺/聚四氟乙烯复合过滤材料进行涂层，改善了过滤材料的耐酸碱性及尺寸稳定性；余琴等[5]对聚苯硫醚过滤材料进行纳米二氧化硅/聚四氟乙烯(SiO2/PTFE)乳液浸渍整理，改善了过滤材料的耐磨性及过滤效率；周冠辰等[6]通过对玄武岩/聚苯硫醚复合过滤材料进行聚四氟乙烯(PTFE)乳液浸渍整理，可减小过滤材料的孔径，提高其过滤效率；Park等[7]对玻璃垫进行聚四氟乙烯泡沫涂覆实验，研究发现PTFE可减小玻璃垫的孔径，提高其过滤效率，提高热稳定性。

纳米陶瓷粉因其比表面积大，吸附性强[8]，添加发泡涂层剂后，不仅可提升发泡效果，同时对过滤材料的耐摩擦性、过滤性及清灰性能有一定提升。本文以PTFE乳液为涂层剂主要原料，同时添加定量的发泡剂、稳泡剂、增稠剂以及少量纳米陶瓷粉，将配置好的发泡整理涂层剂均匀涂覆在芳纶过滤材料表面，观察整理前后芳纶过滤材料的耐化学性能、耐高温稳定性、耐磨性、过滤性能及清灰能力等的变化。

1 实验部分

1.1 主要原料

芳纶针刺过滤材料，江苏奥凯环境技术有限公司；聚四氟乙烯乳液(质量分数为60%)，湖北聚氟化工科技有限公司；十二烷基硫酸钠，国药集团化学试剂有限公司；羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素，山东优索化工科技有限公司；有机硅改性丙烯酸酯，湖北新四海化工股份有限公司；远红外陶瓷粉，直径为 5 μm，清远铭仁生物科技有限公司；羟基硅油，济南兴飞隆化工有限公司。

1.2 主要仪器

DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，上海东玺制冷仪器设备有限公司；JJ-1型电动搅拌器，常州博远实验分析仪器厂；JSM-IT300型扫描电子显微镜，日本电子株式会社；LUMOS型红外光谱仪，德国布鲁克公司；MPC-15 KβX型孔径测试仪，宁波纺织仪器厂；SDS-100型接触角测量仪，宁波普瑞思仪器科技；TSI8130型自动滤料测试仪，美国SI公司；YG401C型马丁代尔耐磨起球测试仪、YG461E-I型无纺布透气量测试仪，宁波大禾仪器有限公司)。

1.3 PTFE发泡涂层剂的制备

配制200 g发泡涂层剂：依次称量40 g PTFE乳液，20 g有机硅改性丙烯酸酯及6 g羟基硅油，磁力搅拌至充分混合。然后称取4 g发泡剂十二烷基硫酸钠、3 g稳泡剂羟乙基纤维素和1 g增稠剂羟丙基甲基纤维素，并取126 g去离子水于三颈瓶中，采用机械搅拌器低速搅拌至充分溶解；将配制好的聚四氟乙烯乳液、有机硅改性丙烯酸酯和羟基硅油混合溶液缓缓加入三颈瓶；调节搅拌速度至1 600 r/min，搅拌30 min直至完全发泡，制得PTFE发泡涂层液。

1.4 陶瓷粉发泡剂的配制

配置方法同1.3节，称取一定量的陶瓷粉，置于发泡剂十二烷基硫酸钠、稳泡剂羟乙基纤维素和增稠剂羟丙基甲基纤维素溶液中，将配制的聚四氟乙烯溶液缓缓倒入其中，机械搅拌直至完全发泡，制得陶瓷粉质量分数分别为0.5%、1.0%的2种陶瓷粉发泡涂层剂。

1.5 涂层芳纶过滤材料的制备

取适量配制好的PTFE涂层剂和2种不同质量分数的陶瓷粉发泡涂层剂均匀涂覆在芳纶过滤材料表面，用压辊挤压涂层后的过滤材料，如此反复2次涂层实验，然后以80 ℃温度预烘3 min，将温度调至140 ℃直至涂层的芳纶过滤材料烘干，制得3种涂层后的过滤材料及未整理的芳纶过滤材料。

1.6 涂层前后耐磨性能测试

参照GB/T 6529—2008《纺织品 调湿和试验用标准大气》、GB/T 8170—2008《数值修约规则与极限数值的标示和判定》，将试样裁剪为直径为40 mm的圆形试样，通过调节摩擦次数，测试摩擦前后的质量差[9-10]，以表征样品的耐磨性。

1.7 过滤材料的形貌观察

将4种过滤材料进行镀金处理，采用扫描电子显微镜观察涂层前后表面形貌[12]。

1.8 过滤材料的化学结构测试

采用红外测试仪对4种过滤材料进行红外测试，观察4种过滤材料红外波谱图，扫描范围为4 000～500 cm-1。

1.9 过滤材料接触角测试

在25 ℃条件下，用进样器取适量溶液，旋转进样器针头使水、酸、碱3种液滴垂直滴落在样品上，稳定后按切线拟合测量测试其静态接触角。

1.10 过滤材料透气性能测试

参照ASTMD 737—2018《纺织品透气性的标准试验方法》，ISO 9237—1995《纺织品 织物透气性的测定》，选取面积为25 cm2的试样放入透气量测试仪上，测试整理前后过滤材料的透气性大小[11-12]。

1.11 过滤材料孔径测试

参照GB/T 32361—2015《分离膜孔径测试方法 泡点和平均流量法》，将4种不同整理的过滤材料裁剪为面积为100 cm2的圆形[13]，测得其孔径大小。

1.12 过滤材料过滤效率测试

采用自动滤料测试仪对所有试样进行静态过滤性能测试，样布为直径为15 cm的圆，流量为85 L/min，记录4种过滤材料对6种粒径颗粒(0.3、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 μm)的过滤效率。

2 结果与分析

2.1 耐磨性能分析

不同质量分数纳米陶瓷涂层液处理的芳纶过滤材料耐磨性测试结果如表1所示。可以看出，芳纶纤维其自身耐磨性能就很好，未涂层的芳纶过滤材料被摩擦2 000次后，其质量基本无变化，当摩擦次数达到5 000时，其质量会有少量减少。涂层后的芳纶过滤材料摩擦次数相同时，其质量损失基本相同，且可忽略不计。整体而言，涂层后的芳纶过滤材料其耐磨性能会有提升，且耐磨性能优异。同时纳米陶瓷粉比表面积大，其吸附性能很强，因此可有效提高材料的力学性能和稳定性。

表1 不同摩擦次数时芳纶过滤材料的质量差
Tab.1 Mass difference of aramid filter atdifferent friction timesg

过滤材料0次1 000次2 000次5 000次未涂层5.395.385.365.33PTFE涂层6.516.516.506.500.5%陶瓷粉涂层6.886.886.876.871.0%陶瓷粉涂层6.516.516.506.49

2.2 表面形貌分析

图1为不同涂层剂下芳纶过滤材料的扫描电镜照片。可知，未涂层芳纶过滤材料可很明显地看到纤维之间的缠结，表面孔隙较多；涂层后，纤维表面形成了一层致密的膜状物，有效地减少了纤维间的孔隙；且随着陶瓷粉的加入，发泡液发泡效果会提升，泡沫涂层液更加均匀且稳定，涂层后形成的薄膜效果更优异。

图1 涂层前后芳纶过滤材料扫描电镜照片(×500)Fig.1 SEM images of aramid filter before and after coating(×500).(a)Uncoated aramid filter; (b) PTFE coating; (c) 0.5% ceramic powder coating; (d) 1.0% ceramic powder coating

2.3 化学结构分析

图2 涂层前后芳纶的红外光谱图Fig.2 Infrared specta of aramid filter before and after coating

涂层处理后，芳纶过滤材料在2 918 cm-1处的—CH2—反对称伸缩峰会减弱甚至消失，这是因为涂层后在过滤材料表面形成一层薄膜，削弱了其吸光度。PTFE涂层整理与未涂层过滤材料谱图相比，在1 250 cm-1处出现—CF2—基团的反对称伸缩振动峰，表明聚四氟乙烯乳液涂覆在过滤材料表面。添加陶瓷粉与PTFE涂层整理的过滤材料相比，在1 180 cm-1处出现Si—O伸缩振动吸收峰，在778 cm-1处出现Si—O—Si的弯曲振动吸收峰，说明涂层后陶瓷粉粘附于过滤材料表面。随着陶瓷粉质量分数的增加，过滤材料红外光谱中Si—O伸缩振动吸收峰越强，涂层后过滤材料表面的陶瓷粉含量越多。

2.4 接触角分析

图3～5分别示出4种过滤材料与水、酸、碱的接触角。

图3 不同整理过滤材料拒水接触角Fig.3 Water repellent contact angles of different finishing samples. (a)Uncoated aramid filter; (b) PTFE coating; (c) 0.5% ceramic powder coating; (d) 1.0% ceramic powder coating

图4 不同整理过滤材料的拒酸接触角Fig.4 Acid-repellent contact angles of different finishing samples. (a)Uncoated aramid filter; (b) PTFE coating; (c) 0.5% ceramic powder coating; (d) 1.0% ceramic powder coating

图5 不同整理过滤材料拒碱接触角Fig.5 Alkali-repellent contact angles of different finishing samples. (a)Uncoated aramid filter; (b) PTFE coating; (c) 0.5% ceramic powder coating; (d) 1.0% ceramic powder coating

可知：未涂层芳纶过滤材料的拒水效果比较好，接触角为124.5°，涂层整理后拒水效果有所改善；未涂层芳纶材料基本不拒酸碱，其拒酸接触角为15.6°，拒碱接触角为13.9°，酸碱液滴接触过滤材料后几乎立即渗透进去，PTFE涂层后芳纶过滤材料的酸碱接触角有明显改善，与酸接触角为122.5°，与碱接触角为122.7°，这是因为涂层后在过滤材料表面形成了一层致密的薄膜；添加纳米陶瓷粉后，可提升涂层液发泡效果，使涂层效果更好，进一步提高其拒酸碱性。由于涂层后拒水、拒酸碱性良好，滤袋在使用过程中可有效地减少糊袋，改善其清灰性及使用寿命。

2.5 透气性能分析

表2示出涂层前后芳纶过滤材料透气性。可以看出，芳纶过滤材料经泡沫整理后，透气性较原芳纶过滤材料会有所下降，这是因为泡沫整理是将泡沫涂层液涂覆在芳纶过滤材料表面，泡沫破裂后，整理液均匀地覆盖在过滤布表面形成一层薄膜，使纤维之间的孔隙减少，透气性下降。随着陶瓷粉的添加量增加，过滤材料的透气性会稍微下降，添加纳米陶瓷粉后，其发泡效果更好，涂覆于芳纶过滤布时涂层更加致密，其孔隙会减少，因此，透气性会降低，但可更好地提升其过滤效率。

表2 涂层前后芳纶过滤材料透气性Tab.2 Air permeability of aramid filter before and after coating mm/s

2.6 孔径分析

不同配比涂层液涂覆后的过滤材料其孔径大小如表3所示。可知，芳纶过滤材料平均孔径在23.4 μm左右，这是因为芳纶针刺过滤材料面密度较大，纤维之间相互缠结紧密。涂层后的芳纶过滤材料的孔径会减小，且随着陶瓷粉的质量分数增加，芳纶过滤材料的孔径会逐渐降低，涂层液在芳纶过滤材料表面形成一层致密的薄膜，可有效地减少过滤材料表面的孔径大小。纳米陶瓷粉可改善涂层液发泡效果，随着陶瓷粉的加入其孔径变小。孔径越小，过滤材料对高温气体的过滤效率也越好。

表3 涂层前后孔径测试结果Tab.3 Pore size test results before and after coating μm

2.7 过滤效率分析

图6示出过滤材料对不同粒径颗粒物的过滤效率。可知，对于不同粒径颗粒物，过滤材料过滤效率不同，且过滤效率随颗粒物粒径的增大而提高。当颗粒物粒径在2 μm以上时，涂层后芳纶过滤材料的过滤效率在80%以上；涂层后过滤材料的过滤效率明显比原过滤材料高，在粒径为1 μm时，涂层后过滤材料过滤效率达到60%左右，而原样只有39.1%；在颗粒物直径达到10 μm时，涂层后过滤材料基本达到100%。且随着少量陶瓷粉的加入其过滤效率有一定提升，充分说明了涂层整理可有效提升芳纶过滤材料过滤效率。

图6 过滤材料对不同粒径颗粒物的过滤效率Fig.6 Filtration efficiency of filter materials for particles of different particle sizes

3 结 论

1)未涂层的芳纶过滤材料的面密度低，纤维间距大且分布不均匀，透气性好，平均孔径大，过滤材料的过滤效率相对较低，且易吸收酸碱性液滴，容易造成糊袋。

2)聚四氟乙烯泡沫涂层后，芳纶过滤材料表面形成一层薄膜，可有效提高过滤材料耐磨性，减小孔径，降低透气性并提升过滤性能，且拒酸碱能力提升，有效减少糊袋，便于清灰增加其使用寿命。

3)添加纳米陶瓷粉后可有效提升发泡效果，涂层后形成的薄膜更加致密而稳定。随着陶瓷粉质量分数增加，芳纶过滤材料的耐摩擦性、拒酸碱性、过滤性能都有一定提升。当纳米陶瓷粉质量分数为1.0%时，透气量下降了168.9 mm/s；最大孔径由62.6 μm减小到31.2 μm，平均孔径为12.5 μm；其耐摩擦性优异，摩擦5 000次后过滤材料表面基本无变化，且质量基本不变；对2 μm以上颗粒物过滤效率达到80%以上，对10 μm以上颗粒物过滤效率基本达到100%。

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