高温条件下滤料覆膜牢度特性研究

杨小川 柳静献 吕超 李国栋 朱冕

(东北大学滤料检测中心 沈阳 110004)

0 引言

近二十年来，中国多个地区和城市频频出现大气颗粒物浓度超标，对人们的生产生活造成了严重影响。我国政府先后出台了一系列环保方面的新标准，对火电、水泥、钢铁等高排放企业的高温烟气除尘设备提出了更加严苛的要求。袋式除尘器是控制工业烟尘的主流技术，滤料是其关键材料。覆膜滤料由于其对颗粒物尤其微细粒子的效率高、阻力相对稳定而成为超低排放的首选滤料。覆膜滤料凭借其微孔且无直通孔的特殊结构，只允许气流通过，而把气流中的颗粒污染物截留在PTFE薄膜上，达到表面过滤的效果。覆膜针刺毡滤料是将针刺毡与经过双向抻拉的PTFE薄膜经过胶黏或者高温热压工艺覆合而成的复合针刺毡过滤材料。覆膜滤料的表面过滤与传统滤料的深层过滤相比，不仅过滤效率大大提高，还具有阻力增长慢、易清灰的优点，在工业上得到越来越广泛的应用。

但在实际的使用过程中，覆膜针刺毡滤料迎尘覆膜表面在使用一段时间后会出现滤膜鼓包、破裂以及脱落等现象，这是由于PTFE薄膜与针刺毡滤料的黏结不牢固，并且在高温环境下，PTFE薄膜、基材纤维或粘合剂受热软化进而出现应力松弛，粘附力下降所致。当PTFE薄膜和针刺毡基布存在粘结不牢的现象时，除尘器中的脉冲式反向清灰系统会加速滤膜的脱落过程。近年，国内外学者对于覆膜滤料的覆膜牢度与力学性能有一定研究，但目前研究主要集中在常温状态下滤料的覆膜牢度性能，对高温状态下覆膜滤料的覆膜牢度和力学性能研究有限，高温下覆膜牢度研究尚未见报道。而燃煤电厂、水泥窑炉、钢铁冶炼、垃圾焚烧等场合的烟尘过滤都在高温下进行，覆膜更容易被清灰压气吹掉。

本文通过实验比较5种典型PTFE覆膜针刺毡滤料的覆膜牢度、应力-应变曲线、拉伸弹性模量及其高温保持率，揭示高温对PTFE覆膜针刺毡滤料覆膜牢度以及机械性能的影响，并通过回归分析得到高温状态下覆膜牢度随温度变化的预测曲线，为现场研发具有稳定高温覆膜牢度的PTFE覆膜针刺毡滤料提供实验和理论依据。

1 实验方法

1.1 实验材料

实验选择了4种不同材质的覆膜针刺毡滤料，分别编号为A1、A2、A3、A4；另外一种玻纤布滤料，编号为C。其中，A1为聚四氟乙烯(PTFE)针刺毡，A2为涤纶(PET)针刺毡，A3为涤纶亚克力复合(PET-PMMA)针刺毡，A4为氟美斯复合针刺毡。其中，A1、A2、A3覆膜针刺毡滤料的差异在于纤维的材质，试样A4、C与A1、A2、A3的差异在于覆膜工艺。试样中C是机织玻纤布滤料。以上5种试样材质、加工与覆膜工艺如表1所示。

表1 A1、A2、A3、A4和C1的加工工艺

实验样品为厚度3 mm、直径50 mm的圆片，其具体几何形状如图1所示，试样尺寸为：φ1=25 mm，φ2=50 mm，d=3 mm。其中，φ1为覆膜牢度测试尺寸，φ2为试样总尺寸，d为试样厚度。

(a)俯视图

1.2 实验仪器

实验所用的设备包括：INSTRON高温强力实验机，设备型号为3365，精度等级1级；覆膜牢度夹持仪；BINDER ED240自然对流烘箱。覆膜牢度夹持仪如图2所示。

1—强力机夹具挂钩；2—原型压盘；3—覆膜滤料样品；4—黏在覆膜料上的原型平盘

1.3 实验方法

实验参照T/CAEPI 21—2019《袋式除尘用滤料技术要求》进行。测试开始前，均匀剪取直径为50 mm的A1、A2、A3、A4和C的圆片滤料试样各100个，等分为5组分别在20、70、120、170以及220 ℃的环境下烘烤180 min，取出后室温下冷却，再放置于高温强力试验机在高温下进行拉伸实验。

测试时，在覆膜滤料的不同部位，随机剪取直径为50 mm的圆形试样；把样品夹持在带有下挂钩的圆形夹具中，膜面向上，夹具内径45 mm；剪取直径为25 mm的圆形CROWN-7965双面胶片，下面黏附在滤料样品的覆膜面的中心部位，上面黏附在带有挂钩的圆形平盘上，压紧黏牢；将夹具的上挂钩和下挂钩分别固定在实验机的两端，调整并控制夹具仓室至设定温度，稳定5 min后开始拉伸实验。待试样上的覆膜与针刺毡分离后，停止实验并记录相关数据。

2 实验结果分析

2.1 应力-应变曲线

图3—图7给出了5种材料在20、70、120、170、220 ℃下分别进行拉伸实验所得到的应力-应变曲线。由图3—图7可以看出，A1、A4两种试样的应力-应变曲线规律一致，在相同应变值时其应力值明显高于试样C；而A2、A3两种试样的应力-应变曲线变化规律一致，其应力值明显低于试样C；试样C的应力-应变曲线处于两者之间。这是由于滤料自身材质在热压的过程中与双向拉伸的PTFE薄膜交联程度不同所造成的，在5种工况下5种试样的应力-应变曲线的变化趋势可以分为两种：在开始阶段随着拉伸位移的增大，应力与应变同时增大，但试样A2、A3和C的应力到达峰值后经过一段较为平缓的下降后出现一个断崖式的下降，而试样A1、A4的应力到达峰值后有一个短暂的平稳趋势，随着应变的增加，应力会逐渐减弱。

图3 20 ℃应力-应变曲线

图4 70 ℃应力-应变曲线

图5 120 ℃应力-应变曲线

图6 170 ℃应力-应变曲线

图7 220 ℃应力-应变曲线

2.2 覆膜脱离方式分析

由图3—图7可以看出，试样A1、A2、A3、A4与C的应力-应变曲线下降趋势主要有两种方式：试样A1和A4是随着应变的增加，应力到达峰值后多次呈大幅度断崖式下降，每个小断崖均是小圆盘上部分PTFE薄膜与滤料表面完全脱离造成的；试样A2、A3、C是随着应变的增加，应力到达峰值后迅速下降，但下降速率越来越小，呈现出一个缓坡的趋势，这是由于应力到达峰值后部分纤维黏附在PTFE薄膜上尚未彻底带离针刺毡。两种不同脱离方式的实验图片如图8—图10所示。

图8 实验后小圆盘侧视图

图9 实验后小圆盘正视图

图10 实验后针刺毡滤料正视图

2.3 覆膜牢度

试样从启动实验开始直至覆膜被完全粘下时所受到的最大载荷(单位为牛顿，N)除以圆形平盘的面积s(单位为平方米，m2)，再经过单位换算即可得到PTFE覆膜针刺毡复合滤料的覆膜牢度(单位为兆帕，MPa)，计算公式如式(1)所示。

(1)

式中,σt为覆膜牢度，PMa;ρb为覆膜脱离时的最大载荷，N;d为圆盘直径，mm。

图11为试样的覆膜牢度随着温度变化曲线。由图11可知，在20～70 ℃的温度区间中，A3在20 ℃的覆膜牢度为0.065 35 MPa，在70 ℃环境下覆膜牢度损失程度最大，下降幅度达到18.7%；在同等条件下A1、A2、A4的覆膜牢度分别下降10.3%、3.8%和2.4%，覆膜牢度损失程度相对不大，说明4种经过高温热压覆膜的针刺毡滤料在该温度范围内的交联程度逐渐减弱。在70～220 ℃的温度区间中，A1、A2、A3、A4的覆膜牢度分别从70 ℃的0.095 7、0.048 0、0.052 9、0.097 9 MPa逐步上升到220 ℃的0.102 9、0.054 3、0.079 2、0.101 0 MPa，总涨幅为7.6%、13.3%、38.6%、12.3%。可以看出，试样A3的覆膜牢度波动范围最大，试样A2覆膜牢度波动范围最小。在20～70 ℃的温度区间内，覆膜牢度随着温度的上升而下降，说明在该温度区间内，针刺毡基布与PTFE薄膜之间没有形成新的接触点，温度上升会使PTFE薄膜与针刺毡基布纤维软化，造成薄膜与基布之间的应力松弛，使原有接触点的强度降低，因此覆膜牢度会有所下降。高温是影响针刺毡基布经纬纱黏结的重要因素，在70～220 ℃的温度区间内，随着温度的升高，高温逐渐使PTFE薄膜上的原纤化结构与针刺毡纤维结构熔融，使PTFE薄膜与针刺毡基布接触点的黏结效果越好，覆膜滤料的覆膜牢度也就越高。

图11 覆膜牢度-温度曲线

由图11可以看出，试样A1、A2、A3、A4的覆膜牢度都存在先降低后升高的趋势。而试样C的覆膜牢度随温度的升高并没有明显的变化。在5种温度环境下，A1和A4的覆膜牢度均高于A2与A3，介于0.10 MPa至0.11 MPa之间。而试样C的覆膜牢度则处于相对居中的大小，介于0.8～0.9 MPa之间，小于试样A1与A4，大于试样A2与A3。说明高温热压与胶黏两种覆膜工艺并没有明显的优劣，应当基于纤维的种类与材质选择合适的覆膜工艺与覆膜参数，从而达到最优的覆膜牢度。

2.4 覆膜牢度高温稳定性

高温覆膜牢度保持率越高，如式(2)所示给出了覆膜牢度保持率，其值越高，说明试样的覆膜牢度受温度的影响越小。

(2)

式中，ρ为常温下的覆膜牢度参数；ρ0为高温下的覆膜牢度参数；ρf为覆膜牢度高温稳定性。

图12为覆膜牢度保持率和温度关系。由图12可以看出，在20～220 ℃内，试样C的覆膜牢度保持率波动较小，说明试样C的高温覆膜牢度最稳定，基本不受温度影响。相较于试样A1、A2与A4，试样A3在20 ℃至70 ℃的范围内的覆膜牢度保持率最低，仅有81.26%，受温度的影响最大；在70 ℃至220 ℃的范围内，试样A3的涨幅最大，为31.39%，说明试样A3的高温覆膜牢度最不稳定，受温度的影响最大。

图12 覆膜牢度保持率-温度曲线

2.5 数据拟合

目前国内学者对PTFE覆膜针刺毡滤料的覆膜牢度研究主要以大量的实验为主，本文通过实验对数据进行拟合，得到连续温度区间内的力学性能经验公式。

以上5种试样在任一温度下的覆膜牢度ρl为纵坐标，以实验温度t为横坐标，用MATLAB软件对覆膜牢度和温度的关系进行回归分析，结果如表2所示。

表2 5种试样的覆膜牢度回归分析公式

对试样A1，3种方法的拟合优度R2分别为：0.012 41、0.655 46、0.906 77，随着实验温度t的次数为三次方时，R2更接近1。所以，三次方经验公式最能反映出覆膜牢度随温度变化的规律。

对试样A2，3种方法的拟合优度R2分别为：0.684 06、0.813 21、0.981 47，随着实验温度t的次数为三次方时，R2最接近1。所以，三次方经验公式最能反映出覆膜牢度随温度变化的规律。

对试样A3，3种方法的拟合优度R2分别为：0.408 03、0.742 84、0.998 97，随着实验温度t的次数为三次方时，R2最接近1。所以，三次方经验公式最能反映出覆膜牢度随温度变化的规律。

对试样A4，3种方法的拟合优度R2分别为：0.822 63、0.742 84、0.988 98，随着实验温度t的次数为三次方时，R2最接近1。所以，三次方经验公式最能反映出覆膜牢度随温度变化的规律。

对试样C，3种方法的拟合优度R2分别为：0.016 89、0.276 82、0.276 9，随着实验温度t的次数为三次方时，R2更接近1。

3 结论

(1)经过高温热压工艺制作出的PTFE覆膜针刺毡滤料的覆膜牢度性能与针刺毡滤料的材质有关，覆膜针刺毡滤料的覆膜牢度随温度的升高呈先降低后升高的变化趋势。由实验可以得出，经过热压得到的PTFE针刺毡、氟美斯复合针刺毡的覆膜牢度、覆膜牢度稳定性要远远高出PET针刺毡以及PPTE+MMMA针刺毡。覆膜所使用的的高温热压法与胶黏法两种工艺方法需要根据所覆滤料的纤维类型以及纤维梳理、加工工艺的不同，进行合理的选择。

(2)覆膜针刺毡滤料的应力-应变曲线变化趋势大致分为两种：第一种是在实验开始后，应力和应变都随着拉伸位移的增大而增大，应力到达峰值后呈断崖式下降，这是由于PTFE薄膜与滤料表面完全脱离；第二种是在实验开始后，应力和应变都随着拉伸位移的增大而增大，应力到达峰值后迅速下降，但下降速率越来越小，这是由于应力到达峰值后PTFE薄膜未彻底分离，部分纤维跟随薄膜脱离针刺毡。

(3)根据实验得到覆膜滤料在5个温度点(20、70、120、170、220 ℃)的覆膜牢度性能参数，得到5种典型PTFE覆膜滤料在此温度区间内的覆膜牢度性能经验公式，可对该5种典型PTFE覆膜滤料在此温度区间的高温镀膜牢度性能进行预测。