高温对机织布玻纤覆膜滤料耐折性能影响实验研究*

毛颜波 柳静献 毛宁

(东北大学滤料检测中心 沈阳110004)

*基金项目：国家重点研究计划项目(2016YFC0203701)。

0 引言

近年来，大气污染问题日益突出，工业生产中排放出的有毒有害气体、颗粒物是大气污染的主要源头。袋式除尘技术是工业除尘的重要手段，在钢铁铸造、冶金、垃圾焚烧以及电力等行业袋式除尘应用广泛[1-2]。滤料作为袋式除尘器的核心部分，其性能优劣对除尘效果影响明显[3-4]。机织布玻纤覆膜滤料是一种耐高温过滤材料，一般应用在130 ℃以上的高温工况条件下，能耐260 ℃的高温，瞬间温度可耐280 ℃，由于其优越的耐热性能，被认为是高温工况下粉尘捕集的首选滤料[5]。其中玻纤覆膜滤料是在玻纤基布上经过不同方式处理, 在基布上覆合一层聚四氟乙烯(PTFE)膜的高效过滤材料, 覆膜玻纤滤料包含了玻璃纤维的伸缩率低、耐高温和聚四氟乙烯(PTFE)表面光滑、透气性能好、化学性质稳定的优势[6-7]。

现场实际应用表明，机织布玻纤覆膜滤料耐酸性能、耐折性能及耐屈挠性相对较差。并且，玻璃纤维的微观结构也显示出玻璃纤维形貌是圆柱形表面光滑且排列规则的棒状结构，因此耐折性能较差[8]。与滤料的断裂强力和断裂伸长率相比较，玻纤滤料的耐折性能更值得关注，耐折性能的好坏对滤料使用寿命起着关键的作用[5,9]。严荣楼等[10]对玻纤过滤材料表面采用不同化学配方处理，结果表明，滤料表面采取TFB配方处理可以提高滤料耐折性能。许宁等[11]研究模拟了高温工况下玻纤滤料老化拉伸性能，结果表明，玻纤滤料具有良好的耐热性能，高温老化对玻纤滤料拉伸性能影响不显著。梁正海等[12]研究了在玻纤滤料表面用纳米材料处理后，发现在滤料表面处理液中添加SiOx纳米材料,对滤布的耐折性能有较为明显的改善作用。因此，研究高温对玻纤滤料耐折性能影响对其延长使用寿命、降低运行成本有重要意义。

1 实验方法

1.1 实验样品及制备

本文选取5种机织布玻纤覆膜滤料作为实验样品。实测每平方米质量为600～800 g，2#滤料实测单位面积质量最大，并且透气性较好。5种滤料的基本特征参数如表1所示。

表1 5种玻纤滤料基本特征参数

按《纸和纸板 试样的采取及试样纵横向、正反面的测定》(GB/T 450—2008)规定取样，把所取试样放在符合《纸、纸板和纸浆试样处理和试验的标准大气条件》(GB/T 10739—2002)规定的大气条件下处理后切取宽(15±0.1)mm、长度不小于140 mm的经、纬向试样至少各10条，并放在标准大气条件下进行测试。

1.2 实验方案

实验主要研究了不同温度和不同加热时间老化对机织布玻纤覆膜滤料耐折性能的影响。在固定加热时间条件下，探究了在不同的高温作用下，机织布玻纤覆膜滤料耐折性能的变化情况。在固定加热温度条件下，探究了在不同的加热时间，机织布玻纤覆膜滤料耐折性能的变化情况，并对实验滤料进行傅里叶红外光谱分析，具体实验条件见表2。实验仪器为耐折度仪和Tensor27傅立叶变换红外光谱仪。

表2 实验条件

实验样品的测试和计算按《纸和纸板耐折度的测定(MIT耐折度仪法)》(GB/T 2679.5—1995)进行。实验步骤为：将按《纸和纸板 试样的采取及试样纵横向、正反面的测定》(GB/T 450—2008)制取的宽15 mm、长140 mm的实验样品垂直夹于折叠头两夹具之间，测试选取的弹簧张力为14.72 N，将弹簧张力指针调至该数值进行测试。耐折度测试的折叠角度为135°，开始测试直至试样折断为止，记下显示屏所显示的耐折次数。重复上面实验程序，经纬向各测试10条试样。通常用耐折度来衡量滤料的耐折性能，耐折度的计算公式如下：

N=log10L

(1)

Lave=(L1+L2+…+Ln)/n

(2)

Nave=10Lave

(3)

式中，N为耐折次数，L为耐折度，Nave为平均耐折次数，Lave为平均耐折度，L1、L2、…、Ln为试样1、2、…、n的耐折度。

将不同条件高温老化后的试样进行红外光谱分析，并对得到的红外光谱图及数据进行对比分析。并探究耐折次数与玻纤官能团所在频段内对应的透光率的关系。

2 结果与讨论

2.1固定加热时间，温度对玻纤滤料耐折性能影响

设定高温加热时间为12 h，探究烘箱温度对滤料耐折性能影响。由于玻纤滤料一般在130 ℃以上高温工况下使用，并且瞬时可耐280 ℃，因此，分别调整加热温度为120 ℃、170 ℃、220 ℃和270 ℃，在各温度下将试样放置在烘箱12 h后，取出进行耐折度测试，结果见图1、图2。

(a)耐折次数随温度变化

(b)耐折度随温度变化

(a)耐折次数随温度变化

(b)耐折度随温度变化

根据图1和图2可以看出，在加热时间为12 h时，5种玻纤滤料的经向耐折次数与纬向耐折次数都随着温度的升高而显著降低，相应，耐折度也随之减少。其中，2#玻纤滤料具有较好的经向耐折性能，当加热温度从120 ℃升至270 ℃时，经向耐折次数下降率为54.3%，耐折度降低0.34。1#玻纤滤料耐折度随时间变化不明显，相比耐折性能较差，加热温度为270 ℃时，其经向和纬向耐折次数仅为789次和775次。3#滤料的纬向耐折性能相比其他4种滤料，具有优越的耐折性能，加热温度为120 ℃，耐折次数可达35 042次，温度升至270 ℃时，耐折次数下降率为48.2%。这说明，高温作用会对玻纤滤料耐折性能产生影响，温度越高，耐折次数下降越明显。

2.2固定加热温度，不同加热时间对玻纤滤料耐折性能影响

玻纤滤料的极限温度可达270 ℃，并且温度越高，耐折次数变化更为明显，故将烘箱温度设定为230 ℃，在加热10 h、36 h、60 h和84 h后，进行耐折度测试，结果见图3、图4。

从图3和图4可以看出，在230 ℃下，随着玻纤滤料在烘箱中加热的延长，滤料的经向与纬向耐折次数呈下降趋势，滤料耐折度显著降低。在加热时间为10 h时，经向耐折次数排序为：2#>5#>4#>3#>1#,5种滤料耐折次数相差不大，均在同一数量级，2#经向耐折性能最好，但加热84 h后耐折次数下降率也是最高，为79.3%。相比较，纬向耐折次数相差较大，3#滤料耐折次数远远高于其他4种滤料，但其他4种滤料纬向耐折次数差别不大，5#滤料在这4种滤料中耐折性能最好，2#滤料的纬向耐折次数下降率仍最高，1#和2#两种滤料耐折次数随温度变化最为明显，加热84 h后耐折次数下降率是12 h时的耐折次数的75%左右。这说明，在高温氛围下，玻纤滤料的耐折性能随着作用时间的增长而降低，每种滤料的下降幅度存在差异。

(a)耐折次数随时间变化

(b)耐折度随时间变化

(a)耐折次数随时间变化

(b)耐折度随时间变化

2.3 高温作用下玻纤滤料红外光谱分析

通过红外光谱图，可以根据不同的特征峰判断物质具有的官能团。图5为不同温度下5种玻纤滤料在900～1 200 cm-1频段内的红外光谱图。图6为不同加热时间下玻纤滤料在900～1 200 cm-1频段内的红外光谱图。从图5和图6可以看出，随着温度升高、加热时间的增加，900～1 200 cm-1频段的透射率有下降趋势，且该频段为玻璃纤维特征峰频段。

图5 5种玻纤滤料在不同温度下900～1 200 cm-1频段红外光谱

图6 5种玻纤滤料在不同加热时间下900～1 200 cm-1红外光谱

从红外光谱图可以看出：在900～1 200 cm-1有极强的吸收峰出现，可判断其峰为玻璃纤维的特征峰频段。在1 150～1 250 cm-1左右出现的振动峰为CF2基团反对称伸缩振动和伸缩对称振动，在2 350 cm-1出现的吸收峰为其倍频峰。可判断为聚四氟乙烯(PTFE)的吸收振动峰。随着温度升高，玻璃纤维的特征峰频段伸缩振动减弱、透射率降低，故高温对玻璃纤维的分子结构也有一定的破坏作用。

从图5和图6可以看出，不同温度下，900～1 200 cm-1频段的吸收峰变化明显，即透射率随温度变化较为显著。由于该吸收频段为玻璃纤维的特征吸收频段，故从该频段中选取1 147 cm-1处作为研究点，探究耐折次数与透射率之间的关系，为了更好地进行对比，将所有的光谱图进行归一化处理。图7为5#玻纤覆膜滤料的经向与纬向耐折次数与在1 147 cm-1处经归一化后透射率的线性相关拟合直线图。

从图7线性拟合直线可以看出，5#玻纤覆膜滤料的经向和纬向耐折次数与在1 147 cm-1处的透射率具有明显线性相关性，即随着耐折次数的减少，透射率也有下降的趋势。其他4种玻纤覆膜滤料与5#玻纤覆膜滤料有相似的线性拟合关系。红外光谱中900～1 200 cm-1频段内每处的耐折次数与透射率的线性拟合关系同1 147 cm-1处的一致。这说明，高温作用对玻璃纤维分子结构有破坏，导致玻纤官能团透射率降低，宏观表现为玻纤滤料性能下降。

(a)经向

(b)纬向

3 结论

实验结果表明：高温作用下，机织布玻纤覆膜滤料耐折性能下降明显。

(1)在120～270 ℃，加热时间为12 h条件下，随着加热温度的升高，5种机织布玻纤覆膜滤料的经向和纬向耐折次数及耐折度呈显著下降趋势。其中，2#滤料耐折性能随温度升高变化最为明显，5种滤料纬向耐折性能均好于经向。

(2)230 ℃条件下，随着高温作用的时间延长，5种机织布玻纤覆膜滤料的耐折性能下降明显。例如，5种滤料加热84 h较加热10 h经向耐折次数下降率均超过50%。3#滤料纬向耐折性能最好，且下降率最低。

(3)通过对红外光谱分析可知，随着温度升高和作用时间的延长，玻璃纤维特征峰频段所对应的透射率呈下降趋势，即耐折次数与透射率拟合关系呈线性正相关性。这说明，高温对玻璃纤维的分子结构有破坏，导致耐折性能下降。

(4)实际应用中，应该考虑高温条件对机织布玻纤覆膜滤料耐折性能的影响，防止工作温度过高，并对滤料进行相应处理，提高其自身性能。