PTFE针刺过滤材料粉煤灰整理工艺及其制品性能研究

刘树森 汤大宁 王洪云 李素英

1．南通大学纺织服装学院，江苏 南通226019；

2．南通新绿叶非织造布有限公司，江苏 南通226019

近年，空气质量的恶化使得我国出现了大范围的雾霾天气。目前，空气过滤是解决空气污染最有效的一种处理方式。PTFE纤维是目前最为稳定的耐化学腐蚀和耐高温的纤维材料之一[1]。PTFE针刺毡采用针刺工艺，通过摩擦、抱合或粘合等作用将随机排列的纤维组合在一起，具有力学性能好、孔隙率大、透气性好、耐腐蚀性佳、使用寿命长等特点，已被广泛应用于各领域。PTFE纤维为膜裂纤维，其是以PTFE为原料，通过纺丝或制成薄膜后，通过切割或原纤化工艺制得的一种合成纤维，故该纤维的细度不均匀，这在很大程度上影响了针刺毡的均匀性，加之所形成的纤网孔径尺寸差异较大，且分布随机，这导致其针刺毡对颗粒物的过滤效率不高。常规的PTFE滤料对PM2.5的过滤效率仅在50.0%～64.0%[2]。

粉煤灰是从燃煤烟气中收集到的一种优良的固体颗粒物，一般有灰白色、灰色、黄褐色和黑色等颜色，且颜色越淡，燃烧越完全，变异程度越高，其中的漂珠含量也越高。漂珠是一种具有质轻、表面光滑、导热系数小、强度高等特性的微态粉煤灰空心球[3]，成分为惰性，具有很好的耐化学腐蚀性能。

空气过滤器在形成滤饼的阶段，过滤效率不断提高，因此，尽可能缩短滤饼形成时间及延长滤饼作用时间，是空气过滤器的一个发展方向。本试验将以PTFE针刺毡为原料，利用含粉煤灰的整理剂对PTFE针刺毡进行后整理，制备粉煤灰PTFE针刺毡，使粉煤灰在材料表面形成滤饼预敷层，既能保持PTFE耐高温高压、耐腐蚀等特性，又能够有效延长过滤器的使用寿命，增强过滤器的使用性能。

1 试验

1.1 原料及药品

粉煤灰，灰白色(国外煤烧结而成)和黄褐色(国内煤烧结而成)，上海集大实业有限公司；聚四氟乙烯(PTFE)乳液，浙江巨化股份有限公司；PTFE针刺毡，具体规格及性能见表1；无水乙醇、吐温80，南通链集化工有限公司；硅烷偶联剂，河南永佳化工产品有限公司；1227软化剂，浙江赞宇科技股份有限公司。

表1 试验所用PTFE针刺毡具体规格及性能

1.2 主要设备

三峰牌电子秤(上海升亮电子科技有限公司)、HJ-5型多功能恒温搅拌器(金坛市荣华仪器制造有限公司)、GZX-GF-101AB-2型电热恒温鼓风干燥箱(上海华联环境试验设备公司恒昌仪器厂)、DZF-6090型真空干燥箱(上海三发科学仪器有限公司)、WDW-1200型微机控制电子万能试验机(济南胜工万能试验机有限公司)、KYKY-2800型扫描电镜仪(北京中科科仪技术发展有限责任公司)。

1.3 样品制备

1.3.1 整理剂的制备

向蒸馏水中加入不同质量的粉煤灰，并加入质量分数分别为20%的PTFE乳液、2%的吐温80、2%的无水乙醇、1%的1227软化剂和1%的硅烷偶联剂，配置粉煤灰质量分数分别为10%、20%及30%的整理剂，并将配好的整理剂在磁力搅拌器下搅拌3 min，待用。其中，PTFE乳液作为表面活性剂，能促使粉煤灰黏附到PTFE纤维上；同时，PTFE乳液会在滤料表面复合上一层致密又透气的PTFE涂层，改善表面平整度，提高滤料的清灰性能。

1.3.2 后整理

将PTFE针刺毡平整地放入不锈钢浸渍盆中，将预先配置好的整理剂均匀地倒在针刺毡表面。利用轧车进行轧压，使整理剂快速地渗入材料内部。轧车压强设为0.2 MPa。轧压过的PTFE针刺毡先在真空干燥箱中烘10 min，然后在电热恒温鼓风干燥箱中230 ℃烘10 min，取出后即得粉煤灰PTFE针刺毡。其中，230 ℃的鼓风烘干不仅能使轧压过的PTFE针刺毡烘干固结，还能令粉煤灰颗粒在PTFE针刺毡上做局部的热运动，从而形成致密的滤饼。

1.4 性能表征

1.4.1 粉煤灰粒径

采用KYKY-2800型扫描电镜仪观察并测量粉煤灰的粒径大小，统计其粒径分布情况。

1.4.2 面密度

参照FZ/T 60003—1991《非织造布单位面积质量的测定》，测量PTFE针刺毡粉煤灰整理前后的面密度。

1.4.3 过滤效率

参照GB/T 6719—2009《袋式除尘器技术要求》，选用TOPAS AFC 131滤料测试台，测试PTFE针刺毡粉煤灰整理前后的过滤效率。测试方法：利用计数法原理，对光学粒子计数器配置切换阀，通过切换滤料上下游气溶胶采样，测定滤料0.20～2.00 μm的分级过滤效率。

1.4.4 透气性

参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，采用YG(B)461E型数字式织物透气性能测定仪，测试PTFE针刺毡粉煤灰整理前后的透气率。测试方法：试样测试面积为40 cm2，压差为200 Pa，每块试样随机测试10个不同位置，透气率结果取平均值。

1.4.5 耐腐蚀性能

参照GB/T 6719—2009《袋式除尘器技术要求》进行耐腐蚀性测试。滤料的耐腐蚀性以滤料经酸、碱溶液浸泡后的断裂强力保持率表示。先在粉煤灰PTFE针刺毡上随机剪取3块500 mm×400 mm尺寸的滤料试样。再将第1块不做任何处理；第2块浸在质量分数为60%的H2SO4溶液中，85 ℃水浴加热24 h；第3块浸在质量分数为40%的NaOH常温溶液中，24 h后取出，清水冲洗后放入温度为100 ℃的鼓风干燥箱中烘2 h。最后，3块试样及未整理的PTFE针刺毡(简称“PTFE针刺素毡”)按照GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分:断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》，测定纵横向断裂强力，并计算纵横向断裂强力保持率。

2 测试结果与分析

2.1 粉煤灰原料的选择

对灰白色和黄褐色的粉煤灰进行粒径分析，结果如图1所示。从图1可以看出：灰白色粉煤灰的粒径主要分布在5.0～6.0 μm，其次是在3.0～4.0 μm，粒径4.0～5.0 μm和8.0～9.0 μm的粉煤灰占比也较大，总体而言灰白色粉煤灰的粒径分布范围广且粒径范围不集中，粒群整体的差异性大，平均粒径在8.0 μm左右；黄褐色粉煤灰的粒径主要分布在2.0～3.0 μm，该尺寸有利于黄褐色粉煤灰快速进入PTFE针刺毡内部，有效填充PTFE针刺毡内部细小的孔隙。此外，粒径越小，粉煤灰的比表面积越大，吸附能力越好，越能大幅提高PTFE针刺毡对PM2.5的截留能力，进而提高过滤效率。故本文选择黄褐色粉煤灰制备整理剂。

图1 粉煤灰粒径分布

2.2 粉煤灰质量分数对PTFE针刺毡面密度的影响

如图2所示，与PTFE针刺素毡相比，粉煤灰PTFE针刺毡面密度都有大幅增加，且整理剂中粉煤灰质量分数越大，粉煤灰PTFE针刺毡面密度越大，这与更多的粉煤灰黏附在PTFE针刺毡上并在内部纤维孔隙中结块有关。

图2 整理剂中粉煤灰质量分数对PTFE针刺毡面密度的影响

2.3 粉煤灰质量分数对PTFE针刺毡过滤效率的影响

对PTFE针刺毡粉煤灰整理前后进行过滤效率测试，整理剂中粉煤灰质量分数对PTFE针刺毡过滤效率的影响如图3所示，其中图3b)单独展示了粉煤灰PTFE针刺毡对粒径在0.75～1.00 μm的颗粒物的过滤效果。

图3 整理剂中粉煤灰质量分数对PTFE针刺毡过滤效率的影响

从图3a)可以看出，粉煤灰PTFE针刺毡对颗粒物的过滤效率大于PTFE针刺素毡，对粒径小于0.75 μm的颗粒物过滤效率较PTFE针刺素毡提升尤为明显。这与粉煤灰颗粒粒径小、含有多孔玻璃体、比表面积大且有一定的活性基团有关。

从图3b)可以看出，粉煤灰PTFE针刺毡对粒径在0.75～1.00 μm的颗粒物的过滤效率都在99.5%以上，其中整理剂中粉煤灰质量分数为20%和30%时，过滤效率高达99.9%。这归因于PTFE纤维是膜裂纤维，多数纤维以一根相对粗的纤维为骨干，继而分裂出很多更细的纤维。这种结构大大增加了PTFE针刺毡的孔隙率，提高了粉煤灰嵌入PTFE针刺毡内部的概率，促进了粉煤灰在PTFE纤维孔隙中结块成膜，PTFE针刺毡中孔隙率减少、孔径尺寸降低，过滤效率提高。

2.4 粉煤灰质量分数对PTFE针刺毡透气性能的影响

图4反映了粉煤灰整理前后PTFE针刺毡的透气率。从图4可以看出，与PTFE针刺素毡相比，粉煤灰PTFE针刺毡透气率明显下降，这归因于粉煤灰颗粒集聚在纤维间的孔隙中，堵塞或缩小了孔隙，进而影响了气流的流动。结合图3可知，透气率与过滤效率成负相关，孔隙率和孔径减小，过滤效率提高。

图4 粉煤灰质量分数对PTFE针刺毡透气率的影响

综合以上试验数据，并考虑实际生产应用中过滤毡面密度越大，安装越困难的状况，确定整理剂中粉煤灰最优质量分数为20%。该条件所得粉煤灰PTFE针刺毡面密度适中、过滤效率高、透气性好。

2.5 滤料耐腐蚀性能

PTFE针刺毡主要用于电厂、化工、冶金、钢铁等行业。这些行业产生的工业废气中含有二硫化碳、硫化氢、硫酸、氮氧化物、氟化氢、一氧化碳等腐蚀性气体[4-5]，故要求滤料具有优良的耐腐蚀性。

本文选择对粉煤灰质量分数为20%的整理剂整理的PTFE针刺毡进行耐腐蚀性能测试，并与PTFE针刺素毡做比较，结果见表2。从表2可以看出：粉煤灰PTFE针刺毡的纵横向力学性能均有所改善，这与PTFE乳液在纤维表面形成了一层坚固的保护层，且粉煤灰吸附在PTFE针刺毡内部孔隙中，PTFE针刺毡面密度增加，纤维滑移的空间减少，纤维之间的摩擦力增加有关；相较于未酸碱处理的粉煤灰PTFE针刺毡，酸碱处理后粉煤灰PTFE针刺毡的断裂强力保持率仍都在88%以上，这归因于PTFE纤维及PTFE乳液的耐强酸强碱特性，PTFE乳液会在PTFE纤维表面形成保护层，进一步提高PTFE针刺毡的耐腐蚀性。酸碱处理后的粉煤灰PTFE针刺毡和PTFE针刺素毡相比，断裂强力仍有提高，表明粉煤灰整理工艺对PTFE针刺毡的强力指标是有利的，其可作为提高PTFE滤料力学性能的一种方法。

表1 PTFE针刺毡断裂强力及断裂强力保持率

表2 酸碱处理后的PTFE针刺毡的分级过滤效率 (%)

3 滤料的耐腐蚀性与过滤效率的关系

对酸碱腐蚀过的粉煤灰PTFE针刺毡及PTFE针刺素毡做分级过滤效率测试，结果见表3。

从表2可以看出：

(1) 粉煤灰PTFE针刺毡经酸碱处理后，过滤效率较酸碱处理前均小幅度增加。这是因为粉煤灰内还含有许多非空心的微珠，H2SO4会在一定程度上腐蚀微珠表面，使微珠的比表面积增加，同时还会对粉煤灰中的玻璃体有一定的腐蚀作用，致使其表面变得不平整，这都在一定程度上提高了吸附能力；NaOH对硅酸玻璃相的腐蚀性比较强，它会和粉煤灰发生化学反应溶出Si，形成硅胶，且在强碱的作用下，从粉煤灰中溶出的Si和Al会在适当的温度下转化成沸石，而沸石具有很强的吸附能力。

(2)PTFE针刺素毡酸碱处理后的过滤效率较酸碱处理前提高，这可能是源于PTFE纺丝过程中存在杂质，导致酸碱处理过程中纤维表面发生了腐蚀或其他轻微的化学反应，但也可能是试验过程存在误差。

4 结论

通过研究整理剂中粉煤灰质量分数对PTFE针刺毡各方面性能的影响得出：粉煤灰质量分数越高，所得粉煤灰PTFE针刺毡面密度越大，过滤效率越高，但透气性能越差，故确定整理剂中粉煤灰最佳质量分数为20%；经过粉煤灰质量分数为20%的整理剂整理后，所得粉煤灰PTFE针刺毡过滤效率高达到99.9%，力学性能增加，与PTFE针刺素毡相比纵横向断裂强力保持率分别达到123%和119%，且在酸碱环境中仍然能够保持良好的力学性能和小幅增加的过滤性能。