木棉纤维含量对滤材柴油/水分离效率的影响

王新宇 宋强 曾靖山 唐敏 徐桂龙

（华南理工大学轻工科学与工程学院，广东广州，510640）

高压共轨系统是现代高效柴油发动机中的先进技术，可以有效提高柴油在发动机中的燃烧效率。高压共轨系统具有燃油喷射间隙小（5 μm）、发动机压力大（250 MPa）的特点，而小间隙、高压力会导致柴油中水滴粒径分布范围从传统燃料系统的25～100 μm降至3～25 μm，对柴油/水分离滤材是重要挑战[1]。超低硫柴油是通过加氢脱硫方法降低柴油中硫含量，为减少柴油燃烧过程中含硫气体生成制备的柴油[2]。然而，加氢脱硫方法会对柴油润滑性产生负面影响，因此柴油制造商会通过添加表面活性剂来解决柴油润滑性问题。然而，表面活性剂会增强乳液稳定性，导致滤材的柴油/水分离效率下降[2-4]。柴油中的水不仅会降低油品质量，增加废气排放，还会磨损、腐蚀、堵塞（生成颗粒物）发动机管路部件，以及由于细菌生长造成的过滤器堵塞等，所以必须在水到达发动机的喷射系统之前将其分离[5-8]。

目前柴油/水分离滤材可分为3类：①使用亲水纤维制成的滤材捕获水滴，水滴在纤维上发生聚结，而后通过沉降除去；②使用疏水纤维制成具有疏水结构的滤材，影响小水滴在滤材中运动方向，使其聚结为大水滴被除去；③通过混合亲水和疏水纤维制成能够影响水滴运动方向和捕获水滴的滤材，亲水纤维主要用来捕获水滴，疏水纤维既可使被影响运动方向的水滴聚结长大，又可以让大水滴不被再次分散，从而顺利通过滤材发生沉降[9-13]。其中使用疏水纤维制备的滤材因具备高柴油/水分离效率和低压差的特点吸引了研究者目光。Rajgarhia等人[14]将聚醋酸乙烯酯和聚乙烯吡咯烷酮混合，制备疏水纳米纤维与玻璃棉纤维复合，得到一种疏水滤材，发现该疏水滤材接触角为150°，且当Dv,50=20 μm时，其性能与未复合疏水纳米纤维前的滤材相比柴油/水分离效率提高48.1%，但压差仅提高0.204 kPa。Kulkarni[15]研究发现控制滤材中玻璃棉和聚丙烯纤维的比例可有效提高滤材柴油/水分离性能，当滤材中亲水与疏水纤维质量比为8∶2时，在Dv,50=22 μm时，100%亲水纤维滤材柴油/水分离效率由73.48%提高至80.03%，压差由13.16 kPa降至11.99 kPa。柴油中水滴粒径的大小和分布范围对柴油/水分离效率的测试结果有着重要的影响，但是以上研究并不符合ISO 16332∶2017中对乳液水滴粒径大小和分布范围的要求，因而还需进一步开展工作。

纤维是滤材组成的最小宏观结构单元，纤维表面性能是影响滤材整体性能的决定因素之一，因此了解柴油中纤维与水滴的接触状态具有重要意义。本研究通过使用高速摄像成像系统观测静态条件下纤维与水滴相互作用，以及动态条件下水滴与纤维网络的相互作用，从而探究了亲水玻璃棉与疏水木棉纤维在滤材过滤聚结过程中的具体作用，并且在此基础上制备不同木棉纤维含量滤材，探究木棉纤维含量对自制滤材柴油/水分离效率的影响。本研究中水滴粒径分布范围参考ISO 16332∶2017要求（Dv,50=（10±1.5）μm），对滤材性能的评价更为科学和严谨，对新型高性能柴油/水分离滤材的研制更具指导意义。

1 实 验

1.1 实验原料及仪器

1.1.1 实验原料

玻璃棉纤维1（型号100-260，直径范围0.3～9.0 μm）和玻璃棉纤维2（型号253-39，直径范围0.4～4.2 μm）均购自沈阳东响玻璃纤维有限公司；木棉纤维（直径范围12.0～35.0 μm）产自印度尼西亚；双熔点PET纤维（型号TJ04CN）购自日本TEIJIN公司；十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）购自北京偶合科技有限公司；单油酸甘油酯，购自中日合成化学股份有限公司；0#柴油购自中国石油化工集团；商品滤材购自广州华创华工材料科技开发有限公司；活性白土（型号BY 398）购自黄山市白岳活性白土有限公司。

1.1.2 实验仪器

实验设备：柴油/水分离实验台（实验室自制），HR2101型高剪切疏解机（荷兰皇家飞利浦公司），No.2542-A型自动抄片器（日本KRK公司），XSE204型分析天平（瑞士METTLER TOLEDO公司），TYD02-01型注射泵（保定雷弗流体科技有限公司）。

分析仪器：YG142型厚度仪（宁波纺织仪器厂），FX 3300-IV型透气度仪（瑞士TEXTEST公司），CFP-1100-A型毛细流量孔径测试仪（美国PMI公司），G2Pro Y型扫描电子显微镜（SEM，荷兰Phenom-World公司），OCA25型全自动接触角测量仪（德国Dataphysics公司），FR-Stream型高速摄像成像系统（加拿大Norpix）。

1.2 实验方法

1.2.1 滤材制备

由于木棉纤维表面具有疏水蜡质层，且天然未处理木棉纤维直径较长（8～34 mm）。为解决木棉纤维分散性问题，本研究采取以下3种措施：①降低纤维长径比，将纤维裁剪为长度5 mm左右；②通过高频疏解减少纤维相互絮聚；③添加CTMAB作为分散剂。

利用湿法成形技术制备定量200 g/m2的自制滤材，纤维配比（相对于滤材质量）及编号命名如表1所示。以质量分数20%的固定量添加双熔点PET纤维增强自制滤材强度，防止使用过程中损坏。

表1 自制滤材中纤维种类与含量Table 1 Type and content of fiber in self-made filter

图1为自制滤材制备流程图。首先利用高剪切疏解机对木棉纤维疏解8 min，然后加入玻璃棉和PET纤维共同疏解2 min，疏解完成后将纸浆浓度稀释至0.06%，并加入32 mL质量分数0.1%的CTMAB溶液进行搅拌，待混合浆搅拌均匀后脱水成形，最后在温度为120℃的辊式干燥机上干燥至恒质量。

图1 滤材制备流程图Fig.1 Flow diagram of filter preparation

1.2.2 高速摄像成像系统

采用高速摄像成像系统（如图2所示）观测柴油中水滴与纤维及纤维网络的相互作用，并通过高精度注射泵控制乳液与纤维网络面流速20 mm/min，拍摄帧率0～600 f/s。

图2 高速摄像成像系统示意图Fig.2 Schematic diagram of high-speed camera imaging system

1.2.3 滤材用柴油/水分离效率实验台

参考SAE J1488中滤清器用柴油/水分离实验台原理图，搭建如图3所示的滤材用柴油/水分离实验台，对滤材柴油/水分离效率进行表征。采用高速分散器和搅拌器制备含水量2.5‰的柴油/水乳化液，并根据SAE J1488附录B测定柴油中溶解水体积浓度。然后，以20 mm/min的面速度将乳化后的柴油泵入测试夹具中。上游和下游的水浓度每10 min测定一次，并同时记录滤材上下游的压差。当达到稳态至少30 min时，实验终止。由式(1)和式(2)计算滤材上、下游水含量的体积比计算出滤材的柴油/水分离效率（以下简称为效率）。

图3 滤材用柴油/水分离实验台原理图Fig.3 Schematic diagram of diesel fuel/water separation test stand for filter

式中，Cdown为下游水滴的平均浓度，‰；Cdown,i为下游某一时刻水滴的平均浓度，‰；E为效率，%；Cdissolve为柴油中溶解水的浓度，‰；n为测试次数。

2 结果与讨论

2.1 商品滤材及自制滤材基本性能

图4为木棉纤维材料SEM图及接触角。由图4(a)可以看出，木棉纤维表面光滑无明显磨损，通过图4(b)可看出，木棉纤维材料接触角在151°～153°间，表明本研究采用的制备方法没有破坏木棉纤维表面的蜡质层，木棉纤维仍具有亲油疏水的特性。表2为商品滤材及自制滤材的基本性能。由表2可知，自制滤材定量为（200±3）g/m2，比商品滤材低10%左右，平均孔径为（7±1）μm，与商品滤材接近；自制滤材厚度随木棉纤维含量增加而增加，透气度随木棉纤维含量增加而降低。

图4 木棉纤维材料SEM图及接触角Fig.4 SEM image and contact angle of kapok fiber material

表2 商品滤材及自制滤材基本性能Table 2 Basic performance of commercial and self-made filter

图5为商品滤材及不同木棉纤维含量的自制滤材SEM图。考虑到商品滤材为双层结构，故观察入流面、出流面和截面；自制滤材为单层材料，因此仅取一面（平面）和截面的SEM图。商品滤材是由植物纤维和聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）纤维组成，由图5(a)～5(c)可知，商品滤材入流面并未涂覆树脂，而出流面纤维表面涂覆有树脂，且商品滤材有一定分层结构。由图5(d)～5(k)可知，F20中的玻璃棉纤维紧密分布在木棉纤维构成的骨架中；F40和F60中的玻璃棉纤维含量急剧减少，造成木棉纤维间的孔隙增大，使自制滤材的最大孔径增大且大孔数量增加；F80中的木棉纤维在干燥过程中被压成扁平状，自制滤材表面孔隙减小，且从截面上看，随着木棉纤维含量的增加，木棉纤维堆积越来越密实。

图5 商品滤材及不同木棉纤维含量的自制滤材SEM图Fig.5 SEM images of self-made filter with different kapok fiber content and commercial filter

2.2 柴油中水滴与纤维相互作用

图6为静态条件下玻璃棉、木棉和PET纤维在柴油中与水滴的接触状况。从图6可知，水滴与玻璃棉纤维接触后形成串珠状，玻璃棉纤维与水接触的部分被包裹在水滴的轴心位置，说明水滴容易被亲水的玻璃棉纤维捕获，有利于水滴在玻璃棉纤维上聚结长大。而木棉纤维和PET纤维与水滴的接触角均大于90°，且水滴附着在纤维一侧，说明乳液中的小水滴较难被木棉纤维和PET纤维捕获。

2.3 柴油中水滴与纤维网络相互作用

图7为动态条件下，柴油中水滴与不同纤维网络的接触状态照片。图7(a)显示了玻璃棉网络与水滴接触状态。由图7(a)发现，玻璃棉纤维表面带有大量小水滴，且在纤维交叉处明显存在大水滴，说明玻璃棉纤维易于捕获小水滴，且纤维交织点处的小水滴更容易在流体作用下聚结长大。图7(b)显示了木棉纤维网络与水滴接触状态。由图7(b)可知，木棉纤维交织网与水滴接触状态与单根木棉纤维类似，水滴均附着在纤维一侧，并未润湿木棉纤维。图7(c)显示了PET纤维网络与水滴接触状态。由图7(c)可看出，大部分水滴存在于PET纤维交织点，单根PET纤维不能很好捕获和拦截乳液中的小水滴，与图6(c)展示的静态条件下PET纤维在柴油中与水滴接触状况相同。

图6 静态条件下纤维在柴油中与水滴接触状况Fig.6 Contact state of fiber and water droplets in diesel fuel under static conditions

图7 动态条件下柴油中水滴与不同纤维网络的接触状态照片Fig.7 Photos of the contact state between water droplets in diesel fuel and different fiber networks under dynamic conditions

图8为使用高速摄像成像系统观测到的柴油中水滴与不同纤维网络的接触状态图。图8(a)为水滴与疏水的木棉纤维交织网接触状态。由8(a)可知，随着时间变化，木棉纤维表面水滴会被流动的乳液再次分散，木棉纤维与其表面水滴相互作用力很弱。当木棉纤维上液滴受到流体作用时，木棉纤维表面拦截到的小水滴很容易从木棉纤维表面脱落，所以疏水的木棉纤维可影响水滴在自制滤材中的运动轨迹，增加液滴碰撞聚结概率。图8(b)为水滴与PET纤维交织网接触状态。由图8(b)可看出，PET纤维与木棉纤维类似，在柴油中呈疏水状态，水滴与PET纤维碰撞后并不容易被PET纤维捕获。图8(c)为亲水的玻璃棉纤维与疏水的木棉纤维共同作用捕获水滴。从图8（c）可以看出，当乳液中的水滴与疏水的木棉纤维发生碰撞后（20和40 ms），水滴与木棉纤维碰撞对水滴运动方向有一定影响（60和80 ms），从而提高了水滴与玻璃棉纤维上其他水滴的碰撞概率（100 ms），使自制滤材的聚结效率增加。因此，对于含有亲水纤维和疏水纤维的柴油/水分离材料，亲水的玻璃棉纤维主要起到捕获乳液中的水滴（特别是小水滴）作用，疏水纤维可促进液滴的变向迁移，有利于水滴向亲水纤维部分汇集，以提高碰撞和聚结的机率。

图8 柴油中水滴与不同纤维网络的接触状态图Fig.8 Photos of the contact state of water droplets in diesel fuel with different fiber networks

2.4 纤维表面性能对滤材柴油/水分离效率的影响

图9是实验测试乳液粒径分布图。从图9中可以看出，乳液中水滴中值粒径Dv,50=（10±1.5）μm，与本研究其他测试条件（界面张力（IFT）17 mN/m、含水量2.5‰、面流速20 mm/min）均满足ISO 16332∶2017和SAE J1488要求。

图9 实验测试乳液粒径分布图Fig.9 Diagram of experimental test emulsion particle size distribution

图10为滤材纤维表面性能对柴油/水分离效率与压差的影响。由图10可知，所有自制滤材的柴油/水分离效率均高于商品滤材（32.1%），且随着自制滤材中疏水的木棉纤维含量增加，柴油/水分离效率和压差同时出现先下降后上升的趋势。虽然F20的压差明显高于商品滤材，但是柴油/水分离效率较商品滤材提高了30.6%，说明自制滤材具有较优的综合性能，且亲水的玻璃棉纤维可在一定程度上提高自制滤材性能。F20和F80均具有较高柴油/水分离效率，但F20压差是F80的2.2倍。这是因为当自制滤材中含有较多亲水的玻璃棉纤维时，虽然亲水的玻璃棉纤维与疏水的木棉纤维共同作用，可增加自制滤材捕获液滴的概率，从而增加柴油/水分离效率，但是自制滤材的孔隙会被更多水滴填充，油液流通面积减小，自制滤材压差升高。因此需适当增加疏水木棉纤维含量，使自制滤材可以在保证较高柴油/水分离效率的同时，压差较小。当自制滤材中亲水的玻璃棉被疏水的木棉纤维取代后，自制滤材中玻璃棉捕获的水滴减少，油液流通面积增加，自制滤材柴油/水分离效率和压差同时降低。自制滤材中玻璃棉纤维含量继续减少时，疏水的木棉纤维影响小水滴在自制滤材中的运动方向，从而增加液滴碰撞聚结概率，因此F60和F80的柴油/水分离效率升高。F80完全由疏水的木棉纤维构成，乳液中的水滴在自制滤材曲折的孔道中聚结成为大液滴，此时柴油/水分离效率为65.9%，压差为0.9 kPa，与商品滤材相比，柴油/水分离效率提高33.8%，压差降低0.7 kPa。

图10 滤材纤维表面性能对柴油/水分离效率与压差的影响Fig.10 Effect of fiber surface properties on diesel fuel/water separation efficiency and pressure drop of filter

3 结 论

本研究通过静态与动态相结合的手段，观察水滴与不同纤维和纤维网络的接触状态，研究了亲水的玻璃棉纤维和疏水的木棉纤维在柴油/水分离材料中发挥的作用，以及滤材中木棉纤维含量对柴油/水分离效率影响。

3.1 亲水的玻璃棉纤维有利于捕获乳液中的小水滴，疏水的木棉纤维和PET纤维可影响水滴在自制滤材中的运动轨迹，增加水滴间碰撞聚结的概率，有利于降低自制滤材压差。

3.2 木棉纤维自身具有的天然疏水性可有效提高柴油/水分离滤材性能，具有较高应用价值。含有疏水木棉纤维的自制滤材其柴油/水分离效率均高于商品滤材，自制滤材柴油/水分离效率和压差随着自制滤材中疏水木棉纤维含量的增加呈现先减小后升高的趋势，在木棉纤维含量为80%时，自制滤材具有较高的柴油/水分离效率（65.9%）和较低压差（0.9 kPa）。