趙振興 汪黎明 聶換換 蔣樹軍

(1.青島大學(xué)紡織學(xué)院，青島，266071;2.山東新力環(huán)保材料有限公司，沂源，256112)

玻璃纖維濾料是一種常用高溫濾料，正常使用溫度為260～280℃，具有尺寸穩(wěn)定性好、拉伸斷裂強(qiáng)度高、耐化學(xué)侵蝕、過濾阻力小等突出優(yōu)點(diǎn)。此外，玻璃纖維市場價(jià)格相對(duì)較低，原材料來源廣泛。因此，玻璃纖維濾料被認(rèn)為是一種理想的濾料。但玻璃纖維濾料耐折性和耐磨性差，氈與基布的剝離強(qiáng)度低，在使用過程中因需頻繁清灰而容易磨損、折斷，影響其使用壽命。為了解決這一問題，國內(nèi)專家及相關(guān)企業(yè)開發(fā)出了玻璃纖維復(fù)合針刺濾料。該濾料是將玻璃纖維和其他耐高溫纖維按一定比例進(jìn)行混合，然后經(jīng)過梳理、針刺、化學(xué)處理等多道工序制成的新型過濾材料［1］。與純玻璃纖維針刺氈相比，其生產(chǎn)成本略有增加，但過濾性能和耐用性均提高很多，性價(jià)比較好，是一種極具推廣潛力的新型過濾材料［2］。目前，玻璃纖維復(fù)合濾料的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，如玻璃纖維與聚酯纖維、聚酰亞胺(PI)類的P84纖維、聚苯硫醚(PPS)纖維和玄武巖纖維等復(fù)合，制得各種復(fù)合濾料。本文將玻璃纖維、軼綸和芳綸三種纖維制成復(fù)合濾料，應(yīng)用于高爐煤氣布袋除塵中，通過對(duì)三種相同混合比的不同面密度的玻璃纖維復(fù)合濾料的測試，探求面密度的選擇是否合理及該濾料性能的變化情況，為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

軼綸是國內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的PI纖維，具有絕佳的熱穩(wěn)定性、電絕緣性、耐輻射性和耐化學(xué)性等，綜合性能優(yōu)于同為PI纖維的P84纖維，其極限氧指數(shù)＞38%，可在250～350℃下長期使用［3］，市場價(jià)格昂貴。芳綸(Nomex)是世界上開發(fā)最早的耐高溫纖維，具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，其極限氧指數(shù)為29%，正常使用溫度為204℃，瞬間使用溫度為240℃。將玻璃纖維、軼綸和芳綸三種纖維按一定的比例混合，然后采用針刺工藝制成復(fù)合濾料。主體部分為玻璃纖維和玻璃纖維機(jī)織基布，對(duì)濾料強(qiáng)力起到主要支撐作用;軼綸對(duì)瞬時(shí)高溫所產(chǎn)生的破壞有很好的抵御作用;芳綸優(yōu)異的柔韌性使纖維層與基布的剝離強(qiáng)度提高，同時(shí)其相對(duì)較低的價(jià)格又降低了生產(chǎn)成本。本試驗(yàn)濾料中的基布均為相同規(guī)格的玻璃纖維紗織成的平紋基布，三種試樣面層的厚度有所不同。該復(fù)合濾料的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 玻璃纖維復(fù)合濾料結(jié)構(gòu)示意

本試驗(yàn)所用復(fù)合濾料樣品規(guī)格見表1。

表1 試驗(yàn)樣品規(guī)格

1.2 耐高溫性能測試

1.2.1 力學(xué)性能

濾料的耐高溫力學(xué)性能是指濾料在某個(gè)特定的溫度條件下放置一定時(shí)間(通常為24 h)后，其經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長率等相關(guān)指標(biāo)［4］。斷裂強(qiáng)力是濾料強(qiáng)度的表征，其值越大，濾袋壽命就越長;斷裂伸長率則是濾料拉伸韌性和彈性的表征，其值過大或過小都會(huì)對(duì)濾袋的使用效果和耐用性有影響，在實(shí)際使用過程中濾料該值的變化不應(yīng)太大。濾料的斷裂強(qiáng)力取決于濾料在制造過程中針刺纖維的強(qiáng)度、所使用的基布及生產(chǎn)工藝參數(shù)，如針刺密度、針刺強(qiáng)度和后處理等方面［5］。

濾料力學(xué)性能的變化可用斷裂強(qiáng)力保持率和斷裂伸長保持率來表示，其值分別是試驗(yàn)后濾料斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率測試值與試驗(yàn)之前相應(yīng)的測試值之比。

測試標(biāo)準(zhǔn)是 GB/T 7689.5—2001《增強(qiáng)材料機(jī)織物試驗(yàn)方法第5部分:玻璃纖維拉伸斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長的測定》。經(jīng)向和緯向樣條有效尺寸為5 cm×20 cm。

測試方法:首先，按測試標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)原試樣測試經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率 ;然后，將其他試樣分別置于160、200、240和280℃高溫烘箱內(nèi)24 h，取出，待冷卻后測定斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率。與之類似，測試時(shí)間維度的各項(xiàng)指標(biāo)。將試樣放置于200℃的烘箱中，經(jīng)過48、72和96 h后進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的測試并計(jì)算。

通過下式計(jì)算斷裂強(qiáng)力保持率:

式中:F0——濾料初始斷裂強(qiáng)力(N);

Fi——第 i次取出濾料的斷裂強(qiáng)力(i=1、2、3、4)，分別對(duì)應(yīng)于經(jīng)過 160、200、240和280℃或24、48、72和96 h熱處理后試樣的斷裂強(qiáng)力(N)。

通過下式計(jì)算斷裂伸長保持率:

式中:E0——試樣初始斷裂伸長率(%);

Ei——第i次取出試樣的斷裂伸長率(i=1、2、3、4)，分別對(duì)應(yīng)于經(jīng)過 160、200、240和280 ℃或24、48、72和 96 h后試樣的斷裂伸長率(%)。

1.2.2 透氣性

濾料的透氣性以規(guī)定的試驗(yàn)面積、壓降和時(shí)間條件下，氣流垂直通過試樣的速率表示。該值的大小因?yàn)V料的結(jié)構(gòu)形式和密度差異而不同，是表征潔凈濾料阻力特性的一個(gè)指標(biāo)［6］。

三種試樣放置于烘箱中，分別經(jīng)過160、200、240和280℃高溫處理24 h或在200℃的烘箱中分別處理24、48、72和96 h后，將試樣取出置于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下24 h，按照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》進(jìn)行測試［7］。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾料力學(xué)性能的變化

2.1.1 處理溫度的影響

本試驗(yàn)溫度的選擇是參照濾料實(shí)際工作中溫度的波動(dòng)范圍而定，分別為160、200、240和280℃，處理時(shí)間是24 h。圖2和圖3是在不同處理溫度下，濾料力學(xué)性能的變化情況。T0代表在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下測試。

圖2 不同處理溫度對(duì)濾料斷裂強(qiáng)力的影響

圖3 不同處理溫度對(duì)濾料斷裂伸長率的影響

由圖2可知:通過不同溫度處理24 h后，三種試樣的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力均呈現(xiàn)先下降再上升然后再下降的波動(dòng)趨勢;三種試樣的緯向斷裂強(qiáng)力均呈下降趨勢，試樣1的變化較緩和，試樣2和試樣3分別在200和240℃處理后有較快下降。這種變化與濾料不同的面密度有關(guān)。通過計(jì)算得知，試樣1～試樣3的最低經(jīng)向斷裂強(qiáng)力保持率依次為82.44%、81.75% 和 91.83%，最低緯向斷裂強(qiáng)力保持率依次為88.66%、78.95%和77.63%。試樣2和試樣3的經(jīng)向強(qiáng)力下降幅度小于緯向。經(jīng)不同高溫處理后，濾料的強(qiáng)力雖有所波動(dòng)，但其強(qiáng)力仍然保持在75%以上，即2 000 N/(5 cm×20 cm)以上，能夠滿足工作過程中溫度的變化對(duì)濾料強(qiáng)力的要求［8］。

圖3反映出試樣1和試樣2的經(jīng)向斷裂伸長率隨處理溫度的升高均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢;試樣3的經(jīng)向斷裂伸長率呈先上升后下降的趨勢，變化較平穩(wěn);試樣1和試樣3的緯向斷裂伸長率隨處理溫度上升均呈下降趨勢，經(jīng)過240℃處理后變化量較小;試樣2的緯向斷裂伸長率呈上下波動(dòng)狀態(tài)，溫度對(duì)其影響不明顯。濾料的經(jīng)向伸長率小于緯向伸長率，與斷裂強(qiáng)力的規(guī)律一致。經(jīng)計(jì)算，濾料的經(jīng)向和緯向最低伸長率保持率分別為82.53%和84.17%，表明該濾料在高溫條件下處理后仍有很好的拉伸韌性和彈性。

2.1.2 處理時(shí)間的影響

圖4和圖5均是將試樣放置于200℃的烘箱中，經(jīng)過24、48、72和96 h后所測各項(xiàng)力學(xué)性能的變化情況。T0代表在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的測試。

從圖4可以看出，在200℃的烘箱中經(jīng)不同時(shí)間的處理，三種試樣均表現(xiàn)出與改變處理溫度時(shí)相同的變化趨勢，即經(jīng)向斷裂強(qiáng)力呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢，緯向斷裂強(qiáng)力表現(xiàn)出下降的趨勢。雖然變化幅度略有不同，但大致都在2 000～2 500 N之間波動(dòng)。通過計(jì)算得知，濾料經(jīng)向和緯向的斷裂強(qiáng)力保持率均在80%以上，說明該濾料經(jīng)過長時(shí)間處理后仍能保持良好的強(qiáng)度，符合對(duì)長期工作在高溫條件下濾料強(qiáng)力的要求。

圖4 不同處理時(shí)間對(duì)濾料斷裂強(qiáng)力的影響

圖5 不同處理時(shí)間對(duì)濾料斷裂伸長率的影響

從圖5可以看出:三種試樣經(jīng)不同時(shí)間處理后，其經(jīng)向斷裂伸長率均在4% ～5%之間波動(dòng);而緯向斷裂伸長率，試樣3波動(dòng)較明顯，在6% ～7%之間，另兩種試樣波動(dòng)較小，略呈下降趨勢。濾料的經(jīng)向和緯向的最低斷裂伸長率保持率分別為88.60%和84.47%，說明該濾料長期在高溫下工作仍能有良好的柔韌性。

總體而言，濾料受熱后經(jīng)、緯向強(qiáng)力參數(shù)均在一定范圍內(nèi)變化，雖有下降趨勢，但仍保持較大的強(qiáng)力絕對(duì)值。該濾料初始斷裂強(qiáng)力受熱后下降，這與玻璃纖維表面涂覆的浸潤劑在高溫作用下化學(xué)性能發(fā)生變化有關(guān)。從各項(xiàng)數(shù)據(jù)來看，試樣1的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率在經(jīng)過不同溫度和時(shí)間的處理后波動(dòng)幅度最小，說明面密度為750 g/m2的參數(shù)設(shè)計(jì)比較合理。

2.2 濾料透氣性的變化

圖6是不同處理溫度和處理時(shí)間下濾料透氣性的變化曲線。

由圖6可以看出，除了試樣2的透氣率有些微小的波動(dòng)外，其他兩個(gè)試樣的透氣率幾乎沒有變化。這表明處理溫度和時(shí)間對(duì)濾料的透氣性沒有明顯影響，能夠確保濾料在實(shí)際工作中具有良好的過濾效果。

3 結(jié)論

三種由相同纖維構(gòu)成而產(chǎn)品規(guī)格不同的玻璃纖維復(fù)合濾料經(jīng)過不同溫度和時(shí)間處理后，測試濾料的力學(xué)性能和透氣性，得出以下結(jié)論:

圖6 不同處理溫度和時(shí)間對(duì)濾料透氣性的影響

(1)三種試樣經(jīng)160、200、240和280℃四種溫度處理24 h后，經(jīng)向斷裂強(qiáng)力均呈現(xiàn)先下降再上升然后再下降的波動(dòng)趨勢，緯向斷裂強(qiáng)力均呈下降趨勢;強(qiáng)力仍然保持在2 000 N/(5 cm×20 cm)以上;經(jīng)向和緯向伸長率保持率均在80%以上，能夠滿足工作過程中溫度的變化對(duì)濾料性能的要求。

(2)三種試樣在200℃的烘箱中經(jīng)24、48、72和96 h處理后，表現(xiàn)出與改變處理溫度時(shí)相同的變化趨勢;濾料經(jīng)向和緯向的斷裂強(qiáng)力保持率均在80%以上，符合長期在高溫條件下工作對(duì)濾料強(qiáng)力的要求;處理后的濾料斷裂伸長率保持良好，說明濾料長期在高溫下工作仍能有良好的柔韌性。

(3)三種玻璃纖維復(fù)合濾料經(jīng)高溫處理后透氣性沒有明顯波動(dòng)，說明處理溫度對(duì)濾料透氣性的影響較小，可使濾料在高溫條件下保持良好的過濾效果。

(4)經(jīng)不同溫度和時(shí)間處理后，試樣1的強(qiáng)力和透氣性的波動(dòng)幅度最小，試樣3次之，試樣2波動(dòng)幅度最大，表明面密度為750 g/m2的參數(shù)選擇比較合理。

［1］朱平.多層玻璃纖維復(fù)合針刺氈的研究［J］.玻璃纖維，2006(3):1-7.

［2］吳曉梅，趙東波.過濾用玻璃纖維復(fù)合針刺氈的研發(fā)［J］.玻璃纖維，2009(3):1-3.

［3］楊軍杰，孫飛，張國慧，等.軼綸?聚酰亞胺短纖維的性能及其應(yīng)用［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2012，37(3):57-60.

［4］孫熙.袋式除塵技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［5］柳靜獻(xiàn)，毛寧，常德強(qiáng)，等.溫度對(duì)PPS針刺氈濾料的影響研究［C］//2008(沈陽)國際安全科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2008:317-321.

［6］陳隆樞，陶暉.袋式除塵技術(shù)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［7］中國紡織總會(huì)科技發(fā)展部.GB/T 5453—1997紡織品織物透氣性的測定［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

［8］中國建筑材料聯(lián)合會(huì).GB/T 25041—2010玻璃纖維過濾材料［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.