林茂泉， 吳海波， 張旭東， 殷保璞

(1． 東華大學 紡織學院， 上海 201620；2．江蘇東方濾袋股份有限公司， 江蘇 阜寧 224400)

聚四氟乙烯覆膜濾料的高溫熱壓覆膜工藝

林茂泉1， 吳海波1， 張旭東2， 殷保璞1

(1． 東華大學 紡織學院， 上海 201620；2．江蘇東方濾袋股份有限公司， 江蘇 阜寧 224400)

通過探究聚四氟乙烯覆膜濾料高溫熱壓覆膜工藝，重點分析不同熱壓時間、壓力和溫度對覆膜濾料過濾性能的影響，通過單因素分析方法對不同參數(shù)的作用效果進行分析．結果表明：隨著熱壓壓力增大，濾料的孔徑和透氣率逐漸下降，而濾料的覆膜牢度持續(xù)增加；隨著熱壓溫度或熱壓時間的增加，濾料的孔徑和透氣率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，而覆膜牢度總體呈現(xiàn)增長趨勢．此外，濾料的濾阻、過濾效率的變化規(guī)律與孔徑的變化規(guī)律一致，采用適宜工藝方案制得的高溫熱壓覆膜濾料的過濾效率均達到99%以上．

聚四氟乙烯薄膜； 高溫熱壓工藝； 耐高溫； 孔徑

聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜具有優(yōu)良的抗氧化能力、耐高溫抗腐蝕、表面摩擦因數(shù)小等優(yōu)點，在濾料基布上復合一層PTFE膜，可以在濾料表明形成孔徑小、分布均勻、孔隙數(shù)量多的過濾面，使濾料的除塵效率大幅提高，具有易清灰，使用壽命長等優(yōu)異性能，可應用于耐高溫煙氣過濾領域[1-5]．

目前，覆膜工藝主要有膠黏法和高溫熱壓法．膠黏法是在基布表面涂上一層黏結劑，通過黏結作用將薄膜與基布覆合．該方法工藝流程簡單，對設備要求較低．但由于黏結劑不耐高溫，或者在高溫下易融化，會堵塞薄膜的微孔，導致濾料透氣率下降．高溫熱壓法則不使用黏結劑，將薄膜與基布在高溫下熱壓復合成型，其效果要遠遠優(yōu)于膠黏法．有學者采用自主研發(fā)的PTFE發(fā)泡涂層劑對聚苯硫醚濾料基材進行預處理，通過高溫熱壓法制備了PTFE覆膜濾料，制得的濾料具有除塵效率高、運行阻力低等特點[6-7]．李慧芳等[8]將玄武巖機織布浸漬PTFE乳液，再與PTFE薄膜熱壓成型，制得的覆膜濾料過濾效率較高，透氣性較好，過濾阻力符合過濾材料的要求．目前，國內對覆膜濾料高溫熱壓法的探究還不夠成熟，為了提高覆膜濾料的性能，急需探究高溫熱壓法的工藝參數(shù)對覆膜濾料性能的影響規(guī)律．

本文以經過預處理的玻璃纖維機織布為基布，研究PTFE覆膜工藝中不同熱壓工藝參數(shù)對濾料性能的影響規(guī)律，探索覆膜濾料在復合成型過程中的性能變化，為耐高溫PTFE覆膜濾料產業(yè)化應用奠定基礎．

1 試 驗

1．1 試驗準備和試驗參數(shù)設定

已預處理的玻璃纖維機織布(面密度為815．42 g/m2，厚度為0．937 8 mm，上海萊德爾工業(yè)紡織品制造有限公司，由于專利保密，此處預處理方法省略)； PTFE薄膜(透氣率為64．26 mm/s，上海靈氟隆膜技術有限公司)．

將PTFE薄膜與基布如圖1所示放置，再置于平板硫化機上，通過設置不同的試驗參數(shù)，將薄膜與基布在高溫熱壓條件下復合成型．試驗參數(shù)設置如表1所示．

圖1 熱壓模型示意圖Fig．1 Sketch map of hot-pressing model

表1 高溫熱壓覆膜試驗參數(shù)Table 1 Parameters of high-temperature hot-pressing experiment

1．2 試驗條件及性能測試

試驗的性能測試在室溫為(25±2)℃和相對濕度為(65±5)%條件下進行．

試樣的透氣性測試參照GB/T 5453—1997，測試儀器為YG-461G型數(shù)字式透氣量儀，試樣壓差為200 Pa，試樣面積為20 cm2，試驗時選擇合適噴嘴進行測試．

試樣的孔徑測試參照ISO 4003—1977，使用PMI CFP-1100-AI型孔徑測試儀測試濾料的孔徑分布以及平均孔徑大小，試樣面積為20 mm2．

覆膜濾料的覆膜牢度是衡量薄膜與基布結合牢度的重要指標．試樣的覆膜牢度測試參照HJ/T 326—2006，要求玻璃纖維基布覆膜濾料的覆膜牢度≥25 kPa．覆膜牢度測試裝置如圖2所示，將試樣固定在測試杯杯口上，向杯中通入空氣并逐漸提高試樣未覆膜一側的壓力，注意觀察薄膜的剝離情況．當薄膜剝離鼓泡的長邊尺寸開始大于2．5 mm時，記錄測試杯中的氣體壓力，該壓力即為覆膜濾料的覆膜牢度．

1—試樣； 2—密封壓緊裝置； 3—測試杯； 4—氣體加熱裝置； 5—閥門； 6—溫度計； 7—壓力表圖2 覆膜牢度測試裝置示意圖Fig．2 Sketch map of testing laminating strength

試樣的濾阻和濾效使用TSI 8130型自動濾料測試儀進行測試，試驗流量為32 L/min，試樣面積為100 cm2．

采用TM 3000型掃描電子顯微鏡觀察覆膜濾料表面微觀結構以及橫截面形態(tài)．

2 結果與分析

2．1 濾料的微觀結構觀察

經過預處理的玻璃纖維基布表面的電子顯微鏡照片如圖3所示．由圖3可知，經過預處理的玻璃纖維基布上的纖維表面覆有一層特殊涂層，在高溫熱壓下發(fā)生形變熔融，冷卻后固化黏結，有助于PTFE薄膜與基布黏結，提高覆膜牢度．

圖3 預處理的玻璃纖維基布表面(×500)Fig．3 The surface of pretreatment glass fabric(×500)

聚四氟乙烯薄膜的掃描電子顯微鏡照片如圖4所示．由圖4可觀察到清晰的微孔結構，覆膜濾料依靠這些微孔結構可攔截煙氣中的粉塵顆粒，實現(xiàn)表面過濾．

在熱壓壓力為1 MPa、熱壓溫度為200 ℃、熱壓時間為15 s的條件下，所制備的覆膜濾料覆膜面的表面和橫截面的掃描電子顯微鏡照片如圖5所示.由圖5(a)可以看到，經過高溫熱壓后，薄膜上有部分原纖結構熔融形成帶狀或者團狀結構，造成微孔堵塞，但仍可以看到部分微孔結構完好，覆膜濾料的透氣率有所降低，因此覆膜濾料的透氣率比PTFE原膜的透氣率小[9]．由圖5(b)可以看到，除了薄膜與基布接觸的區(qū)域外，薄膜與經緯紗沒有接觸的區(qū)域內存在明顯的空隙．這是由于機織布存在經緯紗交織的組織結構，薄膜與基布表面凸起的經緯紗接觸，在高溫熱壓條件下產生黏結，正是這些黏結區(qū)域給覆膜濾料提供較好的黏結牢度，而在經緯紗交織點之間形成的空隙區(qū)域則不與薄膜接觸，薄膜沒有受到擠壓，從而保持薄膜的微孔結構，使得覆膜濾料具有一定的透氣率。

(a) 表面(×3 000)

(b) 橫截面(×100)圖5 覆膜濾料表面和橫截面的掃描電子顯微鏡圖Fig．5 SEM images of filter’s surface and cross-section

2．2 濾料的平均孔徑變化

2.2.1 不同熱壓時間對平均孔徑的影響

濾料的孔徑大小及分布對于過濾效果至關重要．本次試驗采用的PTFE原膜的平均孔徑為1．039 6 μm．當壓力為1 MPa和溫度為200 ℃時，在不同熱壓時間條件下覆膜濾料的平均孔徑變化如圖6所示．由圖6可知，隨著熱壓時間的增加，濾料的孔徑呈先增大后減小的趨勢．在熱壓時間為15 s時，平均孔徑達到1．122 7 μm，相比PTFE原膜的平均孔徑上升7．99%．文獻[10]研究結果表明， PTFE薄膜在高溫條件下會發(fā)生收縮，當溫度很高時，薄膜上的原纖結構甚至會發(fā)生熔融，冷卻固化后形成帶狀結構．在高溫熱壓成型的過程中，薄膜在受熱初期會發(fā)生一定的收縮，與基布沒有接觸的薄膜會發(fā)生形變．由于在同一個機織布組織點內，中間區(qū)域的薄膜沒有受壓，因此會受到薄膜形變力的拉伸作用，薄膜孔徑隨之增大．當熱壓時間繼續(xù)增加時，濾料的孔徑反而變小了．這是由于受熱時間太長，高溫導致薄膜中部分原纖結構發(fā)生熔融，堵塞一部分微孔結構，冷卻后固化形成帶狀結構，造成微孔孔徑下降．當熱壓壓力為1 MPa、熱壓溫度為200 ℃、熱壓時間為15 s時，覆膜濾料孔徑分布如圖7所示.由圖7可知,該覆膜濾料的孔徑分布較為集中，孔徑主要分布在0．8～1．6 μm之間．

圖6 不同熱壓時間下覆膜濾料的平均孔徑變化曲線Fig．6 Pore size variation of membrane filter with different hot-pressing time

圖7 熱壓時間為15 s時覆膜濾料的孔徑分布Fig．7 The pore size distribution of membrane filter with hot-pressing time of 15 s

2.2．2 不同熱壓壓力對平均孔徑的影響

當熱壓溫度為200 ℃和熱壓時間為15 s時，在不同熱壓壓力條件下覆膜濾料的平均孔徑變化曲線如圖8所示．由圖8可知，隨著熱壓壓力的增加，濾料的平均孔徑隨之下降.在壓力為10 MPa下，覆膜濾料的平均孔徑為1．023 2 μm，相比PTFE原膜的平均孔徑下降1．58%．由此說明，在受熱、受壓條件下，薄膜的原纖化結構發(fā)生軟化熔融，隨著壓力的增大，導致薄膜的微孔堵塞增多，造成濾料平均孔徑減?。?/p>

圖8 不同熱壓壓力下覆膜濾料平均孔徑變化曲線Fig．8 The pore size variation of membrane filter with different hot-pressing pressure

2.2.3 不同熱壓溫度對平均孔徑的影響

當熱壓壓力為1 MPa和熱壓時間為15 s時，在不同熱壓溫度條件下覆膜濾料平均孔徑變化曲線如圖9所示．

圖9 不同熱壓溫度下覆膜濾料平均孔徑的變化曲線Fig．9 The pore size variation of membrane filter with different hot-pressing temperature

由圖9可知，隨著熱壓溫度的升高，覆膜濾料的平均孔徑呈先增大再減小的趨勢.在熱壓溫度為240 ℃時平均孔徑存在最大值，為1．132 7 μm，相比PTFE原膜提高了8．96%．由于薄膜在受熱時會發(fā)生一定的收縮，當熱壓溫度升高時，薄膜收縮加劇，產生的形變也會增大，與基布沒有接觸的薄膜受到的拉伸作用越大，繼而使薄膜孔徑變大．當溫度繼續(xù)上升時，薄膜上的原纖化結構熔融加劇，冷卻后固化呈帶狀結構，造成薄膜上微孔受到擠壓堵塞，覆膜濾料的孔徑下降．

2.3 濾料的透氣率及覆膜牢度變化

2.3.1 不同熱壓時間對透氣率和覆膜牢度的影響

經測量可知，未經過熱壓的PTFE原膜的透氣率為64．26 mm/s．當熱壓壓力為1 MPa和熱壓溫度為200 ℃時，在不同熱壓時間條件下覆膜濾料的透氣率和覆膜牢度變化如圖10所示．

圖10 不同熱壓時間下覆膜濾料透氣率和覆膜牢度的變化曲線Fig．10 The permeability and laminating strength variation of membrane filter with different hot-pressing time

由圖10可知，經過熱壓5 s后，濾料的透氣率為47．66 mm/s，即相比PTFE原膜下降25．8%．但是，隨著熱壓時間延長，濾料的透氣率有所上升．當熱壓時間為15 s時，出現(xiàn)一個峰值，此時透氣率為55．03 mm/s， 相比PTFE原膜下降14．4%．隨著熱壓時間的繼續(xù)延長，樣品的透氣率開始下降，在熱壓時間為30 s時樣品透氣率為39．68 mm/s，相比PTFE原膜下降38．3%． 濾料的孔徑大小是影響透氣率的一個重要因數(shù)，孔徑越大，濾料的透氣性也會增大．結合圖6可知，在相同高溫熱壓條件下，隨著熱壓時間的增加，濾料透氣率的變化規(guī)律與孔徑的變化規(guī)律相同，說明熱壓時間對濾料表面薄膜的透氣率和孔徑大小產生的影響一致．另外，隨著熱壓時間的延長，覆膜濾料的覆膜牢度呈上升的趨勢．這是由于高溫熱壓條件下，隨著受熱時間的增加，薄膜與基布接觸點的黏結效果越好，有助于提高覆膜牢度．綜合考慮透氣率和覆膜牢度，適宜的熱壓時間范圍為15～20 s．

2.3.2 不同熱壓壓力對透氣率和覆膜牢度的影響

當熱壓溫度為200 ℃和熱壓時間為15 s時，在不同熱壓壓力條件下覆膜濾料的透氣率和覆膜牢度的變化如圖11所示．由圖11可知，隨著壓力的增大，覆膜牢度隨之上升，而濾料的透氣率卻一直在下降.在壓力為10 MPa時，濾料的透氣率僅為35．75 mm/s，相比PTFE原膜下降44．4%．這是因為隨著壓力的增大，薄膜與基布經緯紗的接觸面積增大，高溫高壓下黏結面積也隨之大大增加，使得覆膜牢度大大提高．另外，高溫高壓下也加劇了薄膜微孔的堵塞，導致濾料的孔徑不斷變小，透氣率也會隨之下降．因此，高溫熱壓覆膜的時候，熱壓壓力不宜太大，適宜的熱壓壓力為1～5 MPa．

圖11 不同熱壓壓力下覆膜濾料透氣率和覆膜牢度的變化曲線Fig．11 The permeability and laminating strength variation of membrane filter with different hot-pressing pressure

2.3.3 不同熱壓溫度對透氣率和覆膜牢度的影響

當熱壓壓力為1 MPa和熱壓時間為15 s時，在不同熱壓溫度條件下覆膜濾料透氣率和覆膜牢度的變化如圖12所示．由圖12可知：隨著溫度的升高，濾料的覆膜牢度總體呈現(xiàn)上升的趨勢；一開始升溫過程中透氣率呈上升的趨勢，在240 ℃時透氣率達到最大值為56．23 mm/s，相比PTFE原膜下降12．5%，然而當溫度繼續(xù)上升后，濾料的透氣率反而下降了．結合圖9可知，溫度對于濾料透氣率的影響規(guī)律與濾料孔徑變化規(guī)律吻合．由此說明，隨著溫度的升高，薄膜受熱受壓會發(fā)生變形收縮，導致覆膜濾料覆膜面的孔徑變大，進而濾料的透氣率也會增大．當溫度進一步升高時，薄膜的原纖結構會發(fā)生熔融，形成帶狀結構，薄膜微孔受到堵塞，孔徑也隨之下降．溫度對于覆膜牢度的影響也非常顯著，高溫有利于薄膜與基布經緯紗的黏結．當溫度低于200 ℃時，覆膜牢度基本上達不到性能要求；當溫度高于250 ℃時，濾料的透氣率下降．因此，適宜的熱壓溫度為220～240 ℃，才能使覆膜濾料保持較大的透氣率和較高的覆膜牢度．

圖12 不同熱壓溫度下覆膜濾料透氣率和覆膜牢度的變化曲線Fig．12 The permeability and laminating strength variation of membrane filter with different hot-pressing temperature

2.4 濾料的濾阻與過濾效率變化

濾料的濾阻、過濾效率與其孔徑大小和孔徑分布有關，孔徑越小，孔徑分布越集中，濾料的過濾效率就會越高，濾阻相應也會增大[11]．不同覆膜工藝條件下覆膜濾料的濾阻和過濾效率的變化規(guī)律符合其孔徑的變化規(guī)律．結合圖6～9的孔徑變化規(guī)律可知，濾料的濾阻和過濾效率的變化(如圖13所示)符合濾料孔徑的變化規(guī)律．濾料的孔徑增大會導致濾料的透氣率上升，同時濾料的濾阻就會下降，過濾效率也會有所下降．本文覆膜濾料試樣的過濾效率基本都在99%以上，其中，在熱壓溫度為240 ℃，熱壓時間為15 s，熱壓壓力為1 MPa的條件下，覆膜濾料的濾阻為251．98 Pa，過濾效率為99．01%．

(a) 熱壓時間

(b) 熱壓壓力

(c) 熱壓溫度圖13 不同參數(shù)條件下覆膜濾料的濾阻和過濾效率變化曲線Fig.13 The filtering efficiency and resistance of membrane filter with different parameters

3 結 語

本文通過設置不同的高溫熱壓覆膜工藝參數(shù)，分析了不同試驗因素對聚四氟乙烯覆膜濾料性能的影響規(guī)律，研究結論如下所述．

(1) 熱壓溫度和時間對于覆膜濾料的透氣率和孔徑的影響規(guī)律類似． PTFE薄膜在受熱初期會收縮，導致透氣率和孔徑均有所增加，但是，隨著溫度或者時間的繼續(xù)增加， PTFE薄膜表面的原纖化結構發(fā)生熔融，冷卻后造成微孔結構的堵塞，導致覆膜濾料的孔徑變小以及透氣率下降．綜合考慮，適宜的熱壓溫度范圍為220～240 ℃，適宜的熱壓時間范圍為15～20 s．

(2) 熱壓壓力是影響薄膜與基布結合的重要因素，高溫高壓條件下薄膜與基布經緯紗接觸更加緊密，黏結效果更好，可以有效增強覆膜牢度，但是高壓也會對薄膜造成一定的擠壓，造成濾料透氣率下降，因此適宜的熱壓壓力為1～5 MPa．(3) 覆膜濾料的濾阻和過濾效率隨不同覆膜工藝參數(shù)的變化與濾料孔徑的變化相吻合．濾料的孔徑增大會導致濾料的透氣率上升，同時濾料的濾阻下降，過濾效率降低，采用本文工藝方案制得的高溫熱壓PTFE覆膜濾料的過濾效率均達到99%以上．

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High-TemperatureHot-PressingTechnologyofPolytetrafluoroethyleneMembraneFilter

LINMaoquan1，WUHaibo1，ZHANGXudong2，YINBaopu1

(1． College of Textiles， Donghua University， Shanghai 201620， China；2． Jiangsu Oriental Filter Bag Co． Ltd．， Funing 224400， China)

To analyze the effect of the hot-pressing time， pressure and temperature on the performance of polytetrafluoroethylene membrane filter， the high-temperature hot-pressing technology was investigated． The various effects of the different experimental parameters were analyzed by the single-factor analytical method． The research results show that the pore size and permeability of filter decrease and inversely the laminating strength of filter increases with the increasing of the hot-pressing pressure． With the increasing of the hot-pressing time or temperature， the laminating strength of filter increases generally and the pore size or permeability of filter increases firstly and then reduces． In addition, the variation of filtering efficiency and resistance correspond directly to the changing of pore size of filters． The filtering efficiency of membrane filters produced with high-temperature hot-pressing technology is over 99%．

polytetrafluoroethylene membrane； high-temperature hot-pressing technology； high-temperature resistance； pore size

1671-0444(2017)05-0645-06

2016-6-28

林茂泉(1991—)，男，福建漳州人，碩士研究生，研究方向為耐高溫聚四氟乙烯覆膜過濾材料. E-mail：zhangpulmq@126.com

吳海波(聯(lián)系人)，男，高級工程師， E-mail：hbwu@dhu.edu.cn

TS 176．5

A

(責任編輯：徐惠華)