婁路陽，王 洪

(東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

當(dāng)今社會(huì)，工業(yè)高溫?zé)煔馐强諝馕廴镜闹匾獊碓粗籟1]，鑒于高溫工況的復(fù)雜性，對治理高溫?zé)煔馑韪邷貫V料的使用壽命和過濾性能都有比較高的要求[2]。目前，常見的高溫?zé)煔膺^濾材料主要有耐高溫機(jī)織及針刺濾料和耐高溫覆膜濾料等幾種。

傳統(tǒng)機(jī)織及針刺濾料，其主要過濾機(jī)理有表面過濾和深層過濾。在使用前期，依靠自身纖維構(gòu)建的通道對粉塵顆粒進(jìn)行攔截，具有良好的過濾性和空氣通透性；在使用后期，由于部分規(guī)格較小的粉塵顆粒穿過通道進(jìn)入濾料內(nèi)部，不斷堆積，濾料孔隙被堵，過濾阻力不斷加大，在工況溫度劇烈變化時(shí)，易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，直接導(dǎo)致濾料使用壽命縮短。

覆膜濾料不同于傳統(tǒng)機(jī)織及針刺濾料，主要利用表面過濾機(jī)理實(shí)現(xiàn)高精度過濾，并具有較好的清灰效果[3]。較為知名的覆膜濾料有Donaldson公司的Tetra-tex?和Gore公司Gore-Tex?等。較機(jī)織及針刺濾料而言，覆膜濾料往往具有更高的過濾效率，但這是以空氣通透性與過濾壓阻的犧牲為代價(jià)，換取過濾效率的提高，即在同等動(dòng)力壓差下，其過濾阻力較機(jī)織及針刺濾料普遍偏大。此外，覆膜濾料對覆膜設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)的要求都較高，必須保證膜與基材的復(fù)合牢度，使其具有良好過濾性能，同時(shí)還必須確保復(fù)合過程中膜的微孔結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞[3-4]。

近幾年來，市面上出現(xiàn)了由國外公司研發(fā)的聚四氟乙烯(PTFE)發(fā)泡涂層高溫過濾材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見，玻璃纖維(簡稱玻纖)基布表面形成了具有凹凸結(jié)構(gòu)的致密PTFE發(fā)泡層，孔徑大小較為均勻，與玻纖基布的黏附牢度高。泡沫涂層不僅是一種節(jié)能的濕處理方法，還可以減少涂層過程所需原料的用量，是制備濾材的潛在選擇[5]，但PTFE乳液發(fā)泡涂層相關(guān)介紹較少。Park等[6]利用PTFE乳液與發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、增稠劑等功能助劑調(diào)配的發(fā)泡液，經(jīng)過80～90 ℃、180～200 ℃、380～400 ℃ 3個(gè)溫度區(qū)段的焙烘固化，成功制備了一種耐受270 ℃高溫的PTFE/玻纖平紋布高溫濾料，具有良好的透氣性和過濾效率。

PTFE乳液本身的黏度很低，利用其進(jìn)行發(fā)泡涂層，關(guān)鍵在于提高乳液的黏度并保持發(fā)泡過程中的泡沫穩(wěn)定性。通常，泡沫穩(wěn)定需要滿足以下幾個(gè)條件：(1)具有液體介質(zhì)的雙(多)組分體系；(2)可溶性的表面活性劑；(3)具有Marangoni效應(yīng)(如圖2所示)；(4)凝膠狀表面層的形成[7]。

(a) 截面

(b) 表面

圖2 Marangoni效應(yīng)圖Fig.2 Marangoni effect

Marangoni效應(yīng)是指液體從低表面張力處流向高表面張力處的流動(dòng)現(xiàn)象，高表面張力的區(qū)域傾向于收縮，并在界面上造成切線方向的運(yùn)動(dòng)。對氣泡的任何作用，如機(jī)械外力、液體流動(dòng)、熱激勵(lì)等，都會(huì)造成受作用區(qū)域處表面活性劑濃度降低，使作用區(qū)周圍液體表面張力大，從而發(fā)生Marangoni效應(yīng)，即液體沿圖2中不連續(xù)箭頭所示方向，流向外力作用區(qū)域，氣泡壁有所修復(fù)不至于破裂，而達(dá)到穩(wěn)定氣泡的作用。只有當(dāng)涂層中液相消失，涂層逐漸固化，黏度效應(yīng)才會(huì)取代Marangoni效應(yīng)起到穩(wěn)定作用。

本文嘗試采用不同功能性助劑，改變PTFE乳液的黏度和表面張力，以獲得穩(wěn)定的泡沫結(jié)構(gòu)。通常，聚丙烯酰胺作為紡織上漿劑使用，具有良好增稠、穩(wěn)定、黏結(jié)、成膜效果，伴有熱增稠效應(yīng)[8]。瓜爾豆膠為白色至淺黃褐色自由流動(dòng)的粉末，多見于食品加工領(lǐng)域，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %的水溶液黏度約為3 Pa·s，分散于冷水中約2 h后呈現(xiàn)很強(qiáng)黏度，24 h后達(dá)到巔峰，在pH值為6～8的中、酸性環(huán)境中黏度最高[9]。本文使用這兩類增稠功能助劑來加強(qiáng)體系黏度，制備一種PTFE耐高溫發(fā)泡涂層的復(fù)合過濾材料，并對材料的透氣、過濾性能進(jìn)行測試。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

試驗(yàn)材料：發(fā)泡液主體為PTFE乳液(TE3893型，含固量為60 %)，DuPont公司；發(fā)泡劑為月桂酸鉀皂，楚星化學(xué)公司；穩(wěn)泡劑與增稠劑為陰非離子型聚丙烯酰胺(以下簡稱APAM)，蘇州昊諾工貿(mào)有限公司；穩(wěn)泡劑與增稠劑為非離子型聚丙烯酰胺(以下簡稱NPAM)，蘇州昊諾工貿(mào)有限公司；增稠劑為聚丙烯酸酯(以下簡稱TT-935)，羅門哈斯公司；增稠劑為瓜爾豆膠，阿拉丁公司；含氟分散劑(以下簡稱FSN-100)，三愛富公司；pH調(diào)節(jié)劑為NaOH溶液，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；滲透劑JFC，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

試驗(yàn)儀器：PL403型電子天平，梅特勒-托利多儀器上海有限公司；H-97A型恒溫磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；HH-14S型恒溫水浴鍋，金壇市大地自動(dòng)化儀器廠；DGG-9070B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；SEM-3000型掃描電子顯微鏡，日本HITACHI公司；YG461E型全自動(dòng)透氣性測定儀，溫州方圓儀器廠；DV-II+ Pro Viscometer型數(shù)顯式黏度計(jì)；MFA-III型涂層機(jī)；平板硫化機(jī)。

1.2 玻纖基布前處理

對選用的無堿玻纖基布進(jìn)行前處理，將其浸入25 g/L NaOH和5 g/L滲透劑JFC的混合溶液中，100 ℃水浴浸漬1 h，浴比為20 ∶1，用去離子水洗至中性，烘干備用。

1.3 發(fā)泡液制備

添加不同增稠劑的發(fā)泡液配方如表1所示。在磁力攪拌器上分別放置4只250 mL燒杯，在PTFE攪拌棒攪動(dòng)下，轉(zhuǎn)速為400 r/min，將所需PTFE乳液總量的一半先行注入，而后根據(jù)配方依次緩慢加入粉狀瓜爾豆膠、APAM、NPAM，高速攪拌約20 min。而后轉(zhuǎn)移至磁力攪拌器上，加入攪拌子，在轉(zhuǎn)速約為250 r/min下，依次注入月桂酸鉀皂、TT-935及剩余PTFE乳液，攪拌約5 min后，轉(zhuǎn)移至肖特瓶中密封備用。

表1 不同增稠劑的發(fā)泡液配方

由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的瓜爾豆膠水溶液的黏度可達(dá)到3 Pa·s，在含固量約為60%的PTFE發(fā)泡液中，容易團(tuán)聚成塊，導(dǎo)致鼓氣式發(fā)泡無法進(jìn)行，因此配方2中的瓜爾豆膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.5%。鑒于瓜爾豆膠增稠效果具有時(shí)效性，在配制24 h后，溶液黏度達(dá)到頂峰[9]，故配方2的發(fā)泡液，需另置于磁力攪拌器上攪拌24 h后，再做發(fā)泡處理。APAM和NPAM在加熱條件下溶解效果更佳[8]，故配方3、4的發(fā)泡液需在50 ℃水浴鍋中攪拌24 h后，再做發(fā)泡處理。

采用小型空氣壓縮泵、抽濾燒瓶、橡膠管搭建的鼓氣式發(fā)泡裝置如圖3所示，利用空氣鼓入裝置使發(fā)泡液迅速起泡，并用燒杯接收轉(zhuǎn)移到涂膜機(jī)上。

1.4 富泡溶液涂覆與固化

圖3 鼓氣式發(fā)泡裝置Fig.3 Bubble foaming device

利用MFA-III型涂膜機(jī)將富泡溶液均勻地涂覆于玻纖基布上，以20 mm/s的刮涂速度分別刮涂若干次，涂層次數(shù)從1次到4次不等。隨后在80～100 ℃和140～160 ℃烘箱內(nèi)分別固化2 min，再在350 ℃的平板硫化機(jī)上以1.3 MPa壓力壓制5 s后冷卻至室溫。

1.5 透氣性測試

利用YG461E型全自動(dòng)透氣性測定儀，對所制備的樣品進(jìn)行透氣性測試，動(dòng)力壓差為200 Pa，滿足工業(yè)用非織造布測試標(biāo)準(zhǔn)，測試面積為20 cm2。

由于本文所制濾料適用于高溫?zé)焿m過濾，TSI 8130型過濾儀無法模擬高溫?zé)焿m過濾。故利用自制過濾測試儀(如圖4所示)對樣品進(jìn)行過濾性能測試。由圖4可知，濾材夾于兩瓶之間，在濾材一側(cè)的瓶中點(diǎn)燃衛(wèi)生香，開啟空氣壓縮機(jī)于另一側(cè)抽吸，待穩(wěn)定后，兩瓶中的粒子計(jì)數(shù)器數(shù)值能反映各自瓶中衛(wèi)生香濃度(即煙塵濃度)，兩瓶間的U形管水柱高度差代表過濾壓降，以兩瓶的衛(wèi)生香濃度比值來判斷其過濾效率，能較為準(zhǔn)確地驗(yàn)證材料的過濾性能。

1.6 過濾性能測試

圖4 自制高溫?zé)焿m用過濾裝置Fig.4 Self-made filtrating equipment for flue gas filtration at high temperature

2 結(jié)果與討論

2.1 PTFE發(fā)泡涂層液黏度和泡沫半衰期的研究

Kim等[10]研究表明，在三步法烘燥、固化過程中，溶液體系的黏度是維持泡沫穩(wěn)定和控制成型后材料泡孔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，不同溫度區(qū)間的溶液體系黏度受到不同因素的影響。第一溫度區(qū)為80～100 ℃，為烘燥過程，體系內(nèi)多余水分揮發(fā)[11]，泡沫基本定型，體系黏度增大主要由水分揮發(fā)引起；第二溫度區(qū)為180～200 ℃，為固化過程，水分繼續(xù)揮發(fā)，增稠劑熱增稠效果顯現(xiàn)，并對該溫度區(qū)段的體系黏度增大起主導(dǎo)作用；第三溫度區(qū)為380～400 ℃，為燒結(jié)過程，體系內(nèi)液相基本消失，涂層完成有效固化，形成穩(wěn)定的泡孔結(jié)構(gòu)，已不屬于泡沫穩(wěn)定的討論范疇。

各種功能性助劑根據(jù)配方比例依次添加至PTFE乳液中所制備的溶液，稱為發(fā)泡液；由發(fā)泡液經(jīng)物理機(jī)械發(fā)泡，如鼓氣、攪拌等方式，所獲得含有大量泡沫的液體，稱為富泡溶液。由表1所示4種配方配得的發(fā)泡液和富泡液在室溫和90 ℃兩種溫度條件下的黏度變化如圖5所示。由圖5可知，相對于基礎(chǔ)配方1，添加瓜爾豆膠、APAM和NPAM都能提高體系的黏度，但APAM和NPAM具有一定的熱增稠效應(yīng)，體系黏度隨溫度上升而升高，在高溫固化時(shí)更有助于維持泡沫穩(wěn)定。

(a) 發(fā)泡液

(b) 富泡溶液

泡沫半衰期用以表征泡沫的穩(wěn)定性，由泡沫體系析出50 %基液體積所用的時(shí)間[12]表示。

上述4種配方的發(fā)泡液經(jīng)過鼓氣式發(fā)泡形成的富泡溶液在室溫和90 ℃環(huán)境下的泡沫半衰期變化如圖6所示。由圖6可知，室溫下4種穩(wěn)泡劑、增稠劑對富泡溶液的穩(wěn)定性影響差異不大，均具有較好泡沫穩(wěn)定性，而在90 ℃環(huán)境下，功能性助劑對半衰期影響差異開始顯現(xiàn)，尤其是具有熱增稠效應(yīng)的APAM和NPAM，明顯提高了泡沫在高溫下的穩(wěn)定性。

圖6 室溫和90℃條件下富泡溶液的泡沫半衰期Fig.6 Half foam life period of rich foam solution with different formulas at room temperature

發(fā)泡涂層技術(shù)在傳統(tǒng)紡織品后整理應(yīng)用中，要求泡沫在接觸織物時(shí)快速破裂，而在本文濾材的高溫固化過程中則需要維持穩(wěn)定的泡沫結(jié)構(gòu)，因此相較于瓜爾豆膠，聚丙烯酰胺類物質(zhì)是更為合適的體系增稠劑和穩(wěn)泡劑。

2.2 涂層次數(shù)與固化工藝參數(shù)的確定

涂層次數(shù)直接決定濾材上漿率，影響濾料的透氣和過濾性能。涂層次數(shù)過少，樣品透氣性較好，但過濾效率往往達(dá)不到較高水平，反之，過濾效率較好，但透氣性太差，過濾阻力過高。以表1中配方4配制發(fā)泡液，并制備不同涂層次數(shù)的濾材，相應(yīng)濾材透氣性、過濾效率、上漿率及表觀形貌觀察情況如表2所示。

表2 不同涂層次數(shù)的濾料性能

由表2可知：單次涂層固化后，樣品具有較好的透氣性和過濾效率，樣品上漿率較低，固化后表面涂層具有較好的泡孔結(jié)構(gòu)和完整性；隨著涂層次數(shù)的增加，樣品上漿率顯著提升，過濾效率雖然升高，但透氣性迅速下降，且固化后涂層表面裂紋明顯增多，故涂層次數(shù)為1較為合適。

固化工藝參數(shù)是濾材成型的另一關(guān)鍵因素，本文采用的固化溫度區(qū)間和時(shí)間均以維持多泡孔結(jié)構(gòu)為前提。溫度區(qū)間的設(shè)定，參考預(yù)試驗(yàn)材料成型情況及2.1節(jié)不同溫度區(qū)間下發(fā)泡液體系黏度變化規(guī)律，分別為80～100 ℃、140～160 ℃、350 ℃。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)證明：在第二溫度區(qū)間，若溫度高于160 ℃，固化時(shí)間超過2 min，涂層泡沫將迅速破滅并固結(jié)為閉孔膜，不利于多泡孔結(jié)構(gòu)的形成；在第三溫度區(qū)間溫度高于350 ℃時(shí)，燒結(jié)10 s，PTFE涂層呈焦化狀態(tài)，且涂層破裂，不利于材料成型(如圖7所示)，故改用硫化機(jī)350 ℃平壓5 s替代高溫?zé)Y(jié)。

(a) 實(shí)物圖

(b) SEM圖

Fig.7PictureandSEMfigureoffoamcoatingfilterbakedover350℃

2.3 功能性助劑對濾材透氣、過濾性能的影響

綜合熱激勵(lì)下的發(fā)泡液與富泡液體系黏度變化以及泡沫穩(wěn)定性變化，在表1所示配方體系中，聚丙酰胺類物質(zhì)較瓜爾豆膠表現(xiàn)出更優(yōu)異的熱增稠效果。因此，在利用多因子正交試驗(yàn)檢驗(yàn)各功能性助劑對濾料透氣性及過濾性能影響時(shí)，不再使用瓜爾豆膠作為增稠劑，而以APAM的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為其中一個(gè)因子，TT-935、月桂酸鉀皂、FSN-100等質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為其余因子，以透氣性及過濾效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3和4所示。

表3 功能性助劑多因子變量試驗(yàn)因子水平表

表4 功能性助劑多因子變量試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

由表4可知：以透氣性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，4個(gè)因子權(quán)重從大到小依次為月桂酸鉀皂質(zhì)量分?jǐn)?shù)、TT-935質(zhì)量分?jǐn)?shù)、FSN-100質(zhì)量分?jǐn)?shù)、APAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)，試驗(yàn)方案為A2B3C2D1，即APAM、TT-935、FSN-100、月桂酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4%、5%、0.1%、1.4%時(shí)，材料將獲得最佳透氣性；以過濾效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，4個(gè)因子權(quán)重從大到小依次為月桂酸鉀皂質(zhì)量分?jǐn)?shù)、APAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)、FSN-100質(zhì)量分?jǐn)?shù)、TT-935質(zhì)量分?jǐn)?shù)，試驗(yàn)方案為A3B2C3D3，即APAM、TT-935、FSN-100、月桂酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、4%、0.15%、2.2%時(shí)，材料將獲得最佳過濾效率。

2.4 最優(yōu)樣品性能分析

國外樣品、透氣性或過濾效率最優(yōu)樣品及基布的透氣及過濾性能測試結(jié)果如表5所示，其中，1#為國外樣品，2#為透氣性最優(yōu)樣品，3#為過濾效率最優(yōu)樣品，4#為玻纖基布。

表5國外樣品、優(yōu)化樣品及基布性能

Table5Permeabilityandfiltrationefficiencyofexternal，optimalandbasicfabricsamples

樣品編號(hào)透氣量/(mm·s-1)過濾效率/%1#30.1791.602#34.3786.003#1.9898.204#130.5510.20

過濾效率最優(yōu)樣品由于透氣性過小，其高濾效沒有實(shí)際應(yīng)用前景，故僅就透氣性最優(yōu)樣品作詳細(xì)討論。由表5可知，相對基布而言，透氣性最優(yōu)樣品(2#)的透氣量出現(xiàn)了一定幅度的下降，約為基布的26%，但PTFE涂層顯著提高了材料的過濾性能，其過濾效率為基布的8.43倍；與國外樣品相比，2#透氣量略高13.9%，過濾效率略低6.1%，其在透氣性和過濾性能方面均與國外樣品較為接近。

最優(yōu)透氣性樣品和玻纖基布表面電鏡圖如圖8所示。

(a) PTFE/玻纖發(fā)泡濾材

(b) 玻纖基布

Fig.8SEMfiguresofsurfacemorphologyofPTFE/glassfiberfoamcoatingfilterandglassfiberfabric

由圖8可知，在玻纖布表面形成了一層多孔PTFE涂層結(jié)構(gòu)，PTFE涂層與玻纖表面貼合。利用Nano-Measure圖像軟件分析圖8(a)中的泡孔直徑(如圖9所示)可知，涂層上均勻分散著直徑在10 μm以下的泡孔，彌補(bǔ)了玻纖基布疏散結(jié)構(gòu)的不足，將極大地增強(qiáng)基布的過濾性能。

圖9 PTFE發(fā)泡涂層孔徑分布圖Fig.9 Pore size distribution of PTFE foam coating

3 結(jié) 語

本文將TT-935、瓜爾豆膠、APAM和NPAM等功能性助劑分別添加到PTFE發(fā)泡乳液中，研究不同配方發(fā)泡液和富泡液的黏度和穩(wěn)定性，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化，制備了具有較好過濾效果的PTFE/玻纖多泡孔涂層高溫過濾材，得出下述結(jié)論：

(1) 瓜爾豆膠和APAM都具有增稠效果，APAM的熱增稠效在該發(fā)泡液體系中具有更好的穩(wěn)泡效果。

(2) 多因子正交試驗(yàn)表明：月桂酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)對濾材透氣性影響程度最大，TT-935質(zhì)量分?jǐn)?shù)次之，F(xiàn)SN-100質(zhì)量分?jǐn)?shù)再次之，APAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響最弱；月桂酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)對濾材過濾效率影響程度最大，APAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)次之，F(xiàn)SN-100質(zhì)再次之，TT-935質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響最弱。當(dāng)APAM、TT-935、FSN-100、月桂酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4%、5%、0.1%、1.4%時(shí)，可制備最優(yōu)透氣性樣品；當(dāng)APAM、TT-935、FSN-100、月桂酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、4%、0.15%、2.2%時(shí)，可制備最優(yōu)過濾效率樣品。

(3) 相較于基布，最優(yōu)透氣性樣品透氣量僅為基布的26%，但過濾效率卻為其8.4倍。相較于最優(yōu)過濾效率樣品，最優(yōu)透氣性樣品在透氣性方面具有顯著優(yōu)勢，其具有良好的透氣性(34.4 mm/s)和過濾性能(86%)，在透氣性及過濾性能方面與國外樣品較為接近，是一種良好的濾材選擇。