陶瓷纖維在高溫?zé)煔膺^濾中的應(yīng)用

梁振江,鄧 輝,張 杰,朱珍軍

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300380)

陶瓷纖維在高溫?zé)煔膺^濾中的應(yīng)用

梁振江,鄧 輝,張 杰,朱珍軍

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300380)

文章介紹了陶瓷纖維用于高溫?zé)煔膺^濾的可行性，概述了陶瓷纖維的物理化學(xué)性質(zhì)和國內(nèi)的研究現(xiàn)狀，將陶瓷纖維和其它無機(jī)纖維進(jìn)行了對比分析，探討了陶瓷纖維在高溫?zé)煔膺^濾中的優(yōu)缺點(diǎn)，為陶瓷纖維的進(jìn)一步研究開發(fā)提供一定參考。

陶瓷纖維；高溫過濾；過濾材料

1 引言

陶瓷纖維是一種集傳統(tǒng)絕熱材料、耐火材料優(yōu)良性能于一體的纖維狀輕質(zhì)耐火材料[1]，是繼碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維之后應(yīng)用較為廣泛的無機(jī)耐高溫?zé)煔膺^濾材料。陶瓷纖維按微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)可以分為玻璃態(tài)纖維和結(jié)晶質(zhì)纖維；按其化學(xué)組成可分為非氧化物和氧化物陶瓷纖維二大類；按使用溫度可以分為低檔陶瓷纖維(使用溫度為800 ℃～1100 ℃)、中檔陶瓷纖維(使用溫度為1200 ℃～1300 ℃)、高檔陶瓷纖維(使用溫度1300 ℃～1500 ℃)；按照材料的形態(tài)可以分為散狀陶瓷纖維、定形陶瓷纖維、不定形陶瓷纖維、混配(紡)陶瓷纖維[2]。不論以哪種方式對陶瓷纖維分類，陶瓷纖維的本質(zhì)還是不變的，化學(xué)組成是相同的，即陶瓷纖維的主要成分是碳化硅、氧化鋁或多鋁硅酸鹽[3]。

陶瓷纖維的使用溫度范圍是800 ℃～1500 ℃。在高溫?zé)煔膺^濾行業(yè)，參照熱能動力工程的劃分標(biāo)準(zhǔn)，可將待過濾的煙氣劃分為常溫?zé)煔?<120 ℃)、常高溫?zé)煔?<250 ℃)、亞高溫?zé)煔?250 ℃～450 ℃)、超高溫?zé)煔?<800 ℃)，一般工廠及行業(yè)煙氣溫度范圍在250 ℃～280 ℃[4]。陶瓷纖維是一種纖維狀輕質(zhì)耐火材料，具有質(zhì)輕、熱穩(wěn)定性好、耐高溫、比熱容小、耐機(jī)械振動等優(yōu)良特性[5]，并且陶瓷纖維可以通過雙面針刺的工藝制作陶瓷纖維針刺氈，其在高溫和低溫環(huán)境中被廣泛使用。因此，陶瓷纖維可以在高溫?zé)煔膺^濾中作為濾料使用。

2 陶瓷纖維的特性

2.1 陶瓷纖維的物理性質(zhì)

陶瓷纖維的主要化學(xué)組成成分為氧化鋁，因此陶瓷纖維在一定程度上表現(xiàn)出氧化鋁的特性，即難溶于水的白色固體，無臭、無味，易吸潮而不潮解(灼燒過的不吸濕)。因其又含有部分碳化硅，這樣既增強(qiáng)了陶瓷纖維的硬度，也增強(qiáng)了該纖維的熔沸點(diǎn)，所以在較高的溫度下也不發(fā)生形變。與傳統(tǒng)輕質(zhì)耐火材料相比，陶瓷纖維具有氣孔率高、氣孔孔徑和比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，一般陶瓷纖維氣孔率大于90%[6]。

2.2 陶瓷纖維的化學(xué)性質(zhì)

陶瓷纖維含堿量極低，幾乎不和冷、熱水作用，除氰氟酸、磷酸和強(qiáng)酸外，其他酸堿對它的侵蝕作用很小，在氧化氣氛下非常穩(wěn)定[7]。在使用過程中無毒、無害，不會有二次污染，對環(huán)境無不良影響。

2.3 陶瓷纖維的其它性質(zhì)

陶瓷纖維除了作為高溫?zé)煔膺^濾材料應(yīng)用在過濾方面，因其獨(dú)特的多孔狀纖維結(jié)構(gòu)，還可應(yīng)用于很多領(lǐng)域。陶瓷纖維的其它性質(zhì)常表現(xiàn)為：多孔狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱系數(shù)很低。常用于作為保溫隔熱材料，如石油化工設(shè)備、容器、管道和航空航天等的隔熱保溫材料；不燃或者有自熄性。常用作防火材料，如高檔寫字樓中的檔案庫、金庫、保險(xiǎn)柜等重要場所的絕熱、防火隔層，消防自動防火簾等；絕緣性。陶瓷纖維的化學(xué)組成物質(zhì)為共價(jià)鍵化合物，無導(dǎo)電性，常用來做絕緣材料，如電線桿上固定電線的瓷瓶等。陶瓷纖維除了以上特性外還有隔音、防輻射等特性。

3 陶瓷纖維的國內(nèi)研究進(jìn)展

我國陶瓷纖維已處于持續(xù)調(diào)整發(fā)展的階段，陶瓷纖維的生產(chǎn)工藝與設(shè)備，尤其是干法針刺毯的生產(chǎn)工藝與設(shè)備具有世界先進(jìn)水平[8]。金江等[9]通過將陶瓷纖維層和硅酸鈣互相黏附在一起，構(gòu)成一種耐高溫陶瓷纖維氣體過濾材料，其可耐200 ℃～1200 ℃的高溫，過濾阻力低，分離效率高且容易再生，可以廣泛應(yīng)用于高溫?zé)煔?、干法除塵等除塵過濾領(lǐng)域。李超[10]發(fā)明了一種具有倒錐形非織造布本體、圓形圈、第一半圓形加強(qiáng)筋和第二半圓形加強(qiáng)筋的陶瓷纖維原料非織造布過濾結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、過濾效率高、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕且可反復(fù)沖洗使用，擁有使用壽命長、生產(chǎn)成本低、適用范圍廣、易推廣等優(yōu)點(diǎn)。孫揚(yáng)善等[11]研究了由莫來石纖維和硅酸鋁纖維組成的陶瓷纖維過渡層對高溫氣體過濾用碳化硅非對稱過濾膜的成膜和過濾壓降的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)支撐體和過濾膜之間的陶瓷纖維過渡層厚度為60 μm左右時(shí)，過濾膜的過濾壓降最小，同時(shí)還大大提高了成膜過程中過濾膜的均勻性和完整性；王娟[12]設(shè)計(jì)了一種由圓形本體、緊固圈、圓形連接板、固定孔和過濾孔組成的陶瓷纖維原料滾筒式過濾結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用裝配便捷、過濾效率高、耐高溫高壓且可反復(fù)沖洗使用等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該過濾結(jié)構(gòu)生產(chǎn)成本低、易推廣。

與其它傳統(tǒng)高溫?zé)煔鉃V料相比較，陶瓷纖維濾料具有高效低阻、使用壽命長、清灰容易和后期維護(hù)簡單等優(yōu)勢，近二十年高溫氣體除塵過濾材料的研究取得了重大進(jìn)展，一批先進(jìn)過濾材料得以開發(fā)，尤其是陶瓷纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的開發(fā)使得陶瓷過濾材料的韌性得到很大提高[13]。開發(fā)和研制更加高效的高溫?zé)煔馓沾衫w維過濾裝置，對環(huán)境保護(hù)和社會發(fā)展具有重要意義。

4 陶瓷纖維與其他高溫過濾材料的比較

用于高溫過濾煙氣過濾材料的無機(jī)纖維除了玄武巖纖維以外，還有多種高性能纖維，例如碳纖維、玻璃纖維和石棉纖維等。它們具有無機(jī)纖維的部分或全部的特性，如耐高溫性、阻燃性、強(qiáng)度大、模量高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、吸聲隔音、透電波、抗震和介點(diǎn)絕緣等。這些纖維雖然具有多種優(yōu)異的性能，但也具有一定的缺陷。例如，碳纖維表面化學(xué)性呈惰性、表面能低、表面光滑，在使用過程中易引發(fā)靜電等；玄武巖纖維密度較大，在梳理成網(wǎng)時(shí)易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，且表面光滑、脆性大等；玻璃纖維硬度過高、卷曲度小、耐磨性能差；石棉纖維在使用過程中會產(chǎn)生致癌物質(zhì)，環(huán)保性很差等。

陶瓷纖維作為理想的高溫?zé)煔膺^濾材料，其主要優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：過濾方面：具有較高的除塵效率，可達(dá)99%以上；具有較高的強(qiáng)度和耐熱性；具有良好的耐高溫氣體腐蝕和化學(xué)腐蝕。制作工藝方面：具有加工容易、施工方便等特點(diǎn)，并且原料來源較為廣泛。環(huán)保方面：在使用過程中不會產(chǎn)生二次污染，不會產(chǎn)生有毒有害氣體，對環(huán)境無任何影響。經(jīng)濟(jì)方面：具有良好的再生性能，使用壽命長，原料廉價(jià)易得，成品加工流程短等。陶瓷纖維作為高溫濾料，在使用過程中清灰也比較容易，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)特性。

陶瓷纖維雖然有很多優(yōu)良的特性，但其最主要的缺點(diǎn)是不耐磨、不耐碰撞，不能抵抗高速氣流的沖刷，不能抵抗熔渣的侵蝕。因此在使用過程中常通過徑復(fù)合、預(yù)應(yīng)力法和相轉(zhuǎn)變法來提高陶瓷的韌性[14]，實(shí)際生產(chǎn)中一般是通過降低陶瓷纖維脆性的方法實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

隨著科學(xué)的發(fā)展，時(shí)代的進(jìn)步，人們生活水平的日益提高，對生活質(zhì)量的要求也越來越高。環(huán)境是人類和一切生物賴以生存的基礎(chǔ)，空氣質(zhì)量的好壞直接影響環(huán)境的好壞，進(jìn)而影響人們的生活質(zhì)量?？諝庵杏卸尽⒂泻ξ镔|(zhì)和顆粒粉塵物質(zhì)的減少有助于空氣質(zhì)量的提高，因此在高溫?zé)煔膺^濾過程中，過濾材料的過濾效率和質(zhì)量直接影響著空氣質(zhì)量。陶瓷纖維雖然有很高的過濾效率、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕，但其在使用過程中也常出現(xiàn)各種問題，因此對現(xiàn)有陶瓷纖維的升級改進(jìn)是今后的努力方向之一。

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TheApplicationofCeramicFiberinHighTemperatureFlueGasFiltration

LiangZhenjiang,DengHui,ZhangJie,ZhuZhenjun

(School of Textile， Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300380, China)

This paper introduced the feasibility of ceramic fiber used as a high temperature flue gas filter, summarized the physical and chemical properties of ceramic fiber and its domestic current research, analyzed and compared ceramic fiber and other inorganic fibers, discussed the advantages and disadvantages of ceramic fiber used in high temperature flue gas filtration. It provides references for further development of ceramic fiber.

ceramic fiber; high temperature filter; filter material

《聚酯工業(yè)》2018年征訂啟事

《聚酯工業(yè)》是國家新聞出版廣電總局批準(zhǔn)，由全國聚酯生產(chǎn)技術(shù)協(xié)作組、大連合成纖維研究設(shè)計(jì)院股份有限公司主辦的跨專業(yè)領(lǐng)域的化工科技刊物。由大連合成纖維研究設(shè)計(jì)院股份有限公司負(fù)責(zé)編輯、出版、發(fā)行?，F(xiàn)已入編《中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)》、《萬方數(shù)據(jù)—數(shù)字化期刊群》，并被國際著名檢索系統(tǒng)美國《化學(xué)文摘》(CA)、《劍橋科學(xué)文摘》(CSA)、俄羅斯《文摘雜志》(AJ)列入刊源。

《聚酯工業(yè)》報(bào)道的主要內(nèi)容是：國內(nèi)外聚酯原料、聚酯、聚酯纖維和非纖維產(chǎn)品的制造技術(shù)、科研成果、文獻(xiàn)綜述、技術(shù)發(fā)展動態(tài)、設(shè)備制造、分析測試、新產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)分析、企業(yè)管理、環(huán)境保護(hù)和市場動態(tài)等。設(shè)有“專論及綜述”、“科學(xué)研究”、“生產(chǎn)技術(shù)交流”、“設(shè)備及控制”、“講座”、“動態(tài)報(bào)道”等欄目。《聚酯工業(yè)》是廣大生產(chǎn)、科研、管理工作者及大專院校師生進(jìn)行技術(shù)信息交流的園地，是各圖書館、資料室以及有識之士收藏的佳品。

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2017-09-26

梁振江(1993—)，男，河南開封人，碩士研究生。