煙氣凈化用針刺濾料耐腐蝕性能研究*

劉 娜 陳香云 張永鋒 余梅芳 王紫諾 郭詠琪

1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)輕工與紡織學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010080；

2. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051

隨著大氣污染治理的深入，治理的難度在逐漸加大。近年，為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，政府部門(mén)對(duì)大氣污染物的排放量提出了嚴(yán)格的要求。濾料作為工業(yè)除塵的重要材料，適用于捕集細(xì)小、干燥的非纖維性粉塵。含塵氣體經(jīng)纖維織物的過(guò)濾作用后，較細(xì)小的粉塵在通過(guò)濾料時(shí)被攔截，最終氣體得到凈化[1]。因此，濾料作為控制細(xì)微粉塵排放的一種材料，已經(jīng)被應(yīng)用到水泥、鋼鐵、廢棄物焚燒等各行業(yè)中。

但由于實(shí)際工況環(huán)境苛刻復(fù)雜，排出的SO2等有害氣體有腐蝕作用[2]，這使得大部分濾料在濕度高和腐蝕強(qiáng)的環(huán)境中不能保持其基本性能。因此，為滿足實(shí)際使用需求，一方面需開(kāi)發(fā)出高性能纖維濾料，另一方面可基于濾料的基本性能對(duì)濾料進(jìn)行燒毛、軋光、浸漬、涂層、覆膜等后整理，改善濾料的使用性能。如：Xu等[3]基于高性能聚醚醚酮(PEEK)纖維制備出PEEK非織造布過(guò)濾器，能在硫酸、氫氧化鈉和250 ℃的高溫條件下表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性；廖俠等[4]研究了濾料的厚度、面密度對(duì)透氣性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著面密度的增加，濾料的透氣性在下降；崔鑫等[5]研究發(fā)現(xiàn)燒毛、軋光等后整理會(huì)使PPS濾料透氣性降低，但對(duì)濾料強(qiáng)力的影響有限；Han[6]探究發(fā)現(xiàn)涂層、覆膜等后整理會(huì)使濾料的透氣性和孔徑均有所下降，其中PTFE涂層后濾料的斷裂強(qiáng)力提高，但覆膜后濾料的力學(xué)性能變化不大；Yu[7]對(duì)PPS濾料進(jìn)行后處理后發(fā)現(xiàn)，濾料厚度減小、質(zhì)量增加且表面結(jié)構(gòu)變得更致密；關(guān)欣等[8]采用聚四氟乙烯乳液對(duì)聚酰亞胺纖維(P84)/超細(xì)玻璃纖維復(fù)合針刺濾料進(jìn)行了表面改性，濾料力學(xué)性能提高。

本文將研究8種濾料經(jīng)聚四氟乙烯覆膜前后的面密度、厚度及透氣性的變化，對(duì)比硫酸水溶液(pH值=5)、氫氧化鈉水溶液(pH值=9)和去離子水處理后濾料斷裂強(qiáng)力的變化，研究濾料覆膜前后的耐酸堿腐蝕性能的優(yōu)劣。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

8種濾料分別為玻璃纖維濾料(為便于區(qū)別，覆膜前稱為玻璃纖維針刺濾料、覆膜后稱為玻璃纖維覆膜濾料)，玄武巖纖維濾料(覆膜前稱為玄武巖纖維針刺濾料、覆膜后稱為玄武巖纖維覆膜濾料)，氟美斯(即玻璃纖維/P84纖維)濾料(覆膜前稱為氟美斯針刺濾料、覆膜后稱為氟美斯覆膜濾料)，玄武巖纖維與氟美斯(質(zhì)量比5∶5)復(fù)合濾料(覆膜前稱為玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合針刺濾料、覆膜后稱為玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合覆膜濾料)，聚苯硫醚(PPS)纖維濾料(覆膜前稱為PPS纖維針刺濾料、覆膜后稱為PPS纖維覆膜濾料)，亞克力(即丙烯腈系纖維)濾料(覆膜前稱為亞克力針刺濾料、覆膜后稱為亞克力覆膜濾料)，美塔斯(即芳綸纖維)濾料(覆膜前稱為美塔斯針刺濾料、覆膜后稱為美塔斯覆膜濾料)，滌綸濾料(覆膜前稱為滌綸針刺濾料、覆膜后稱為滌綸覆膜濾料)，皆由河北鋒淼環(huán)保設(shè)備有限公司提供。

1.2 儀器

AGS-X 100KN型精密電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(島津公司)、YG(B)461E型全自動(dòng)織物透氣性能測(cè)試儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)、YG(B)141D型數(shù)字式織物厚度儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)、GZX-9146 MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海博迅實(shí)業(yè)有限公司)、FA2004型分析天平(上海衡平儀器儀表廠)、ZB01B型圓盤(pán)取樣器(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)。

1.3 測(cè)試

1.3.1 面密度

參考GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量的測(cè)定》和GB/T 4669—2008《紡織品 機(jī)織物 單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測(cè)定》進(jìn)行面密度的測(cè)試。取面積均為100 cm2的圓形試樣5塊，使用分析天平稱取質(zhì)量，結(jié)果取平均值。

1.3.2 厚度

根據(jù)GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分：厚度的測(cè)定》進(jìn)行厚度的測(cè)試。設(shè)定施加的壓力為100 cN，壓腳面積為2 000 mm2。每塊試樣分別測(cè)試10個(gè)不同位置，結(jié)果取平均值，精度精確至0.01 mm。

1.3.3 透氣率

根據(jù)GB/T 24218.15—2018《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第15部分：透氣性的測(cè)定》進(jìn)行透氣率的測(cè)試。設(shè)定預(yù)調(diào)溫度為(20±2) ℃，預(yù)調(diào)濕度為(65±2)%，壓差為200 Pa，試驗(yàn)圓臺(tái)面積為20 cm2。每種試樣測(cè)量5次，結(jié)果取平均值。

1.3.4 耐化學(xué)腐蝕性能

參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》，先將每種試樣分別放入等體積的硫酸水溶液(pH值=5)、氫氧化鈉水溶液(pH=9)和去離子水中，處理24 h后取出洗凈，直接放入烘箱內(nèi)，以2 ℃/min的速率升溫至200 ℃，保溫40 min后取出，放入恒溫恒濕室內(nèi)調(diào)濕24 h；再設(shè)置試樣的夾持距離為20 cm，拉伸速度為100 mm/min，進(jìn)行斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 面密度、厚度及透氣率

8種濾料覆膜前后的面密度、厚度及透氣率歸納于表1中。

表1 濾料基本特征參數(shù)

從表1可以看出：

(1)8種濾料覆膜后的面密度值略有上下浮動(dòng)，增幅在-8.8%～8.0%之間，說(shuō)明聚四氟乙烯覆膜對(duì)濾料面密度的影響較小。

(2)8種濾料覆膜后的厚度稍有變化，增量在-0.21～0.84 mm，總體來(lái)說(shuō)使用聚四氟乙烯覆膜厚度變化不大。

(3)8種濾料覆膜后的透氣率較覆膜前均減小。覆膜濾料的透氣率主要由膜的孔徑和覆膜工藝決定。膜的孔徑越小，則濾料的透氣率越小，濾料對(duì)細(xì)微粉塵的阻擋和攔截等效果越好。

2.2 耐化學(xué)腐蝕性能

2.2.1 玻璃纖維濾料

覆膜前后的玻璃纖維濾料的拉伸曲線如圖1所示。1#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為892 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為940 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為840 N；2#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 377 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 417 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 405 N?？梢?jiàn)：玻璃纖維覆膜濾料的斷裂強(qiáng)力較未覆膜的玻璃纖維針刺濾料有所提高，且玻璃纖維覆膜濾料的耐酸堿性能較玻璃纖維針刺濾料都有所加強(qiáng)；覆膜前后的玻璃纖維濾料斷裂伸長(zhǎng)率都在12%以內(nèi)，說(shuō)明覆膜前后的玻璃纖維濾料的尺寸穩(wěn)定性都較好，都屬易斷裂型濾料[9]。

圖1 覆膜前后的玻璃纖維濾料的拉伸曲線

2.2.2 玄武巖纖維濾料

覆膜前后的玄武巖纖維濾料的拉伸曲線如圖2所示。

圖2 覆膜前后的玄武巖纖維濾料的拉伸曲線

3#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 454 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 558 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 233 N；4#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 971 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 406 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 540 N?？梢?jiàn)：經(jīng)酸堿處理后，玄武巖纖維覆膜濾料的斷裂強(qiáng)力較未覆膜的玄武巖纖維針刺濾料有所提高，說(shuō)明覆膜后濾料的耐酸堿性能有所加強(qiáng)；3#和4#濾料經(jīng)酸處理后的斷裂強(qiáng)力值大于經(jīng)堿處理后的斷裂強(qiáng)力值，這是因?yàn)樾鋷r纖維經(jīng)酸性溶液處理后，Si元素含量?jī)H小幅下降，但經(jīng)堿性溶液處理后，玄武巖纖維網(wǎng)絡(luò)骨架中的Si—O—Si與OH-發(fā)生取代反應(yīng)，Si元素被溶解，骨架間的其他成分與結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致纖維網(wǎng)絡(luò)骨架的破壞與斷裂[10-11]。

2.2.3 氟美斯濾料

覆膜前后的氟美斯濾料的拉伸曲線如圖3所示。5#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 386 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 438 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 269 N；6#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 230 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 112 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 124 N。可見(jiàn)：氟美斯覆膜濾料的斷裂強(qiáng)力比未覆膜的氟美斯針刺濾料低，說(shuō)明覆膜后氟美斯濾料耐酸堿腐蝕性能有所降低；經(jīng)堿處理后的氟美斯濾料的斷裂強(qiáng)力值比經(jīng)酸處理后的斷裂強(qiáng)力值小，這與氟美斯濾料主要由玻璃纖維和P84纖維制成有關(guān)，玻璃纖維的主要成分是二氧化硅和氧化鋁等，其中的二氧化硅與氫氧化鈉溶液會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成Na2SiO3，導(dǎo)致玻璃纖維結(jié)構(gòu)被破壞，故氟美斯濾料斷裂強(qiáng)力損失較大。

圖3 覆膜前后的氟美斯濾料的拉伸曲線

2.2.4 玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合濾料

覆膜前后的玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合濾料的拉伸曲線如圖4所示。7#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為644 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為651 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為804 N；8#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 138 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 016 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 037 N?？梢?jiàn)：玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合覆膜濾料的斷裂強(qiáng)力較未覆膜的玄武巖與氟美斯復(fù)合針刺濾料有明顯提高，且覆膜后的耐酸堿腐蝕性能都有所加強(qiáng)；7#和8#濾料斷裂強(qiáng)力較玄武巖纖維濾料、氟美斯濾料都要低，這主要與玄武巖纖維和氟美斯復(fù)合后的濾料結(jié)構(gòu)較松散，內(nèi)應(yīng)力降低有關(guān)；8#濾料的斷裂伸長(zhǎng)率較7#濾料有所提高，說(shuō)明覆膜后的玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合濾料克服了玄武巖纖維濾料和氟美斯濾料的脆性，柔韌性有所提高。

圖4 覆膜前后的玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合濾料的拉伸曲線

2.2.5 PPS濾料

覆膜前后的PPS濾料的拉伸曲線如圖5所示。9#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為838 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為823 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為865 N；10#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為827 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為824 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為851 N。可見(jiàn)：PPS覆膜濾料與未覆膜的PPS針刺濾料受硫酸溶液和氫氧化鈉溶液的影響較小，且斷裂伸長(zhǎng)率都較大。

圖5 覆膜前后的PPS濾料的拉伸曲線

2.2.6 亞克力濾料

覆膜前后的亞克力濾料的拉伸曲線如圖6所示。11#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為568 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為526 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為522 N；12#濾料經(jīng)pH=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為441 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為435 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為403 N?？梢?jiàn)：11#濾料的斷裂強(qiáng)力高于12#濾料，說(shuō)明經(jīng)聚四氟乙烯覆膜后，亞克力濾料的耐酸堿腐蝕性能有所下降；亞克力濾料經(jīng)酸處理后的斷裂強(qiáng)力值大于經(jīng)堿處理后的斷裂強(qiáng)力值，主要是因?yàn)閬喛肆Ψ肿由系摹狢N經(jīng)堿處理后轉(zhuǎn)化為羧基或羧酸鹽，具有了水溶性，故纖維遭到破壞，強(qiáng)力下降。

圖6 覆膜前后的亞克力濾料的拉伸曲線

2.2.7 美塔斯濾料

覆膜前后的美塔斯濾料的拉伸曲線如圖7所示。

圖7 覆膜前后的美塔斯濾料的拉伸曲線

圖7中：13#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為627 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為557 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為496 N；14#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為900 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為865 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為815 N?？梢?jiàn)：14#濾料的斷裂強(qiáng)力明顯高于13#濾料，說(shuō)明經(jīng)聚四氟乙烯覆膜后，濾料的斷裂強(qiáng)力提高，耐酸堿腐蝕性能加強(qiáng)；美塔斯濾料對(duì)于酸及大部分有機(jī)物具有較好的耐腐蝕性能，適用于高溫?zé)煹乐校秃蜓趸铮?3#濾料的斷裂伸長(zhǎng)率高于14#濾料，即未覆膜的美塔斯濾料柔韌性較好。

2.2.8 滌綸濾料

覆膜前后的滌綸濾料的拉伸曲線如圖8所示。15#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 240 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 315 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 113 N；16#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 708 N，經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 533 N，經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 444 N。可見(jiàn)：16#濾料的強(qiáng)力明顯高于15#濾料，說(shuō)明經(jīng)聚四氟乙烯覆膜后，濾料強(qiáng)力提高，耐酸堿腐蝕性能加強(qiáng)；去離子水處理后的15#濾料的拉伸曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰，且第二個(gè)峰的峰值明顯比第一個(gè)峰的峰值大，原因與拉伸過(guò)程中濾料達(dá)到第一個(gè)峰值后會(huì)繼續(xù)向中間收縮，濾料取向度提高，故峰值進(jìn)一步變大。

圖8 覆膜前后的滌綸濾料的拉伸曲線

3 結(jié)論

(1)經(jīng)聚四氟乙烯覆膜后，8種濾料的面密度變化幅度在-8.8%～8.0%之間，厚度變化值在-0.21～0.84 mm，覆膜工藝對(duì)濾料面密度和厚度的影響不大。

(2)8種濾料覆膜后，濾料透氣率減小，這有利于提高濾料對(duì)細(xì)微粉塵的過(guò)濾攔截效果。

(3)實(shí)際工況中，大量的有害氣體會(huì)腐蝕濾料，進(jìn)而直接影響濾料的使用壽命。覆膜后，如玻璃纖維覆膜濾料、玄武巖纖維覆膜濾料、玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合覆膜濾料、美塔斯覆膜濾料、滌綸覆膜濾料的耐酸堿性能均優(yōu)于其未覆膜濾料，但氟美斯覆膜濾料和亞克力覆膜濾料則表現(xiàn)出與它們相反的耐酸堿性能。PPS纖維濾料覆膜前后耐酸堿性能變化不大。此外，在覆膜濾料中，玻璃纖維覆膜濾料和PPS纖維覆膜濾料的耐酸性劣于耐堿性，其他覆膜濾料的耐酸性均優(yōu)于耐堿性；在未覆膜濾料中，玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合針刺濾料、PPS纖維針刺濾料耐酸性劣于耐堿性，其他未覆膜濾料的耐酸性均優(yōu)于耐堿性。