表面改性玄武巖纖維濾料耐溫性能的研究*

童 慶 (合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，合肥，230051)

耐高溫濾料在水泥、化工、冶金、電力等行業(yè)高溫?zé)煔鈨艋夹g(shù)中已得到廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)需求量巨大。目前，普遍使用的耐高溫濾料用纖維包括聚苯硫醚(PPS)、聚酰亞胺(P84)、芳族聚酰胺、聚四氟乙烯(PTFE)和玻璃纖維等，但上述纖維制成的濾料持續(xù)耐溫最高不超過250℃，且在耐水解、抗氧化和耐腐蝕等方面性能優(yōu)劣不一。玄武巖纖維特有的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，使其在耐高溫(持續(xù)耐溫約300～500℃)、穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐水解性和絕緣性等許多技術(shù)指標(biāo)方面優(yōu)于玻璃纖維和化學(xué)纖維，成為理想的高溫?zé)煔膺^濾材料［1-5］。本文對(duì)玄武巖纖維濾料表面改性前后，以及表面改性后玄武巖纖維濾料與無堿玻纖濾料的耐溫性能、結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

(1)玄武巖纖維濾料。玄武巖纖維經(jīng)開松、除雜、混合后喂入梳理機(jī)，經(jīng)機(jī)械成網(wǎng)工藝制成玄武巖纖網(wǎng)層，在玄武巖纖維基布上下兩面鋪放玄武巖纖網(wǎng)層，進(jìn)行預(yù)刺，使玄武巖纖維針刺氈具備初步的強(qiáng)力;再經(jīng)過多臺(tái)針刺機(jī)不同深度的主刺，確保玄武巖纖網(wǎng)層充分和基布勾連，各層相互抱合，增加玄武巖纖維針刺氈的強(qiáng)力。玄武巖纖維基布由玄武巖長絲合股并經(jīng)過機(jī)織而成，面密度420 g/m2，經(jīng)紗密度48根/10 cm，緯紗密度51根/10 cm;經(jīng)向斷裂強(qiáng)力1 774 N，緯向斷裂強(qiáng)力2 073 N。

(2)普通無堿玻纖濾料。

1.2 儀器及試驗(yàn)條件

YGO65H型電子織物強(qiáng)力儀;BPG-9100BH高溫干燥箱;JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡，高真空模式分辨率3.0 nm，放大倍數(shù)18～300 000倍，加速電壓0.5～30 kV。

1.3 試樣改性處理

由于各行業(yè)工業(yè)爐窯產(chǎn)生的煙氣粉塵化學(xué)成分、煙氣的溫濕度等差別很大，需采用浸潤劑后整理技術(shù)對(duì)玄武巖纖維濾料表面進(jìn)行改性處理。步驟如下：

(1)對(duì)濾料樣品進(jìn)行高溫預(yù)處理，以去除原有濾料纖維表面化學(xué)物質(zhì)的干擾;

(2)配制浸潤劑，將浸潤劑均勻地涂覆在經(jīng)高溫預(yù)處理的濾料樣品表面，再次進(jìn)行高溫?zé)岫ㄐ?

(3)經(jīng)表面改性處理的濾料樣品放置在烘箱內(nèi)進(jìn)行高溫處理，然后冷卻至室溫。

1.4 性能測(cè)試

對(duì)玄武巖纖維濾料表面改性前后，以及表面改性后玄武巖纖維濾料與無堿玻纖濾料的耐溫性能和結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行對(duì)比研究。濾料耐溫性能試驗(yàn)方法按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面改性對(duì)玄武巖纖維濾料斷裂強(qiáng)力的影響

圖1 玄武巖纖維濾料表面改性處理前后的斷裂強(qiáng)力曲線

圖1為玄武巖纖維濾料表面改性處理前后在常溫、250、300、350和400 ℃下的經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力曲線，可以看出經(jīng)過表面處理的玄武巖纖維濾料經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力明顯高于未經(jīng)表面處理的濾料。這是因?yàn)闉V料表面經(jīng)浸潤劑處理后，部分浸潤劑已深入濾料內(nèi)部，濾料表層及內(nèi)部纖維間相互黏結(jié)，抱合力明顯增強(qiáng)。在250～300℃之間濾料強(qiáng)力損失較大，表明隨著溫度的升高，浸潤劑中的化學(xué)有機(jī)成分不斷揮發(fā)，纖維間的抱合力消失迅速，但在300℃附近濾料經(jīng)、緯向強(qiáng)力仍保持在1 500 N以上，這正是玄武巖纖維本身優(yōu)異的耐溫性能所致。

圖2是玄武巖纖維濾料表面改性處理前后在常溫及400℃下的SEM照片。比較圖2(a)和圖2(b)，可以看出經(jīng)過300～400℃高溫處理后，浸潤劑中的化學(xué)有機(jī)成分已基本消失，濾料纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致強(qiáng)力進(jìn)一步下降;比較圖2(c)和圖2(d)，可以看出無論在常溫還是高溫下，未經(jīng)表面處理的濾料纖維間沒有浸潤劑的黏結(jié)，從而喪失抱合力，故其強(qiáng)力明顯低于改性處理后的濾料。

圖2 玄武巖纖維濾料表面改性處理前后在常溫和400℃下的SEM照片

2.2 表面改性處理后玄武巖纖維濾料與無堿玻纖濾料斷裂強(qiáng)力比較

圖3為表面改性處理后玄武巖纖維濾料與無堿玻纖濾料在常溫、250、300和350℃下的經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力曲線，可以看出表面改性處理后玄武巖纖維濾料經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力均大大高于無堿玻纖濾料。這是因?yàn)樾鋷r特殊的化學(xué)組分及晶體結(jié)構(gòu)決定了其纖維產(chǎn)品比無堿玻纖具有更高的耐溫性能、力學(xué)性能及化學(xué)性能。

圖3 表面改性處理后玄武巖纖維濾料與無堿玻纖濾料的斷裂強(qiáng)力曲線

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過表面處理的玄武巖纖維濾料經(jīng)、緯向強(qiáng)力明顯高于未經(jīng)表面處理的玄武巖纖維濾料;在250～300℃之間玄武巖纖維濾料的強(qiáng)力損失較大，300～400℃高溫處理后浸潤劑中的化學(xué)有機(jī)成分已基本消失，玄武巖纖維濾料纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致強(qiáng)力進(jìn)一步下降。

(2)表面改性處理后玄武巖纖維濾料在常溫、250、300和350℃下的經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力均大大高于無堿玻纖濾料。

［1］MEDVEDYEV O，TSYBULYA Y.Basalt use in hot gas filtration［J］.Filtration and Separation，2005，42(1)：34-37.

［2］WANG Mingchao，ZHANG Zuoguang，LI Yubin，et al.Chemical durability and mechanical properties of alkaliproof basalt fiber and its reinforced epoxy composites［J］.Reinforced Plastics and Composites，2008，27(4)：393-407.

［3］KNOTKO A V，GARSHEV A V，DAVYDOVA I V，et al.Chemical processes during the heat treatment of basalt fibers［J］.Protection of Metals，2007，43(7)：694-700.

［4］張小良，沈恒根.高溫?zé)煔獬龎m用纖維濾料研究進(jìn)展［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，5(5)：13-16.

［5］梁鳳靜，楊彩云.玄武巖纖維織物耐酸堿性試驗(yàn)研究［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2010，28(4)：21-23.