工業除塵濾料高溫拉伸性能研究

國家紡織品服裝服飾產品質量檢驗中心， 廣東 廣州 511447

隨著我國工業化程度的不斷提高，企業排放的工業煙氣中的顆粒物對環境的影響越來越大。近年來，國家環保部門重點推廣袋式除塵技術的應用，而工業除塵濾料是袋式除塵器的核心部件，其性能直接影響整套袋式過濾系統的運行質量。在進行工業煙氣除塵時，工業煙氣的溫度往往在50 ℃以上，有的甚至達到100 ℃以上。工業除塵濾料長時間在高溫環境中過濾煙氣中的顆粒物，同時受到風力載荷的拉伸作用。目前，工業除塵濾料的拉伸斷裂試驗在室溫環境中進行，或者采用烘箱對樣品進行規定時間的高溫預處理，然后在室溫環境中進行拉伸斷裂試驗[1-2]，但此時熱作用和拉伸作用是分開進行的，不能完全模擬工業除塵濾料在高溫環境中承受拉伸的實際應用情況。工業除塵濾料的高溫拉伸蠕變是指濾料長時間處于高溫環境中，在恒定拉伸載荷(其遠小于濾料的拉伸斷裂強力)的作用下發生緩慢伸長，甚至斷裂的現象。高溫拉伸蠕變性能可以全面表征工業除塵濾料在高溫環境中的變形狀況。

與濾料在室溫環境中進行拉伸試驗(簡稱“室溫拉伸試驗”)、濾料經高溫預處理再在室溫環境中進行拉伸試驗(簡稱“高溫預處理+室溫拉伸試驗”)相比，濾料在高溫環境中進行拉伸試驗(簡稱“高溫拉伸試驗”)更接近工業除塵濾料的實際工況，在工業除塵濾料高溫拉伸性能的評價方面更具有優勢，利于更加準確地預測工業除塵濾料在高溫工況中的拉伸性能。

本文通過高溫拉伸斷裂試驗研究工業除塵濾料的高溫拉伸斷裂性能，并且與室溫拉伸斷裂試驗結果、高溫預處理+室溫拉伸斷裂試驗結果比較，分析熱作用和拉伸作用同時發生對工業除塵濾料拉伸斷裂性能的影響；同時，通過高溫拉伸蠕變試驗研究拉伸蠕變載荷對工業除塵濾料高溫拉伸蠕變性能的影響，以期為濾料的使用評估提供數據支撐，為濾料使用壽命的預測提供幫助。

1 試樣及測試儀器

1.1 試樣

耐高溫工業除塵濾料：針刺非織造氈，面密度為500 g/m2，在壓強為0.5 kPa時測得其厚度為1.679 mm。

1.2 測試儀器

(1) 電子萬能材料試驗機(圖1)，用于對試驗樣品進行高溫及室溫條件下的拉伸斷裂試驗和高溫拉伸蠕變試驗。采用美國英斯特朗(Instron)公司生產的型號為Instron 5699-E2的電子萬能材料試驗機，其為等速伸長型(CRE)，主要部件包括加載系統、夾持系統、高溫環境箱等。

圖1 Instron 5699-E2電子萬能材料試驗機

(2) 烘箱(圖2)，用于對試樣進行高溫預處理。采用德國美墨爾特(Memmert)公司生產的型號為UF110-B0的烘箱，其使用溫度范圍為室溫至250 ℃。

圖2 UF110-B0烘箱

2 試驗內容

試驗內容主要包括兩個部分：高溫/室溫拉伸斷裂試驗和高溫拉伸蠕變試驗。

2.1 高溫/室溫拉伸斷裂試驗

測量試樣的拉伸斷裂強力和拉伸斷裂伸長率，其試驗內容主要包括：(1)在室溫(20 ℃)環境中對試樣進行拉伸斷裂試驗；(2)首先對試樣進行高溫預處理，即將試樣置于100 ℃烘箱中24 h后冷卻至室溫，再在室溫(20 ℃)環境中進行拉伸斷裂試驗；(3)在不同高溫(100、150、200、250 ℃)環境中對試樣進行拉伸斷裂試驗。根據以上試驗數據，通過計算獲得試樣在高溫環境中的拉伸斷裂強力損失率和試樣經高溫預處理后的拉伸斷裂強力損失率，對試樣的高溫拉伸斷裂性能與試樣經高溫預處理后的拉伸斷裂性能進行對比。

2.2 高溫拉伸蠕變試驗

測量試樣的高溫拉伸蠕變性能，采用蠕變曲線及數據表示。試驗參數：蠕變時間1 800 s，試驗溫度100 ℃，蠕變載荷50、 100、 150、 200 N。

3 結果和討論

3.1 高溫/室溫拉伸斷裂試驗

高溫(100 ℃)拉伸斷裂試驗結束后的試樣形態如圖3所示。

圖3 高溫(100 ℃)拉伸斷裂試驗后的試樣形態

從圖3可以看出，試樣中間部位的寬度變窄，被電子萬能材料試驗機上的夾持器夾持部位的寬度保持不變，試樣寬度轉變區域的應力較集中，因此試樣在此處發生斷裂的情況較多。

試驗溫度與試樣拉伸斷裂強力的關系如圖4所示。

圖4 試驗溫度與試樣拉伸斷裂強力的關系

從圖4可以看出，隨著試驗溫度升高，試樣的縱、橫向拉伸斷裂強力均呈線性下降趨勢。溫度升高，導致纖維分子熱運動加劇及分子鏈間的滑移程度加大，因此工業除塵濾料的拉伸斷裂強力下降。當試驗溫度從100 ℃升到200 ℃時，試樣的縱向拉伸斷裂強力從1 052.84 N/(5 cm)下降至833.23 N/(5 cm)，下降了20.9%；試樣的橫向拉伸斷裂強力從1 128.30 N/(5 cm)下降至953.47 N/(5 cm)，下降了15.5%。

對試樣在不同試驗溫度下的縱、橫向拉伸斷裂強力測試結果進行線性擬合，得到：

試樣縱向拉伸斷裂強力的線性擬合方程

y=1 269.140 9-2.288 80x

(1)

試樣橫向拉伸斷裂強力的線性擬合方程

y=1 303.741-1.914 74x

(2)

從上述兩個線性擬合方程，可以看出它們的斜率不同，方程(1)的斜率(2.288 80)大于方程(2)的斜率(1.914 74)。由此可見，隨著試驗溫度升高，試樣的縱向拉伸斷裂強力的下降速度較橫向快。在各個試驗溫度下，試樣的縱向拉伸斷裂強力均低于橫向，并且隨著試驗溫度升高，縱、橫向拉伸斷裂強力的差異增大，這與方程(1)和(2)的斜率一致。

試驗溫度與試樣拉伸斷裂伸長率的關系如圖5所示。

圖5 試驗溫度與試樣拉伸斷裂伸長率的關系

從圖5可以看出，隨著試驗溫度不斷升高，試樣的拉伸斷裂伸長率首先逐漸增大，在試驗溫度為150 ℃時達到最大，然后逐漸減小。分析其原因，當試驗溫度在150 ℃以下時，濾料大分子結構中的分子鏈移動對伸長率的增大起主要作用；當試驗溫度超過150 ℃后，濾料大分子結構中的分子鏈移動對伸長率的增大作用，小于此時濾料強力下降導致的伸長率下降作用。

比較圖4和圖5的曲線形狀，可以看出隨著試驗溫度升高，試樣拉伸斷裂伸長率的變化趨勢并不同于其拉伸斷裂強力的線性下降趨勢，而是呈現出先增后降的拋物線變化趨勢。

不同試驗方法(試驗溫度分別為室溫、100 ℃高溫、100 ℃高溫預處理+室溫)得到的試樣拉伸斷裂強力對比如圖6所示。

圖6 不同試驗方法得到的試樣拉伸斷裂強力

以試樣的室溫拉伸斷裂強力為基準，對試樣的100 ℃高溫拉伸斷裂強力做比較，其縱向拉伸斷裂強力保持率為77.8%，即拉伸斷裂強力損失率為22.2%；其橫向拉伸斷裂強力保持率為82.0%，即拉伸斷裂強力損失率為18.0%。由此可見，高溫拉伸斷裂試驗能夠有效地表征溫度升高對工業除塵濾料拉伸斷裂強力的影響。

同樣地，以試樣的室溫拉伸斷裂強力為基準，對試樣的100 ℃高溫預處理+室溫拉伸斷裂強力做比較，其縱向拉伸斷裂強力保持率為99.6%，即拉伸斷裂強力損失率為0.4%；其橫向拉伸斷裂強力保持率為100.3%，即拉伸斷裂強力未損失且略增加。由此可見，高溫預處理對試樣拉伸斷裂強力的影響很小，對試樣進行100 ℃高溫預處理再在室溫環境中進行拉伸斷裂試驗，不能有效地表征高溫對濾料拉伸斷裂強力的影響。

試驗結果表明，在溫度和拉伸載荷同時作用的情況下，工業除塵濾料的拉伸斷裂強力下降較快，濾料會更快地發生破壞；采用高溫對工業除塵濾料進行預處理后再冷卻至室溫進行拉伸斷裂試驗，無法真實反映工業除塵濾料在實際工況中受到的高溫熱作用和載荷作用。因此，對于長期應用于高溫環境的工業除塵濾料而言，高溫拉伸試驗更合理。

3.2 高溫拉伸蠕變試驗

高溫拉伸蠕變試驗結束后的試樣形態如圖7所示。

圖7 高溫拉伸蠕變試驗結束后的試樣形態

從圖7可以看出，高溫拉伸蠕變試驗后，試樣發生了不可回復的塑性變形，其隨著拉伸蠕變載荷提高而增加，當拉伸蠕變載荷為150、 200 N時，蠕變伸長明顯，試樣中間部位的寬度明顯變窄，表明濾料發生了較明顯的塑性變形。

試樣高溫拉伸蠕變曲線如圖8所示，可以看出，在達到恒定的蠕變載荷之前，隨著蠕變載荷增大，試樣的伸長快速增加。當蠕變載荷分別為100、 200 N時，達到恒定的蠕變載荷時，試樣的伸長分別為13.451、 31.891 mm，后者比前者增加137.1%。當蠕變載荷分別為50、 100、 150、 200 N時，試樣的蠕變伸長分別為1.350、 1.113、 1.179、 0.889 mm。也就是說，在四種蠕變載荷下，試樣的蠕變伸長在0.800～1.400 mm。

試驗結果表明，在達到恒定的蠕變載荷前，隨著蠕變載荷增大，試樣的伸長大幅增加(達兩倍以上)，而試樣的蠕變伸長則呈逐漸減小趨勢。

圖8 試樣高溫拉伸蠕變曲線(試驗溫度100 ℃)

4 結論

(1) 在100 ℃高溫拉伸斷裂試驗中，溫度和載荷同時作用，試樣的拉伸斷裂強力下降幅度較大，以室溫拉伸斷裂強力為基準做比較，試樣的縱、橫向拉伸斷裂強力損失率分別為22.2%、 18.0%；在100 ℃高溫預處理+室溫拉伸斷裂試驗中，溫度作用和載荷作用不同時發生，同樣以室溫拉伸斷裂強力為基準做比較，試樣的縱、橫向拉伸強力損失率基本可以忽略不計，因此無法表征溫度升高對工業除塵濾料拉伸斷裂強力的影響。由此表明，對于長期應用于高溫環境的工業除塵濾料，高溫拉伸斷裂試驗更合理，它能夠更好地模擬工業除塵濾料的實際工況，而高溫預處理+室溫拉伸斷裂試驗則無法有效表征工業除塵濾料在實際工況中經受的高溫對其拉伸斷裂性能的影響。

(2) 經高溫拉伸蠕變試驗后，試樣呈現出不可回復的塑性變形，其隨著蠕變載荷增大而增加。當蠕變載荷較大時，試樣中間部位的寬度明顯變窄，表明工業除塵濾料發生了較明顯的塑性變形，這會影響工業除塵濾料的過濾性能和使用壽命。

(3) 在高溫拉伸蠕變試驗中，隨著蠕變載荷不斷增大，在達到恒定的蠕變載荷前，試樣的伸長大幅增加(達兩倍以上)，而試樣的蠕變伸長則呈現逐漸減小的趨勢。