玻璃纖維在高溫過濾材料領域的應用

曾天卷，張心華，許重陽

（1.南京玻璃纖維研究設計院，南京 210012；2.安徽省績溪縣華林玻璃纖維有限公司，安徽 績溪 245300）

玻璃纖維在高溫過濾材料領域的應用

曾天卷1，張心華2，許重陽2

（1.南京玻璃纖維研究設計院，南京 210012；2.安徽省績溪縣華林玻璃纖維有限公司，安徽 績溪 245300）

回顧了我國玻璃纖維高溫過濾材料的發(fā)展歷程，從目前我國環(huán)境保護嚴峻局面和國家對環(huán)保的高要求等視角，提出玻璃纖維在我國工業(yè)高溫煙氣除塵領域的應用還有較大發(fā)展空間，并對其高端產品的研發(fā)進行了論述。

玻璃纖維；袋式除塵；高溫過濾材料

1 引言

《國家環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃》要求加強對工業(yè)粉塵的控制；《國家節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》指出，要推進大氣PM2.5治理加大工業(yè)煙塵污染防治力度；2016年1月1日起實施的《環(huán)境空氣質量標準》（GB-3095-2012）規(guī)定了PM2.5平均濃度限值，提高了煙塵排放要求；國家《大氣污染防治行動計劃》提出要全面推行清潔生產，到2017年，我國鋼鐵等重點行業(yè)排污強度要比2012年下降30%以上。這些政策法規(guī)都給高溫過濾材料提供了發(fā)展空間。

玻璃纖維在工業(yè)上作為過濾材料，始于20世紀30年代，自1932年美國歐文斯-伊利諾思公司將其應用于強制通風窯爐收塵，至今已有80多年歷史。我國于20世紀60年代開始玻璃纖維過濾材料研究，至今也有半個世紀。從發(fā)展歷程看，我國的玻璃纖維過濾材料研究可分為六大類：圓筒布過濾材料；平幅布過濾材料；膨體紗過濾布；針刺氈過濾材料；復合氈過濾材料；覆膜過濾材料等。各大類又具有多個品種，多個品種可分多個規(guī)格，已形成系列化。玻璃纖維過濾材料在國內各個工業(yè)部門的高溫煙氣除塵領域已得到廣泛應用，對高溫煙氣除塵、保護環(huán)境、產品回收等做出了積極貢獻。

袋式除塵設備由于對煙氣高溫、高濕、高濃度、微細粉塵等條件的適應性較高，因而在大氣粉塵治理，尤其是工業(yè)煙氣除塵方面占重要位置。袋式除塵技術涉及機械、電控、化工、紡織、工程設計、除塵和環(huán)保等多方面專業(yè)知識。隨著世界袋式除塵技術的不斷發(fā)展，我國的袋式除塵技術也取得了巨大進步，并已形成一個完整的、較大的產業(yè)，從事該行業(yè)的企業(yè)已達數(shù)百家。袋式除塵器中的關鍵部件為濾袋，玻璃纖維作為濾袋的主要材料，近幾十年來也發(fā)展很快。面對環(huán)境嚴峻的局面及環(huán)保的高要求，我國的玻璃纖維過濾材料仍需進一步發(fā)展，努力攻克一些高端玻璃纖維濾材的關鍵技術。

2 玻璃纖維的性能及應用

玻璃纖維是一種人造無機非金屬纖維，具備強度好、尺寸穩(wěn)定，耐溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，且主要原材料資源量很大，目前已能工業(yè)化生產，價格也比其他一些無機和有機纖維低，目前已大量應用于大氣環(huán)境保護領域，尤其在高溫氣體過濾領域占據(jù)了重要地位，已廣泛應用于炭黑、水泥、冶金、火電以及垃圾焚燒等煙氣除塵凈化，是目前性價比最優(yōu)的高溫過濾材料。工業(yè)煙

氣除塵凈化領域應用的主要纖維過濾材料及其主要性能對比見下表。

主要纖維過濾材料性能對比表

上表中的纖維均可應用于高溫工業(yè)煙氣除塵過濾，由于它們之間性能存在差異，且有些性能差異較大，所以不同除塵領域、不同煙氣工況應選用不同濾料。選擇濾料主要應考慮的因素為：煙氣溫度高低、煙氣酸堿腐蝕性、煙氣含塵量大小及顆粒度，以及煙氣中O2含量等。例如：對于煙氣溫度260℃～300℃，就應選擇GF 和PTFE而不能選擇PPS（因為其易發(fā)生高溫降解、纖維變脆、強度下降）、Nomex和P84；對于含堿性煙氣，不能選擇耐堿性能差的P84和玻纖；對于高濕煙氣不宜選用P84和Nomex，因為這2種材料不耐水，在高溫高濕下易發(fā)生水解，產生分子鏈斷裂，強度下降；對于煙氣中含O2＞15%就不能選用耐氧化性能差的PPS，其在高氧氣含量下易發(fā)生氧化，強度下降，變色、變硬發(fā)脆。選擇工業(yè)煙氣除塵濾料，還應考慮其性價比，PPS、PTFE過濾性能好，但價格較高，例如進口PTFE纖維價格高達數(shù)十萬元/t，國產PTFE纖維也要10萬元/t。而GF雖然某些過濾性能（如耐磨耐折）不如PTFE，但其價格遠低于PTFE，而且PTFE強度低，尺寸穩(wěn)定性差，難以單獨使用。而對于GF耐磨、耐折性能不足，可通過表面化學處理加以改善，這也就是當今世界GF在高溫工業(yè)煙氣除塵領域占據(jù)重要地位的原因。

3 開發(fā)高性能玻纖高溫過濾材料的設想

隨著我國大氣污染壓力增大和大氣污染防治要求的提高，對環(huán)保產業(yè)，尤其是對過濾材料行業(yè)提出更高要求，要不斷進行創(chuàng)新，如提高過濾材料性能，提高耐高溫性能、提高過濾速度、提高過濾效率、提高過濾材料壽命、提高過濾材料性價比等。所有這些不但要從原材料入手，還應從生產工藝、表面處理工藝技術等方面著手進行深入研發(fā)。

3.1 耐高溫玻璃纖維過濾材料

目前，在常用高溫過濾材料中，GF和PTFE耐溫較高，但也只達到工作溫度260℃，瞬時耐溫300℃，這一耐溫等級，對于普通高溫工業(yè)煙氣除塵來講，可以滿足要求，但對于一些高于300℃的工業(yè)煙氣來講，其耐溫性能又顯不足，例如水泥行業(yè)窯頭窯尾煙氣溫度有時高達350℃，尤其是立窯機煙塵溫度經常在300℃～400℃波動；鋼鐵行業(yè)，如干法高爐煤氣溫度較高，可達350℃以上，而炭黑工業(yè)煙氣溫度也往往較高。雖然已有人研發(fā)出武巖纖維（CBF）用作高溫過濾材料（其連續(xù)工作溫度為-267℃～650℃，推薦使用溫度為350℃），但武巖纖維的原材料來源廣泛、成分復雜，品質差異過大，纖維成型難度大，生產成品率很低，成本偏高，而且由于研制時間、技術等限制，目前尚無與之配套的浸潤劑，所以其產品在高溫環(huán)境下的應用性能變化大，強度損失過快，導致壽命受影響，因而至今難以在工業(yè)煙氣除塵上應用。再如耐高溫的高硅氯玻璃纖維，雖然可在600℃～800℃高溫下長期工作，但其不耐磨、不耐折、強度不高，難以達到預期使用壽命，且價格較高（為GF數(shù)倍），所以也難以用作工業(yè)高溫過濾材料。

進一步提高玻璃纖維過濾材料的耐溫性能很有必要，石英纖維可耐1100℃～1200℃高溫，高硅氧玻璃纖維也能耐1000℃高溫，而E玻纖只能耐溫300℃，原因在于這些材料成分中的SiO2含量不同：石英纖維中含99.99%，高硅氧纖維中含量≥96%，E玻纖54%。高硅氧玻璃纖維原材料的SiO2含量也不高（約65%），但通過酸濾瀝技術，可去除纖維中的非SiO2成分，使纖維中的SiO2含量≥96%。E玻纖中也存在SiO2密集相，也可通過酸濾瀝提高SiO2含量，如達到60%以上，則其耐溫可提高到350℃～400℃，但對其工藝技術應進行深入研究，使其達到既提高耐溫性能，強度下降又不大，生產成本提高不多，成為一種新的耐高溫玻璃纖維過濾材料。

3.2 高防水拒油之高溫玻璃纖維過濾材料

工業(yè)高溫煙氣的含油量也高，因而要求過濾材料具備特種性能，對于大部分高溫過濾材料，不具備防水拒油功能，所以在過濾過程中，煙氣中的水汽和油分會吸附在濾材表面（結露），并與粉塵黏接糊袋，這會降低濾料透氣性，增加過濾阻力，降低過濾效率，且糊袋會變成結皮，影響濾袋的使用壽命。如垃圾焚燒的煙氣高含濕、高含油，且含有SO2、HCl等腐蝕性氣體，而炭黑生產中的煙氣也是高含濕（袋濾面處理的煙氣含水量達30%～40%，副袋濾面處理的煙氣含水量更是高達20%～75%），高含油，還高含CO2、NOx、SO2等氣體而凝結成酸霧，而SO2存在可導致煙氣露點升高，使運行中更容易結露，影響過濾材料正常運行。對于E玻纖來講，其表面具備一定的吸濕性能，所以必須采用特殊配方對其進行表面化學處理，以提高其防水拒油功能。如：安徽省績溪縣某玻璃纖維公司已研究出疏水＞5級，疏油達到＞4級的高防水高拒油玻璃纖維過濾材料，深受用戶歡迎。

3.3 高性價比之GF與PTFE復合高溫過濾材料

GF具備高強度、高尺寸穩(wěn)定性、價位較低，但耐磨耐折性能較差，而PTFE具有自潔性好、耐磨耐折性能優(yōu)良、耐腐蝕性能好等特點，但其強度較低，尺寸穩(wěn)定性較差，且價格高，故難以在工業(yè)高溫煙氣除塵中大量使用。若該兩種同一耐溫等級的材料進行科學復合，可性能互補，達到最佳綜合性能，成為最佳高溫過濾材料。可采用如下形式：

（1）GF和PTFE混紡復合而成高溫過濾材料

設計時需注意二者的配比，因為PTFE的價格比GF價格高幾十倍，若PTFE纖維含量高，肯定耐磨耐折性能好，但強度較低，價格也會偏高，影響性價比。此外，生產工藝技術也要注意，二者混紡的捻度大小選擇應合適，若捻度大，非但織造困難，而且PTFE纖維的受力度較大，布面質量難以保證，在混紡加工時，對二者張力的控制也很重要。

（2）GF浸涂PTFE乳液

采用高濃度PTFE乳液對GF紗線進行浸漬，以成鍍PTFE薄膜GF纖維。在玻璃纖維紗外面均勻涂覆一層PTFE薄膜，提高了GF耐酸堿性能和耐磨性能、拒水性能及自潔性能（利于清灰），從而大大提高濾材的過濾性能，并提高了其使用壽命。同時也存在技術問題需要深入研究，如：鍍膜厚度選擇及控制問題，如何提高GF表面PTFE鍍層均勻性，如何提高生產效率等，以及織造工藝技術問題等。

（3）GF織物與ePTFE復合

GF織物（或針刺氈）不具備表面過濾功能，所以對于PM5，尤其是PM2.5以下的微細粉塵不具備過濾除塵功能，ePTFE具有大量0.2～0.3μm微孔，能有效過濾PM2.5粉塵，具備表面過濾功能。但ePTFE強度低，難以在高溫工業(yè)微細粉塵過濾上單獨使用。采用具有同一耐溫等級而高強度、高尺寸穩(wěn)定性GF織物（或氈材）與ePTFE復合，是當今世界通用的一種具有表面過濾功能的高溫覆膜濾料。這里需注意的技術問題是工種材料匹配和復合工藝問題。對于ePTFE應選擇合適的微孔平均孔徑，微孔孔徑分布合理，孔隙率高且分布均勻，薄膜厚度合適，強度較高。GF基布要求表面平整度高、清潔度高，基布的貼服性好。由于GF表面活性低，要提高與ePTFE黏接強度，國內一些企業(yè)由于處理設備和工藝等問題，往往存在處理后的GF基布平整度差、布質地硬、與ePTFE黏服性差等問題，導致GF與ePTFE貼合不均勻，造成ePTFE開裂、脫層等，影響了產品性能和使用壽命。國內現(xiàn)已有企業(yè)研發(fā)出GF/PTFE混紡基布，提高了基布與ePTFE黏接性能，并通過表面化學處理，使基布柔軟、顏色均一，貼服性好，成為優(yōu)質覆膜基布。

（4）其他復合方法

GF與PTFE纖維還有不少復合方法，如對PTFE纖維采用乳液紡絲法生產，在其生產過程中進行兩種纖維復合（類似法國圣戈班公司TWⅠNTEX法）。但該生產技術的難度較高，許多技術問題尚未被攻克。

4 結語

濾袋是袋式除塵器的關鍵部件，也是需定期更換的耗材，因而提高過濾材料性能，開發(fā)出更耐高溫、高濕，更高強度、更長壽命、更高性能及性價比的高端過濾材料十分必要。高端過濾材料現(xiàn)在還是我國濾袋行業(yè)的一個弱項，需要全行業(yè)的共同努力，攻克高端玻璃纖維過濾材的關鍵技術。

[1] 張躍明，等．玻璃纖維與礦物棉全書[M]．北京：化學工業(yè)出版社．

[2] 姜肇中，等．玻璃纖維應用技術[M]．北京：中國石化出版社．

[3] 國家環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃、國家節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃[Z]．

[4] 曾天卷．無堿玻璃纖維如何耐高溫[N]．中國紡織報，2012-07-10．

Application of Spun Glass in Areas of High Temperature Filtering Materials

ZENG Tian-juan, ZHANG Xin-hua, XU Chong-yang

X701

A

1006-5377（2016）11-0031-03