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. 內蒙古工業大學輕工與紡織學院，內蒙古 呼和浩特010080；

2. 內蒙古工業大學化工學院，內蒙古 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，為打贏藍天保衛戰，政府部門對大氣污染物的排放量提出了嚴格的要求。濾料作為工業除塵的重要材料，適用于捕集細小、干燥的非纖維性粉塵。含塵氣體經纖維織物的過濾作用后，較細小的粉塵在通過濾料時被攔截，最終氣體得到凈化[1]。因此，濾料作為控制細微粉塵排放的一種材料，已經被應用到水泥、鋼鐵、廢棄物焚燒等各行業中。

但由于實際工況環境苛刻復雜，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的環境中不能保持其基本性能。因此，為滿足實際使用需求，一方面需開發出高性能纖維濾料，另一方面可基于濾料的基本性能對濾料進行燒毛、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非織造布過濾器，能在硫酸、氫氧化鈉和250 ℃的高溫條件下表現出出色的穩定性；廖俠等[4]研究了濾料的厚度、面密度對透氣性的影響，發現隨著面密度的增加，濾料的透氣性在下降；崔鑫等[5]研究發現燒毛、軋光等后整理會使PPS濾料透氣性降低，但對濾料強力的影響有限；Han[6]探究發現涂層、覆膜等后整理會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力提高，但覆膜后濾料的力學性能變化不大；Yu[7]對PPS濾料進行后處理后發現，濾料厚度減小、質量增加且表面結構變得更致密；關欣等[8]采用聚四氟乙烯乳液對聚酰亞胺纖維(P84)/超細玻璃纖維復合針刺濾料進行了表面改性，濾料力學性能提高。

本文將研究8種濾料經聚四氟乙烯覆膜前后的面密度、厚度及透氣性的變化，對比硫酸水溶液(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力的變化，研究濾料覆膜前后的耐酸堿腐蝕性能的優劣。

1 試驗部分

1.1 材料

8種濾料分別為玻璃纖維濾料(為便于區別，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(質量比5∶5)復合濾料(覆膜前稱為玄武巖纖維與氟美斯復合針刺濾料、覆膜后稱為玄武巖纖維與氟美斯復合覆膜濾料)，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)，皆由河北鋒淼環保設備有限公司提供。

1.2 儀器

AGS-X 100KN型精密電子萬能試驗機(島津公司)、YG(B)461E型全自動織物透氣性能測試儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)、YG(B)141D型數字式織物厚度儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)、GZX-9146 MBE型電熱鼓風干燥箱(上海博迅實業有限公司)、FA2004型分析天平(上海衡平儀器儀表廠)、ZB01B型圓盤取樣器(南通宏大實驗儀器有限公司)。

1.3 測試

1.3.1 面密度

參考GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第1部分：單位面積質量的測定》和GB/T 4669—2008《紡織品 機織物 單位長度質量和單位面積質量的測定》進行面密度的測試。取面積均為100 cm2的圓形試樣5塊，使用分析天平稱取質量，結果取平均值。

1.3.2 厚度

根據GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分：厚度的測定》進行厚度的測試。設定施加的壓力為100 cN，壓腳面積為2 000 mm2。每塊試樣分別測試10個不同位置，結果取平均值，精度精確至0.01 mm。

1.3.3 透氣率

根據GB/T 24218.15—2018《紡織品 非織造布試驗方法 第15部分：透氣性的測定》進行透氣率的測試。設定預調溫度為(20±2) ℃，預調濕度為(65±2)%，壓差為200 Pa，試驗圓臺面積為20 cm2。每種試樣測量5次，結果取平均值。

1.3.4 耐化學腐蝕性能

參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定》，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，以2 ℃/min的速率升溫至200 ℃，保溫40 min后取出，放入恒溫恒濕室內調濕24 h；再設置試樣的夾持距離為20 cm，拉伸速度為100 mm/min，進行斷裂強力和斷裂伸長率的測定。

2 結果與討論

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

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，增幅在-8.8%～8.0%之間，說明聚四氟乙烯覆膜對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，總體來說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，濾料對細微粉塵的阻擋和攔截等效果越好。

2.2 耐化學腐蝕性能

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pH值=5的酸處理后斷裂強力為892 N，經去離子水處理后斷裂強力為940 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為840 N；2#濾料經pH值=5的酸處理后斷裂強力為1 377 N，經去離子水處理后斷裂強力為1 417 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為1 405 N。可見：玻璃纖維覆膜濾料的斷裂強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；覆膜前后的玻璃纖維濾料斷裂伸長率都在12%以內，說明覆膜前后的玻璃纖維濾料的尺寸穩定性都較好，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pH值=5的酸處理后斷裂強力為1 454 N，經去離子水處理后斷裂強力為1 558 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為1 233 N；4#濾料經pH值=5的酸處理后斷裂強力為1 971 N，經去離子水處理后斷裂強力為1 406 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為1 540 N。可見：經酸堿處理后，玄武巖纖維覆膜濾料的斷裂強力較未覆膜的玄武巖纖維針刺濾料有所提高，說明覆膜后濾料的耐酸堿性能有所加強；3#和4#濾料經酸處理后的斷裂強力值大于經堿處理后的斷裂強力值，這是因為玄武巖纖維經酸性溶液處理后，Si元素含量僅小幅下降，但經堿性溶液處理后，玄武巖纖維網絡骨架中的Si—O—Si與OH-發生取代反應，Si元素被溶解，骨架間的其他成分與結構發生破壞，進而導致纖維網絡骨架的破壞與斷裂[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pH值=5的酸處理后斷裂強力為1 386 N，經去離子水處理后斷裂強力為1 438 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為1 269 N；6#濾料經pH值=5的酸處理后斷裂強力為1 230 N，經去離子水處理后斷裂強力為1 112 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為1 124 N。可見：氟美斯覆膜濾料的斷裂強力比未覆膜的氟美斯針刺濾料低，說明覆膜后氟美斯濾料耐酸堿腐蝕性能有所降低；經堿處理后的氟美斯濾料的斷裂強力值比經酸處理后的斷裂強力值小，這與氟美斯濾料主要由玻璃纖維和P84纖維制成有關，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發生反應生成Na2SiO3，導致玻璃纖維結構被破壞，故氟美斯濾料斷裂強力損失較大。

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合濾料

覆膜前后的玄武巖纖維與氟美斯復合濾料的拉伸曲線如圖4所示。7#濾料經pH值=5的酸處理后斷裂強力為644 N，經去離子水處理后斷裂強力為651 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為804 N；8#濾料經pH值=5的酸處理后斷裂強力為1 138 N，經去離子水處理后斷裂強力為1 016 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為1 037 N。可見：玄武巖纖維與氟美斯復合覆膜濾料的斷裂強力較未覆膜的玄武巖與氟美斯復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；7#和8#濾料斷裂強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合后的濾料結構較松散，內應力降低有關；8#濾料的斷裂伸長率較7#濾料有所提高，說明覆膜后的玄武巖纖維與氟美斯復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pH值=5的酸處理后斷裂強力為838 N，經去離子水處理后斷裂強力為823 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為865 N；10#濾料經pH值=5的酸處理后斷裂強力為827 N，經去離子水處理后斷裂強力為824 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為851 N。可見：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pH值=5的酸處理后斷裂強力為568 N，經去離子水處理后斷裂強力為526 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為522 N；12#濾料經pH=5的酸處理后斷裂強力為441 N，經去離子水處理后斷裂強力為435 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為403 N。可見：11#濾料的斷裂強力高于12#濾料，說明經聚四氟乙烯覆膜后，亞克力濾料的耐酸堿腐蝕性能有所下降；亞克力濾料經酸處理后的斷裂強力值大于經堿處理后的斷裂強力值，主要是因為亞克力分子上的—CN經堿處理后轉化為羧基或羧酸鹽，具有了水溶性，故纖維遭到破壞，強力下降。

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pH值=5的酸處理后斷裂強力為627 N，經去離子水處理后斷裂強力為557 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為496 N；14#濾料經pH值=5的酸處理后斷裂強力為900 N，經去離子水處理后斷裂強力為865 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為815 N。可見：14#濾料的斷裂強力明顯高于13#濾料，說明經聚四氟乙烯覆膜后，濾料的斷裂強力提高，耐酸堿腐蝕性能加強；美塔斯濾料對于酸及大部分有機物具有較好的耐腐蝕性能，適用于高溫煙道中，耐含硫氧化物；13#濾料的斷裂伸長率高于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pH值=5的酸處理后斷裂強力為1 240 N，經去離子水處理后斷裂強力為1 315 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為1 113 N；16#濾料經pH值=5的酸處理后斷裂強力為1 708 N，經去離子水處理后斷裂強力為1 533 N，經pH值=9的堿處理后斷裂強力為1 444 N。可見：16#濾料的強力明顯高于15#濾料，說明經聚四氟乙烯覆膜后，濾料強力提高，耐酸堿腐蝕性能加強；去離子水處理后的15#濾料的拉伸曲線出現兩個峰，且第二個峰的峰值明顯比第一個峰的峰值大，原因與拉伸過程中濾料達到第一個峰值后會繼續向中間收縮，濾料取向度提高，故峰值進一步變大。

圖8 覆膜前后的滌綸濾料的拉伸曲線

3 結論

(1)經聚四氟乙烯覆膜后，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細微粉塵的過濾攔截效果。

(3)實際工況中，大量的有害氣體會腐蝕濾料，進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于耐堿性；在未覆膜濾料中，玄武巖纖維與氟美斯復合針刺濾料、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于耐堿性。