玄武岩纤维用于过滤材料的探讨

吕海荣 杨彩云 (天津工业大学纺织学院,天津,300160)

玄武岩纤维用于过滤材料的探讨

吕海荣 杨彩云 (天津工业大学纺织学院,天津,300160)

叙述了玄武岩纤维的性能,分析了影响纤维过滤材料过滤效率的几个重要因素,为合理设计理想的玄武岩纤维过滤材料提供了理论依据,同时介绍了玄武岩纤维过滤材料的几种应用。

玄武岩纤维,过滤材料,过滤效率,影响因素,应用

0 前言

1923年,人们第一次尝试用玄武岩岩石制取连续纤维,1960年到 1980年期间,玄武岩纤维的生产技术主要应用在秘密的军事领域和航天领域, 1995年才被用在民用领域。

玄武岩纤维是一种具有综合性能优异、性价比高的环保型高性能纤维,用途很广。当前玄武岩纤维在过滤材料方面的应用才刚刚起步,其所具备的优势如能充分发挥,在过滤材料领域发展前景必定良好。

1 玄武岩纤维的组成

一种纤维材料的组成成分将对其各项性能产生重要影响,玄武岩纤维的化学成分很复杂,几乎囊括了地壳中的所有元素种类,但 Si、Mg、Fe、Ca、Al、Na、K等主要元素成分约占 99%以上。在PHL IPS XL30 EDS电子探针能谱仪上进行玄武岩纤维元素含量的测定,发现其主要成分如下(原子质量分数%):Si=26.36,Ca=18.93,Al=7.89, Mg=6.90,O=31.81,K=1.18,Na=1.63,Ti=1.26,Fe=4.04。与玻璃纤维相比,玄武岩材料的化学组成如表 1所示[1]。

表 1 玄武岩纤维与玻璃纤维成分的对比(%)

2 玄武岩成分与其性能的关系

S iO2是玄武岩纤维最主要的成分,为其结构的网络形成物,以硅氧四面体的结构组成无规则的连续网状结构,其作用为保证纤维的化学稳定性和优异的力学性能;玄武岩中有较高含量的 Al2O3,从而保证纤维具有良好的耐久性、化学稳定性、热稳定性和力学性能;在玄武岩纤维中 CaO的含量较多,有利于提高材料的耐久性、耐水的侵蚀、化学稳定性和机械强力[2]。这三种物质在玄武岩的化学成分中排列前三位。因此,玄武岩中所含物质决定了玄武岩具有优异的机械性能、热稳定性和耐化学稳定性。

3 纤维规格对过滤材料性能的影响

应用于过滤领域的纤维材料,除了纤维品种外,纤维的形状、结构、粗细等规格均对过滤材料的性能有着很大影响。

3.1 纤维直径对过滤材料性能的影响

作为过滤材料,纤维越细捕集效率越高。当前,在国内已实现批量化生产、且应用较为广泛的玄武岩纤维的直径介于 7～13μm之间。在实际应用过程中,当过滤材料纤维细、短,内含孔隙微密,总孔隙率偏低时,对尘粒捕集效率较高,但随着透气度的下降,压力降到规定值的时间较短,会出现容尘性及抗堵塞性下降;当纤维粗、长时,过滤材料总孔隙率增加,结果透气度增高,压力降至规定值的时间较长,此时滤尘效率高,抗堵塞性能较强。因此,应根据需要选择粗细合适的纤维。

3.2 纤维形状对过滤材料性能的影响

玄武岩纤维外表呈光滑的圆柱状,其截面呈完整的平坦圆形;具有多孔结构和无规则的排列方式,其中的气孔可分为封闭气孔和开放气孔,分别呈圆球形和管状。玄武岩纤维密度小、孔隙率高、比表面积大。

玄武岩纤维由于表面光滑,气体和液体通过的阻力小,随着过滤的进行,在过滤材料内部易形成颗粒吸附沉积状态,颗粒的吸附沉积使纤维的表面积扩大,促进颗粒被吸引到过滤材料上,从而提高过滤效率。

因此,从上述玄武岩纤维的结构可以看出其可用作制备比较理想的过滤材料。

3.3 多种纤维组合对过滤材料性能的影响

滤布除了可以只用一种纤维构成的纱线以外,也可以用同种纤维不同粗细、不同长度的纱线,也可以使用不同种类的纤维相互交织在一起构成滤布,还可以使用复合纤维等,从而使得滤布的性能在很大范围内变化,以满足各种不同的过滤要求。

王广健等对利用玄武岩纤维和植物纤维进行杂化,制备生态环保型复合过滤材料作了研究[2]。玄武岩纤维表面的化学组成与结构特征会影响到它与植物纤维的粘接和使用性能,对玄武岩纤维的表面处理可采用等离子体法、机械处理、化学处理(铬酸、醋酸、碱液)、无机盐 (如二氯化锌、三氯化铁等)、阳极氧化法、电晕放电法、辐射处理、活化热处理等方法。最终复合产物玄武岩纤维在植物纤维中均匀弥散,无机纤维和有机纤维各自的优良特性得到了充分的发挥。制备的玄武岩纤维复合过滤材料耐折度较高,抗张强度好,价格低廉,使用寿命长,可完全降解,具有较好的过滤性能[3-4]。

4 玄武岩纤维在过滤材料中的应用

玄武岩纤维是一种综合性能优异的无机纤维材料,耐温性高于所有的有机纤维。它具有不燃性、绝缘性好、机械性能优异、抗热震性好、化学性能稳定等优点,因此可以在过滤材料领域发挥较大的作用。

4.1 耐高温过滤材料

近年来,由于现代工业的快速发展和环保要求日益提高,工业过滤需求增大,除尘器过滤能力严重不足。我国火电厂大气污染排放标准不断更新,对于高温过滤材料提出了更加严格的要求。当前应用于高温过滤材料的纤维主要有以下几种:PPS (聚苯硫醚)、P84(聚酰亚胺)、PTFE(聚四氟乙烯)和玻璃纤维,这几种纤维所能抵抗的温度都不超过400℃,在实际生产中许多工况需要过滤材料可以承受远远高于 400℃的温度。玄武岩纤维的使用温度范围为 -269～700℃,最高使用温度在 860～900℃,具有突出的耐温性能,完全可以担此重任。上述几种主要耐高温纤维的价格昂贵,不符合国情需要,而玄武岩纤维价格合理,性价比高,是未来高温过滤材料的首推材料。

4.2 耐酸碱过滤材料

玄武岩纤维具有稳定的化学性能,俄罗斯玄武岩纤维实验测得在 2 mol/L HCl中煮沸 3 h,玄武岩纤维质量损失率为 2.2%,在 2 mol/L NaOH中煮沸 3 h,玄武岩纤维质量损失率为 5.0%,玄武岩纤维的耐酸性优于耐碱性[5]。当需要对含有酸碱性物质的材料进行过滤时,可以选用化学耐久性非常好的玄武岩纤维过滤材料。

4.3 抗静电过滤材料

抗静电过滤材料是过滤材料中的一个重要的分支,当前工业生产中所使用的抗静电过滤材料主要通过对织物进行抗静电处理达到抗静电的目的。通常使用的抗静电处理方法主要有两种。①利用静电泄露作用消除静电,该方法主要是使用高分子有机抗静电剂对纤维或织物进行后整理,或在聚合物中将有机抗静电剂通过共聚或共混的方法掺到纤维内部。但是这两种方法前者不耐洗涤,耐久性很难达到使用要求;后者虽然耐久性有很大改善,但是纺丝困难,成本也很高。②利用电晕放电作用消除静电,即在织物的纺纱或织造过程中混入适量导电纤维,织物中的导电纤维接近导体时在导电纤维周围产生强电场,使局部产生离子活化域,与带电体极性相反的离子吸附带电体,中和带电体的电荷,而与带电体极性相同的离子则排斥带电体,在空气中散发并中和电荷,或通过接地移去。但这种方法也存在着许多缺点,如导电纤维加工复杂、成本昂贵、纤维力学性能和外观常常不理想[6-9]。

玄武岩纤维自身就具有优异的抗静电性,笔者使用 YG401织物感应式静电测试仪采用定压法对单纤维直径在 7～13μm的八种玄武岩织物进行静电半衰期的测试,实验原理为使试样在高压静电场中带电至稳定后,断开高压电源,使其电压通过接地自然衰减,测定其电压衰减为初始值一半所需的时间。实验数据见表 2。

表 2 玄武岩织物抗静电半衰期测试

由表 2可以看到,上述未经过任何抗静电整理的玄武岩织物所带电压的半衰期均小于 2 s,即在 2 s内织物所带电压就可以衰减为原来的一半,具有非常好的抗静电性。由于玄武岩织物的抗静电性是本身具备的性能,而且为永久性的,无需抗静电整理及其额外的花费。因此,玄武岩纤维可以作为良好的抗静电材料应用于抗静电过滤材料中。

5 结论

当前,过滤材料领域现有的过滤材料已经无法满足实际应用要求,急需新的高性能的过滤材料。玄武岩纤维的综合性能非常优异,特别适合用作过滤材料,玄武岩纤维优秀的耐高温性能、化学稳定性能、以及抗静电性能等均可以在过滤材料领域发挥重要的作用,充分利用玄武岩纤维过滤材料的优势就能创造更高的效益。

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Discussion about basalt fiber for filtermaterials

LüHairong,Yang Caiyun (School of Textile,Tianjin Polytechnic University)

The performance of basalt fiberwas related in the paper.Influencing factors on filter efficiency of filter materials comprised by fiberswere researched.Meanwhile,the theories about how to design basalt fiber filtermaterialswere presented and also the approach and application about how to develop high efficiency basalt filtermaterialswas also introduced.

basalt fiber,filtermaterial,filter efficiency,influencing factor,application

TS102.4

A

1004-7093(2010)06-0031-04

2009-06-10

吕海荣,女,1983年生,在读硕士研究生。主要从事产业用纺织品设计与开发的研究。