陶瓷纤维过滤材料的制备和性能

崔元山 刘威 汤洁 金江

(南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京210009)

0 引言

为实现“节能环保”，需要对能源、电力、冶金等行业产生的高温烟气进行直接净化。由于高温烟气的高压和氧化还原环境，对高温过滤材料的机械、热力学性能和化学稳定性提出了更高的要求。与其他高温过滤材料相比，刚性陶瓷滤料耐高温，热力学稳定性和化学稳定性较好，且在过滤效率、过滤阻力和使用效果上都有较明显优势，故现在普遍认为刚性陶瓷滤料是过滤高温烟气的一种主要方法。刚性陶瓷过滤材料的主要原料包括陶瓷颗粒和陶瓷纤维，陶瓷纤维过滤材料的孔隙率高、压力损失小、清灰效果好,所以比陶瓷颗粒过滤材料更适用于高温烟气净化。陶瓷纤维过滤材料的过滤效率一般都较高，从某种意义上讲降低过滤阻力和提高机械强度更加重要。

为提高陶瓷纤维过滤材料的这些性能，通常将粗细纤维进行搭配，将粗细纤维合理搭配能显著提高过滤材料的过滤精度和容尘量[1-4]。

陶瓷纤维过滤材料的制备方法有纤维编织法、缠绕法和真空吸滤法。真空吸滤可以成形任意形状的产品，且工艺简单，有较大的发展优势。真空吸滤法是用某种方法将短纤维及粘结剂充分分散，再将纤维以一定的方法堆积或填充同时施以粘结剂，纤维将互相架桥可形成相对均匀、具有一定形状的气孔的三维网络结构，高温烧结固化就得到了气孔率很高的多孔材料[5]。

本实验选用耐高温、耐腐蚀、强度高的陶瓷纤维为原料，同样耐温、便宜且可以重复使用的水玻璃为分散剂和粘结剂，通过机械搅拌和真空吸滤制备纤维过滤材料。并对过滤材料的重要性能(过滤阻力和机械强度)进行表征和探讨。

1 实验部分

1.1 实验设备

RS-05A真空泵 (上海博汇真空设备有限公司)；美的MJ-25BM01A电动搅拌机；金相光学显微镜（重庆光学仪器厂，XSZ-1A）；浮子流量计（上海纳森仪器有限公司，LZB-4）；电动抗折仪（沈阳天枰仪器厂，KZY-30）。

1.2 试验过程

图1 样品制作装置原理图Fig.1 A schematic diagram for the test facility

图2 三种纤维的显微结构图Fig.2 The photos of three kinds of fibers (From left to right:alumina fiber,aluminosilicate fiber and high aluminum fiber)

（1）将氧化铝纤维(多晶莫来石纤维)、高铝纤维(一种含铝量较高的硅酸铝纤维)、硅酸铝纤维三种陶瓷纤维剪成5mm左右长短均匀的短纤维，分别和水玻璃(无机粘结剂和主要分散剂)按一定的重量比放入搅拌机搅拌，搅拌均匀后将浆料在模具中吸滤成形(实验装置如图1)。成形的初始样品经烘干后在炉中高温烧成为直径7.5cm，厚度为7～15mm不等的圆片形过滤材料实验样品(以下称样品)。测试在不同过滤风速下的压力损失，并测出每个样品的抗弯强度。

（2）综合比较三种纤维样品的各项性能，选择其中两种性能较好的样品的纤维按不同重量比混合且以相同的试验工艺制备样品，综合分析样品性能得出最合适的纤维比例。

（3）依照最合适比例制备复合纤维样品，在不同的温度下烧成。然后测试样品性能找出最佳的烧成温度，获知最佳烧成温度下样品的各项性能参数。

2 结果与讨论

2.1 料浆浓度的选择

本文采用机械搅拌法将纤维在粘结剂中分散，纤维太多会使纤维分散不充分影响过滤材料的阻力，纤维太少则降低实验效率，所以纤维和分散剂的重量比就十分重要，为了便于比较，试验中纤维(包括混合纤维)都为10g，无机粘结剂1000g，即浆料浓度为1%，且加入适量的分散剂。

2.2 不同种类纤维试验样品的性能

分别将10g氧化铝纤维、硅酸铝纤维和高铝纤维剪短，和水玻璃以1∶100的比例搅拌均匀、真空吸滤成形、烘干然后烧成纤维过滤材料实验样品。测试样品的抗弯强度和在不同过滤风速下的压力损失。图2为三种陶瓷纤维的显微图片。

从显微图像上可以看出，三种纤维的直径有着明显的区别，多晶莫来石纤维最粗，高铝纤维最细。三种纤维制成的样品相关参数如图3和表1,图3为三种纤维过滤材料过滤空气时不同过滤风速下的压力损失。

表1 三种不同陶瓷纤维样品的性能比较Tab.1 Performance of three kinds of filter media made from different ceramic fibers

由图3可以看出，压力损失随流速的增大而增大且呈线性关系。因为流体流经多孔材料时满足达西定律，即压力损失和流量呈线性关系，而当样品过滤面积确定时流量又和流速呈线性关系，所以压力损失和流速为线性关系[6-7]。假设定义压力损失和气体流速的比例系数为阻力F(过滤材料过滤空气时单位流速压力损失)，则F=P/Vo，三种不同纤维过滤材料的阻力F为不同的值，即图中三条直线有不同的斜率。

表中样品1、2、3分别指氧化铝纤维过滤材料实验样品、硅酸铝纤维试验样品和高铝纤维实验样品。陶瓷过滤器过滤烟尘时的过滤阻力由过滤材料本身的阻力和尘饼的阻力组成，所以降低过滤材料的阻力能提高过滤器的总体性能。过滤材料的抗弯强度越高则表示其可以经受越多次的反吹，过滤器的使用寿命也相对较高。由表1可以看出，氧化铝纤维样品阻力最小，高铝纤维次之，高铝纤维样品的阻力最大。抗弯强度最大的为氧化铝纤维滤材样品，最小的为硅酸铝纤维样品。综合以上发现，氧化铝纤维和高铝纤维滤材样品的性能较好。

图4 不同纤维比例样品阻力图Fig.4 Resistance of filter media made from fibers mixed in different proportions

2.3 纤维比例的确定

将氧化铝纤维和高铝纤维按不同比例混合制备样品，在其他实验条件均相同的情况下的样品阻力和抗弯强度分别见图4和图5。

从图4和图5可以看到，随着多晶莫来石纤维在样品中含量的降低，阻力呈上升趋势，而抗弯强度则呈下降趋势，当氧化铝纤维和高铝纤维的比例为9∶1时，单位流速阻力最小，为42.8Pa。抗弯强度最大为6.75MPa，因此确定多晶莫来石纤维和高铝纤维的最合适的重量比为9∶1。

2.4 样品最佳烧成温度点的确定

将比例为9∶1的复合纤维制成的样品在200℃～1000℃下烧成，测试其阻力、抗折强度、气孔率。结果见图6。

随着烧成温度的升高，样品的气孔率先缓慢增大，在800℃的时候，气孔率最大为75.8%，而后气孔率呈下降趋势。

图5 不同纤维比例样品抗弯强度图Fig.5 Bending strength of filter media made from fibers mixed in different proportions

图8 样品不同温度下抗弯强度测试图Fig.8 Bending strength of filter media sintered at different temperatures

与气孔率随温度变化的趋势相反，随着温度的升高阻力先降低，在800℃时阻力最小为42.8Pa/m/min，而后阻力又慢慢增大，见图7。由上可知，样品的气孔率越高，阻力越小；这可以借鉴纤维过滤理论中理论阻力公式得到解释，由理论阻力公式和上面的阻力可推导出以下公式：其中，p为气流流经过滤材料的压力损失；A为过滤面积；R为纤维的半径；μ为流体的动力粘度；Q为气流流量；h为过滤材料的厚度。f(C)的值随着C的增大而增大[8-12]。由于本实验中不同烧成温度样品的实验材料、成型工艺和试验环境均相同，即公式中的f(C)、μ、R都相同，经测定样品的厚度h也相差不大。所以气孔率越高，阻力越小。

随着温度的升高，样品的抗折强度呈现先下降趋势，当温度到600℃的时候强度最低。温度继续升高，样品的强度开始上升然后下降，当温度为800℃的时候，样品的抗折强度达到最大值为6.9MPa。200℃～600℃，随着温度的升高，无机粘结剂和陶瓷纤维中的结构水和其他物质被逐渐烧失，样品的抗弯强度呈缓慢下降趋势。700℃开始，无机粘结剂开始熔融，纤维结构开始出现粘结现象，使样品的抗折强度明显的提升，800℃时强度达到最高为6.65MPa。随着温度继续升高，样品中的某些物质继续被烧失，抗弯强度降低，见图8。

由图6、图7、图8可得，样品在800℃时阻力达到最小，抗折强度达到最大。所以样品的最佳烧成温度点为800℃。

3 结论

（1）以陶瓷纤维为原料，水玻璃为分散剂和粘结剂，通过机械搅拌分散纤维、真空吸滤成型、高温烧成可以制成阻力低、强度高的过滤材料。

（2）对多晶莫来石纤维、高铝纤维和硅酸铝纤维样品的性能综合比较发现，前两种纤维过滤材料的性能较好。

（3）通过实验确定当多晶莫来石纤维和高铝纤维的重量比为9∶1，烧成温度为800℃时样品的性能最好。样品阻力为41Pa/m/min、抗弯强度6.65MPa、孔隙率为75.8%。相较于纯的陶瓷纤维过滤材料的抗弯强度有了大幅提高。

1韩明荣,黄龙强,王英.高炉煤气袋式除尘系统的问题及改进.环境工程学报,2001,10(7):80～82

2向晓东,柯了英,杨正兴等.高温烟尘陶瓷纤维过滤技术特性及其应用评述.制冷空调和电力机械,2008,29(119):78～82

3吕海荣,杨彩云.玄武岩纤维用于过滤材料的探讨.产业用纺织品,2010(6):31～33

4刘会雪,刘有智，孟晓丽.高温气体除尘技术及其研究进展.煤化工,2008(2):14～17

5王耀明,薛友祥,孟宪谦等.孔梯度陶瓷纤维复合膜管的性能研究.陶瓷,2006(10):35

6戴维斯C N.空气过滤.北京:原子能出版社;1979,34～35

7 GABRIEL I T.Advance in Aerosol Filtration.Boca Raton,FL: Lewis Publishers,1997

8 TOMOKITA S,AOI T.The steady flow of viscous fluid past a sphere and circular cylinder at small Reynolds number.Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics,1950,3(2): 140～161

9KUWABARA S.Theforcesexperiencedbyrandomly distributed parallel circular cylinders or sphere in a viscous flow small Reynolds number.Journal of the Physical Society of Japan,1959,14(4):527～532

10 HAPPEL J.Viscous flow relative to arrays of cylinders. American Institute of Chemical Engineers,1959,5(2): 174～177

11 DAVIES C N.Viscous flow transverse to a circular cylinder. Proceedings of the Physical Society,1950,63:288～296

12 Thomas D,Penicot P,Contal P,et al.Clogging of fibrous filters by solid aerosol particles:experimental and modelling study.Chemical Engineering Science,2001,56:3549～3561