无胶热压聚四氟乙烯覆膜高温滤料

郑玉婴，蔡伟龙，汪 谢，罗祥波，林锦贤，郑锦森

(1.福州大学材料科学与工程学院，福建福州 350108;2.厦门三维丝环保股份有限公司，福建厦门 361101;3.福州大学化学化工学院，福建福州 350108;4.福州大学福建省超级计算中心，福建福州 350108)

目前，我国环境保护部正在逐步展开对臭氧和PM2.5这2种空气污染物的监测，继而采取治理措施。这对各工矿企业的粉尘排放标准提出了更高的要求，但普通滤料根本无法满足这些要求，而覆膜滤料能够有效地过滤PM10甚至PM2.5、PM1.0等超细粉尘，达到“零排放”标准［1－3］。

覆膜滤料是将聚四氟乙烯(PTFE)薄膜覆合在传统滤料介质的表面［4－5］。常用的有2种覆膜方法［6－7］:一为胶黏法，使用胶黏剂将滤料与覆膜黏合在一起。但这种方法得到的覆膜滤料不适合在高温环境下长期使用，此外，覆膜牢度低，容易脱落;另一为热压复合法，此法得到的覆膜滤料可在高温下使用，但这种技术目前不够成熟，覆膜滤料质量参差不齐，因此，高温滤料覆膜工艺技术亟待开发。

本文首先在聚苯硫醚(PPS)滤料基材上涂覆1层聚四氟乙烯发泡涂层剂，解决了PPS滤料直接热压覆膜结合不牢固的问题;利用先进电磁加热和PDI控制技术，保证了PTFE覆膜均匀性，然后经高温热压制得成品。该覆膜滤料具有表面空隙小，粉尘剥离性好，过滤精度高，结合牢度强，寿命长等特点，可广泛应用于燃煤电厂、钢铁冶炼、水泥行业、垃圾焚烧等高温烟气除尘领域［8－9］，国内外鲜见同类技术的文献报道。

1 实验部分

1.1 主要原料

PPS纤维(线密度为1.5～3.0 dtex、长度为50～65 mm的短纤维);PTFE微孔薄膜(立体网状，微孔孔径为0.1～0.5μm);聚四氟乙烯乳液(固含量为60%左右);发泡剂SBL FORMER;增稠剂XTP。

1.2 主要仪器

VDI滤料模拟测试装置(德国FilTEq公司);DXS-10A型环境扫描电镜(上海田京电子光学技术有限公司)。

1.3 覆膜基材的制备

以PPS纤维为主要原料，添加抗静电剂等助剂，经开松、复合、梳理、针刺、高温热定型和烧毛压光等工艺制得面密度为500 g/m2，厚度为2 mm的覆膜基材。

1.4 涂层复合滤料的制备

聚四氟乙烯发泡涂层复合滤料是以聚四氟乙烯分散液为主要原料，添加适量的发泡剂、增稠剂和促进剂，经搅拌混合、造泡、螺杆泵送、发泡和涂覆等工艺制备而成的;然后将涂覆过的滤料送入高温烘箱进行烧结，从而在滤料的表层形成1层均匀的聚四氟乙烯涂层［10］，以改善滤料基材与聚四氟乙烯微孔薄膜的黏结牢度。

1.5 PTFE覆膜高温滤料的制备

通过电磁加热技术和PID控制技术，在高温滤料表面热压复合1层聚四氟乙烯(PTFE)薄膜。工艺流程如图1所示。

图1 覆膜工艺流程Fig.1 Process ofmembrane coating

通过布毡放卷装置、前储布机张力控制系统的双重保障，实现覆膜前及覆膜过程中布毡的张力、平整度可控。利用特殊的膜放卷装置，不仅保证了薄膜在放卷时无纵向拉伸，又使薄膜得到充分展平。

1.6 覆膜滤料黏结牢度测试

采用图2所示的覆膜牢度测试方法，参照HBC 30—2004《袋式除尘器用覆膜滤料》对胶黏覆膜滤料及热压覆膜滤料进行覆膜牢度测试。具体测试方法为，将覆膜滤料试样覆膜一侧向上固定在杯口直径为25 mm的测试杯杯口上，向杯中连续送入压缩空气，直至覆膜最大剥离鼓泡的长边尺寸大于2.5 mm，此时的压力即为覆膜滤料的覆膜牢度。

1.7 覆膜滤料过滤性能测试

采用德国 VDI滤料模拟测试装置，参照VDI 3926—2004《可清灰滤料过滤性能测试》对滤料的过滤性能进行评估。具体测试过程为:洁净滤料先经1 000 Pa定压喷吹30次过程，后经5 s间隔喷吹5 000次老化过程，再经1 000 Pa定压喷吹6 h。

2 结果与讨论

2.1 覆膜滤料表面及截面形貌观察

图3为PPS滤料覆膜前后的表面SEM照片。由图可知，覆膜后滤料表面呈现微孔结构，其孔径在0.05～3μm之间，而普通滤料平均孔径在37μm左右。覆膜滤料的微孔性结构能过滤超细粉尘，且该膜不受排放气体酸、碱性的影响。

图3 PPS滤料覆膜前后的表面SEM照片(×1 000)Fig.3 SEM images of surface of PPS filtermaterial after and beforemembrane coating(×1 000).(a)Before coating;(b)After coating

普通滤料过滤机制是所谓的“深层过滤”，即通过滤料纤维的捕集，先在滤料表面形成一次粉尘层(即粉饼)，再通过这层粉饼来过滤后续的粉尘［11］。长时间使用后会导致滤料孔隙堵塞，使设备运行阻力不断增加，直至必须更换滤料为止［2］。

覆膜滤料过滤机制则是“表面过滤”的方式［2］，覆膜滤料是在普通滤料表面复合1层聚四氟乙烯薄膜而形成一种新型滤料，这层薄膜相当于起到了一次粉尘层的作用，薄膜特有的立体网状结构，使粉尘无法穿过，避免孔隙堵塞。同时由于薄膜不黏性、摩擦因数小，故清灰时粉饼容易脱落，确保了设备阻力长期稳定。

对覆膜前后的PPS滤料进行VID实验测试，结果如图4所示，普通滤料粉尘(灰色物质)已进入滤料中，而覆膜后滤料粉尘仅停留在表面。

图4 PPS滤料过滤粉尘后的截面图(普通相机拍摄)Fig.4 Section images of PPS filtermaterial after dust removal.(a)Before coating;(b)After coating

2.2 覆膜滤料的耐温性能

在210℃条件下，对用胶黏法和热压复合法2种方法制得的覆膜滤料进行烘焙，并在不同时间段观察试样表面颜色变化，结果见表1。胶黏法覆膜滤料在烘焙3 h后表面出现变黑现象，而热压复合法覆膜滤料在烘焙3 h后表面几乎无变化。这是由于胶黏法在高温环境中，胶黏剂熔化后会从薄膜的微孔中渗出，胶黏剂在表面高温下发生碳化现象变黑。胶黏剂的渗出亦造成大量粉尘黏在滤料的表面，不易清除，严重影响滤料的过滤性能。可见胶粘法覆膜滤料不适宜在高温环境中使用。而聚四氟乙烯具有优良的化学稳定性、耐高温性、高润滑不黏性，因此长时间在高温环境中使用不会对其产生影响。

表1 2种覆膜滤料的表面颜色对比情况(210℃)Tab.1 Com parison of differentmembrane filter materials on surface color(210℃)

2.3 不同覆膜工艺黏结牢度的对比

通过对覆膜滤料黏结牢度测试得到热压覆膜滤料覆膜牢度大于0.1 MPa，210℃加热16 h后牢度几乎不变;而胶黏覆膜滤料介于0.05～0.1 MPa，加热3 h后低至0.01 MPa。此结果表明滤料基材经过发泡涂层处理后与PTFE薄膜具有很好的黏结力，不易脱落。这是因为在PPS滤料表层涂上1层与PTFE薄膜物化性质相同的乳液后，从而解决了聚四氟乙烯薄膜与PPS滤料黏结性差的问题，提高了覆膜滤料的黏结牢度。

2.4 覆膜滤料的过滤性能

2.4.1 老化前后清灰周期随清灰次数变化

图5示出PPS针刺滤料与覆膜滤料在老化前后清灰周期随清灰次数的变化。从上面VDI实验结果可看出，在滤料老化前的30次清灰周期，由于原始针刺滤料还未形成粉尘初层，过滤阻力较低，空隙较大，因此清灰周期比覆膜滤料长;而滤料经老化后，原始PPS针刺滤料已形成一层稳固且致密的滤饼层，其过滤阻力增大，因而周期变短;而对于覆膜滤料来说，其表面较光滑［12］，粉尘容易脱落，在每次清灰后其过滤阻力保持在一个稳定的状态，因此老化后，覆膜滤料在一开始其过滤周期就远长于针刺滤料，这样就相对减少了清灰次数，减少摩擦及损耗，有利于延长滤料使用寿命。

图5 老化前后清灰周期与清灰次数的关系Fig.5 Relation between period and times of dust removal before and after aging

2.4.2 老化后压力损失随过滤时间的变化

图6示出滤料经过老化阶段后，在1 000 Pa定压喷吹6 h过程中压力损失随过滤时间的变化情况。可看出覆膜滤料的压力损失远低于原始滤料，且在整个过程中，压力损失都趋于稳定，而针刺滤料由于尘饼的作用，过滤阻力逐渐增大，因而其压力损失随着时间的延长继续缓慢上升。这说明滤料经覆膜后，由于其表面比较光滑，很难形成较厚的粉尘层，因此覆膜滤料长期运行过程中阻力低，透气性好。

图6 老化后压力损失随过滤时间的变化Fig.6 Effect of filtration time on pressure loss after aging

2.4.3 滤料覆膜前后排放浓度对比

表2示出滤料覆膜前后排放浓度对比情况。从表中可看出，经覆膜处理后的滤料在老化前后其排放浓度都远低于未处理的滤料，在老化前就能达到很高的过滤效率，特别是对PM2.5的过滤效果几乎达到“零排放”。这是由于PTFE薄膜空隙非常小，能阻止微细粉尘的排放，因而提高了过滤精度。

表2 滤料覆膜前后排放浓度对比Tab.2 Contrast of em itting concentration before and after membrane coating mg/m3

3 结论

以PPS纤维为主要原料，通过合理的工艺设计制备了覆膜滤料的基材，然后经发泡涂层处理在覆膜基材的表层形成1层均匀的聚四氟乙烯涂层，增强了滤料与聚四氟乙烯微孔薄膜的黏结牢度，解决了PPS滤料直接热压覆膜结合不牢固的问题。同时采用无胶热压覆膜工艺，增强了滤料在高温下的适用性，避免了胶黏法在高温下胶黏剂易渗出碳化，从而影响过滤效果的问题。

过滤性能测试结果表明，该覆膜滤料具有出色的PM2.5微细粒子过滤效率，基本实现了表面过滤。另外，该滤料具有易清灰，周期短，低阻力的特点，可大大节约能源，延长滤袋及配件使用寿命，具有较好的应用前景。

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