玻璃纤维针刺复合滤料耐高温性能研究

2014-09-19赵振兴汪黎明聂换换蒋树军

产业用纺织品 2014年7期

赵振兴汪黎明聂换换蒋树军

(1.青岛大学纺织学院，青岛，266071;2.山东新力环保材料有限公司，沂源，256112)

玻璃纤维滤料是一种常用高温滤料，正常使用温度为260～280℃，具有尺寸稳定性好、拉伸断裂强度高、耐化学侵蚀、过滤阻力小等突出优点。此外，玻璃纤维市场价格相对较低，原材料来源广泛。因此，玻璃纤维滤料被认为是一种理想的滤料。但玻璃纤维滤料耐折性和耐磨性差，毡与基布的剥离强度低，在使用过程中因需频繁清灰而容易磨损、折断，影响其使用寿命。为了解决这一问题，国内专家及相关企业开发出了玻璃纤维复合针刺滤料。该滤料是将玻璃纤维和其他耐高温纤维按一定比例进行混合，然后经过梳理、针刺、化学处理等多道工序制成的新型过滤材料［1］。与纯玻璃纤维针刺毡相比，其生产成本略有增加，但过滤性能和耐用性均提高很多，性价比较好，是一种极具推广潜力的新型过滤材料［2］。目前，玻璃纤维复合滤料的新产品不断涌现，如玻璃纤维与聚酯纤维、聚酰亚胺(PI)类的P84纤维、聚苯硫醚(PPS)纤维和玄武岩纤维等复合，制得各种复合滤料。本文将玻璃纤维、轶纶和芳纶三种纤维制成复合滤料，应用于高炉煤气布袋除尘中，通过对三种相同混合比的不同面密度的玻璃纤维复合滤料的测试，探求面密度的选择是否合理及该滤料性能的变化情况，为实际生产应用提供依据。

1 试验部分

1.1 材料

轶纶是国内首个实现工业化生产的PI纤维，具有绝佳的热稳定性、电绝缘性、耐辐射性和耐化学性等，综合性能优于同为PI纤维的P84纤维，其极限氧指数＞38%，可在250～350℃下长期使用［3］，市场价格昂贵。芳纶(Nomex)是世界上开发最早的耐高温纤维，具有高强度、耐高温、耐腐蚀等优良性能，其极限氧指数为29%，正常使用温度为204℃，瞬间使用温度为240℃。将玻璃纤维、轶纶和芳纶三种纤维按一定的比例混合，然后采用针刺工艺制成复合滤料。主体部分为玻璃纤维和玻璃纤维机织基布，对滤料强力起到主要支撑作用;轶纶对瞬时高温所产生的破坏有很好的抵御作用;芳纶优异的柔韧性使纤维层与基布的剥离强度提高，同时其相对较低的价格又降低了生产成本。本试验滤料中的基布均为相同规格的玻璃纤维纱织成的平纹基布，三种试样面层的厚度有所不同。该复合滤料的结构如图1所示。

图1 玻璃纤维复合滤料结构示意

本试验所用复合滤料样品规格见表1。

表1 试验样品规格

1.2 耐高温性能测试

1.2.1 力学性能

滤料的耐高温力学性能是指滤料在某个特定的温度条件下放置一定时间(通常为24 h)后，其经、纬向断裂强力及断裂伸长率等相关指标［4］。断裂强力是滤料强度的表征，其值越大，滤袋寿命就越长;断裂伸长率则是滤料拉伸韧性和弹性的表征，其值过大或过小都会对滤袋的使用效果和耐用性有影响，在实际使用过程中滤料该值的变化不应太大。滤料的断裂强力取决于滤料在制造过程中针刺纤维的强度、所使用的基布及生产工艺参数，如针刺密度、针刺强度和后处理等方面［5］。

滤料力学性能的变化可用断裂强力保持率和断裂伸长保持率来表示，其值分别是试验后滤料断裂强力和断裂伸长率测试值与试验之前相应的测试值之比。

测试标准是 GB/T 7689.5—2001《增强材料机织物试验方法第5部分:玻璃纤维拉伸断裂强力和断裂伸长的测定》。经向和纬向样条有效尺寸为5 cm×20 cm。

测试方法:首先，按测试标准分别对原试样测试经、纬向断裂强力和断裂伸长率 ;然后，将其他试样分别置于160、200、240和280℃高温烘箱内24 h，取出，待冷却后测定断裂强力和断裂伸长率。与之类似，测试时间维度的各项指标。将试样放置于200℃的烘箱中，经过48、72和96 h后进行相关数据的测试并计算。

通过下式计算断裂强力保持率:

式中:F0——滤料初始断裂强力(N);

Fi——第 i次取出滤料的断裂强力(i=1、2、3、4)，分别对应于经过 160、200、240和280℃或24、48、72和96 h热处理后试样的断裂强力(N)。

通过下式计算断裂伸长保持率:

式中:E0——试样初始断裂伸长率(%);

Ei——第i次取出试样的断裂伸长率(i=1、2、3、4)，分别对应于经过 160、200、240和280 ℃或24、48、72和 96 h后试样的断裂伸长率(%)。

1.2.2 透气性

滤料的透气性以规定的试验面积、压降和时间条件下，气流垂直通过试样的速率表示。该值的大小因滤料的结构形式和密度差异而不同，是表征洁净滤料阻力特性的一个指标［6］。

三种试样放置于烘箱中，分别经过160、200、240和280℃高温处理24 h或在200℃的烘箱中分别处理24、48、72和96 h后，将试样取出置于标准大气条件下24 h，按照标准 GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》进行测试［7］。

2 结果与讨论

2.1 滤料力学性能的变化

2.1.1 处理温度的影响

本试验温度的选择是参照滤料实际工作中温度的波动范围而定，分别为160、200、240和280℃，处理时间是24 h。图2和图3是在不同处理温度下，滤料力学性能的变化情况。T0代表在标准大气条件下测试。

图2 不同处理温度对滤料断裂强力的影响

图3 不同处理温度对滤料断裂伸长率的影响

由图2可知:通过不同温度处理24 h后，三种试样的经向断裂强力均呈现先下降再上升然后再下降的波动趋势;三种试样的纬向断裂强力均呈下降趋势，试样1的变化较缓和，试样2和试样3分别在200和240℃处理后有较快下降。这种变化与滤料不同的面密度有关。通过计算得知，试样1～试样3的最低经向断裂强力保持率依次为82.44%、81.75% 和 91.83%，最低纬向断裂强力保持率依次为88.66%、78.95%和77.63%。试样2和试样3的经向强力下降幅度小于纬向。经不同高温处理后，滤料的强力虽有所波动，但其强力仍然保持在75%以上，即2 000 N/(5 cm×20 cm)以上，能够满足工作过程中温度的变化对滤料强力的要求［8］。

图3反映出试样1和试样2的经向断裂伸长率随处理温度的升高均呈现不同程度的下降趋势;试样3的经向断裂伸长率呈先上升后下降的趋势，变化较平稳;试样1和试样3的纬向断裂伸长率随处理温度上升均呈下降趋势，经过240℃处理后变化量较小;试样2的纬向断裂伸长率呈上下波动状态，温度对其影响不明显。滤料的经向伸长率小于纬向伸长率，与断裂强力的规律一致。经计算，滤料的经向和纬向最低伸长率保持率分别为82.53%和84.17%，表明该滤料在高温条件下处理后仍有很好的拉伸韧性和弹性。

2.1.2 处理时间的影响

图4和图5均是将试样放置于200℃的烘箱中，经过24、48、72和96 h后所测各项力学性能的变化情况。T0代表在标准大气条件下的测试。

从图4可以看出，在200℃的烘箱中经不同时间的处理，三种试样均表现出与改变处理温度时相同的变化趋势，即经向断裂强力呈现先下降后上升再下降的趋势，纬向断裂强力表现出下降的趋势。虽然变化幅度略有不同，但大致都在2 000～2 500 N之间波动。通过计算得知，滤料经向和纬向的断裂强力保持率均在80%以上，说明该滤料经过长时间处理后仍能保持良好的强度，符合对长期工作在高温条件下滤料强力的要求。

图4 不同处理时间对滤料断裂强力的影响

图5 不同处理时间对滤料断裂伸长率的影响

从图5可以看出:三种试样经不同时间处理后，其经向断裂伸长率均在4% ～5%之间波动;而纬向断裂伸长率，试样3波动较明显，在6% ～7%之间，另两种试样波动较小，略呈下降趋势。滤料的经向和纬向的最低断裂伸长率保持率分别为88.60%和84.47%，说明该滤料长期在高温下工作仍能有良好的柔韧性。

总体而言，滤料受热后经、纬向强力参数均在一定范围内变化，虽有下降趋势，但仍保持较大的强力绝对值。该滤料初始断裂强力受热后下降，这与玻璃纤维表面涂覆的浸润剂在高温作用下化学性能发生变化有关。从各项数据来看，试样1的断裂强力和断裂伸长率在经过不同温度和时间的处理后波动幅度最小，说明面密度为750 g/m2的参数设计比较合理。