气体过滤用纤维材料的设计与选用

王一帆，钱晓明

(天津工业大学纺织学部，天津300387）

综述与专论

气体过滤用纤维材料的设计与选用

王一帆，钱晓明

(天津工业大学纺织学部，天津300387）

本文主要目的是在对纤维制品型气体过滤材料进行研究时，能对纤维材料进行合理的设计和选用，以期达到最优过滤性能。因此，本文首先介绍了对气体过滤材料的特性要求，在此基础上介绍了气体过滤用纤维的基本种类及其性能、不同化学纤维滤布特点以及过滤用功能性化学纤维等。最后，强调了纤维过滤材料的设计和选用与环境的相容性。

气体过滤；纤维材料；纺织品；设计选用

当前大气的净化是保障人类健康和精密工业极为关心的内容之一。有文献[1-3]表明，粉尘、烟尘具有巨大的危害性。因此，过滤水平的高低，已成为衡量一个国家或民族环境保护程度进步发达的重要标志。过滤可分离、捕集分散于气体中的颗粒状物。过滤材料具有较大内表面和适当空隙，它有能力捕获和吸附固体颗粒，使之从混合物质中分离出来。可作过滤材料的原料种类很多，但以纤维制品作为原料[4]具有轻便、柔软、容易弯曲等特点，并通过对纤维的细度、长度、强力、耐摩擦性、耐高温性、耐化学及生物药品性的选择，在结构上可进行短纤维纺织、长丝织造和非织造加工，并可根据需要作阻燃[5-8]、抗静电等特种整理[9]，由此可制成品种繁多、规格系列化的过滤材料，以满足不同条件的过滤要求。 有文献[1-2,4,10-11]指出，纤维型过滤材料起着主要作用。在长期过滤的实践中得出：以纤维为原料制成的纺织品过滤材料，构成的孔径尺寸一般在十至几十微米之间，但却能捕集1 μm及小于0.1 μm的颗粒尘埃。

然而，纤维种类繁多且性能差异较大，并不是所有的纤维材料都适应于气体过滤。这给纤维原材料在过滤方面的快速设计与选用造成了些许不便，而设计和选择适宜的纤维制成纺织品过滤材料可以优化纺织品的过滤性能，减少压降以节省能源等。目前，对过滤气体用纤维材料进行系统而全面介绍的文献较少，因此有必要对此类纤维材料进行分类总结，以便于根据具体的过滤要求来设计和选择合适的纤维。基于此，本文完成了以下主要内容：

（1）对气体过滤材料的特性要求进行了论述，为纤维原材料的设计选用提供了理论支撑，如应主要考虑高分离效率 （减少环境污染）、低压降 （节省能源，提高工厂总的效率等）、延长使用寿命 （减少所用的原料数量）等。

（2）归纳了气体过滤用纤维材料的种类及其性能，归纳了不同化学纤维滤布的特点，归纳了功能性化学纤维在气体过滤领域的应用等，基于此可根据具体的过滤要求来快速设计和选择合适的纤维材料。

（3）最后论述了过滤气体用纤维材料有关生态方面的发展，强调了纤维过滤材料的设计选用与环境的相容性。

1 过滤材料的特性要求

（1）过滤效率：即净化效率，与滤材结构有关，也取决于附着粉尘层的厚度。一般纺织品滤材均可达到99.5%以上的效率[11]。

（2）容尘量：指滤材达指定阻力值时，单位面积积存粉尘量，以kg/m2计。容尘量大小与滤材孔隙率、透气率有关，容尘量大，滤袋清灰周期长，滤袋寿命也相应长，一般非织造产品过滤材料较织物容尘量大[11]。

（3）透气率及阻力：透气率指在一定的压差下滤材单位面积通过的气体量。滤材阻力直接影响透气率。透气率取决于滤材纤维细度、品种及布的织物组织。非织造布过滤材料透气率一般为400～800 m3/m2·h[11]。

（4）耐温性：采用耐高温滤材处理高温烟气。

（5）几何尺寸稳定性：一般要求滤材的胀缩率应小于1%。胀缩率大，将改变滤材的孔隙率，直接影响净化效率或增加阻力，同时滤袋也易磨损。为保证滤材的稳定性一般应进行热定型处理。

（6）抗静电性：滤材静电性大，将影响清灰效果，或因粉尘静电聚集产生火花，引起可燃气体粉尘爆炸或火灾。

（7）吸湿性：滤材吸湿性大，将引起粉尘粘结糊住滤材影响除尘设备的运行。

（8）物理性：主要要求滤材耐磨，抗折，强度高，使用寿命长。

（9）耐腐性：一些含尘气体具有酸性或碱性，要求滤材有一定抗腐能力，特别是对酸和氟的抗蚀能力。

（10）附着粉尘剥落性：剥落性的好坏，主要影响清灰的效果。

（11）耐燃性：特殊情况下要求滤材具有一定耐燃性。

（12）价格：指使用滤材的经济性，一般以滤材的价格与使用年限之比来衡量[12]。

2 气体过滤用纤维种类及性能

根据上述要求的基本过滤材料特性，天然纤维、无机纤维及化学纤维都可用作过滤材料，但在选用时必须考虑被过虑物质的形状 (颗粒的大小)和物理化学性能如黏度、比重、温度、pH值等基础上，根据实际情况合理选用。

2.1 天然纤维

（1）棉花：可利用其膨润性，适合微尘过滤、一般液体过滤与集尘等。例如化学纤维制造业用纯棉9.7 tex/2或7.28 tex/2府绸作原液过滤布。

（2）羊毛：它的皮质部分以鳞片覆盖着，因此具有成毡性。羊毛毡集尘率高而过滤速度大，具有优良的过滤性能。但羊毛价格高，耐化学药品性能差，因而在对滤材功能性较苛刻的条件下，一般都以合成纤维针刺毡来代替。

2.2 玻璃纤维

可耐温度250℃，价格便宜，取材方便，已被用于制作耐高温过滤材料。但是它不耐酸，不耐磨，不抗折，不宜用在过滤含氟的烟气和作为脉冲袋式吸尘器的过滤材料。

2.3 化学纤维

采用化学纤维作过滤材料日益广泛，对不同特性的过滤物质，宜选用最合适的化学纤维，以达到高效和经济合理的目的。其中主要有化学纤维的热稳定性、对化学药品的稳定性、强伸度及品种规格。

2.3.1 热稳定性

它是化学纤维高聚物本身形成的固有属性，不受纺织加工过程的影响。对苯二甲酸乙二酯型涤纶的热稳定温度为150℃；聚四氟乙烯为250℃。在工业上有些过滤过程中温度较高，在流化床中煤充分燃烧时，需在1 000℃条件下过滤热气体，这就需要选用耐高温的过滤材料。如二氧化硅型纤维可承受700～800℃高温；氧化锆、二氧化硅耐温达1 400℃；矾土、铁粉、二氧化硅达1 300℃；矾土、氧化铬、二氧化硅达1400℃；氧化铝和硼氮纤维达1 500～1 600℃。但这类纤维的耐磨强力太低，不能在传统纺织工艺上进行加工，不过可以非织造成网[13]。

各种常用纤维的耐热性能优劣顺序：

（1）耐干热性：玻璃、含氟纤维＞芳族聚酰胺＞聚酯 （涤纶）＞聚丙烯腈 （腈纶）＞聚乙烯醇 （维纶）＞聚酰胺＞棉＞聚烯烃＞羊毛＞聚偏氯乙烯。

（2）耐湿热型：玻璃、含氟纤维＞芳族聚酰胺＞聚丙烯腈 （腈纶）＞聚酰胺＞聚烯烃＞棉＞聚酯 （涤纶）＞聚乙烯醇 （维纶）＞羊毛＞聚偏氯乙烯。

2.3.2 化学稳定性

一般被过滤的高温气体大都含有化学腐蚀作用的组分如 SO3、SO2、NO2、H2S、NH3等。随着温度的提高，化学反应的速度加快。根据Arrhenius定律：

式中：R—普通气体常数；

T—绝对温度。

因此，热气体过滤布对氧化反应、路易斯酸和碱必须有特殊的稳定性。

随着温度的提高，气体的体积和黏度将会增大，由此产生颗粒沉降速度放慢，过滤压力增加，从而导致高温气体过滤材料的机械应力的增加[14]。

各种常用纤维的耐化学品性能优劣顺序：

（1）耐苛性钠：含氟纤维＞聚丙烯＞偏氯乙烯＞聚酰胺＞聚乙烯醇＞聚丙烯腈。

（2）耐硫酸：含氟纤维＞聚丙烯＞聚酯＞聚丙烯腈＞聚乙烯醇＞聚酰胺。

（3）耐盐酸：含氟纤维＞聚丙烯＞聚酯＞聚乙烯醇、聚酰胺。

（4）耐硝酸：含氟纤维 ＞聚丙烯 ＞偏氯乙烯＞聚酯＞聚丙烯腈＞聚乙烯醇、聚酰胺。

（5）耐磷酸：含氟纤维＞聚丙烯＞聚酯＞聚乙烯醇、聚酰胺。

（6）耐蚁酸：含氟纤维＞聚丙烯、聚酯＞聚丙烯腈＞聚酰胺、聚乙烯醇。

2.3.3 强伸度

锦纶强度最高但伸度也较大。涤纶与丙纶强度也较高但涤纶伸度小，丙纶伸度大[14]。棉花强度低且伸度也小。聚偏氯乙烯与维纶强度虽比棉略高，但伸度较大。

3 不同化学纤维滤布的特点

3.1.1 丙纶滤布

在合成纤维中丙纶最轻且容易处理，耐化学药品性优良。其主要用途有染料和颜料的精制，粘土、陶瓷土、化学药品的制造，清油、啤酒、精糖等其他各种工业过滤。

3.1.2 涤纶滤布

涤纶耐干热 （150℃）强度及耐磨性优良。耐酸性好，但能溶解于高温强碱液中，在特殊条件下水解发脆。主要用途有水泥、制铁、制碳厂的高温气体的集尘。

3.1.3 维纶滤布

维纶在湿润时，特别是加热时发生收缩。主要用途有陶瓷土的过滤等。

3.1.4 腈纶滤布

腈纶耐药品性优良。主要用途有对具有腐蚀性气体的集尘等。

4 功能性化学纤维

4.1 要求阻燃的过滤材料

4.1.1 偏氯纶

是由氯乙烯30%～10%与偏二氯乙烯70%～90%共聚纤维。它具有较高的耐磨性、抗霉和抗腐烂性，不吸湿，在水中不膨胀，在75℃温度下能保持正常的机械强度，并且有耐浓碱性。用作有腐蚀性的气体物质的过滤。

4.1.2 维氯纶

又称SE纤维，它的极限氧指数为28%～33%，耐磨性、回弹性及抗静电性能均属优良，适合制作阻燃过滤布。

4.1.3 阻燃涤纶

有不少的涤纶过滤布需要经过阻燃处理。国际上已实现商品化的阻燃涤纶种类较多，大都以共聚法或共混法制造阻燃涤纶，或以后整理法加阻燃剂。

4.2 耐高温过滤用纤维

4.2.1 芳纶

它的全称为芳族聚酰胺纤维。由于这类纤维的高分子中存在着芳香环，在受热时不易发生热分解而挥发出烃类化合物，因而亦称耐热纤维。例如Nomex织物可用于高温下过滤气体和分离固体颗粒的滤袋，在180～220℃温度下连续使用，短期使用不超过250℃[15]。

4.2.2 聚苯并咪唑纤维

比芳纶1313具有更优良的耐热性、阻燃性、及服用性的一种耐热纤维。LOI为48﹪，其使用极限温度可达700℃，在550℃下仍能保持良好性能。其缺点是对一些化学药品的稳定性较差，故作过滤材料时应注意被过滤物品的性质。

4.2.3 聚砜酰胺纤维

又称芳砜纶或PSA纤维，它具有优良的绝缘性和耐热性，可在100～270℃温度范围内保持尺寸稳定性。LOI为33﹪，分解温度为400℃，耐辐射性较好，并具有良好的对化学药品稳定性。用PSA纤维制成的耐高温过滤绒布、非织造针刺毡可用作温度为200～250℃烟道气过滤袋、钛矿粉尘过滤袋等，过滤效率可达97﹪～99﹪，且操作方便，经久耐用，因而是一种理想的过滤材料[15]。

4.2.4 碳纤维

有机纤维在1 000℃以上碳化，含碳量在85%以上的纤维称为碳纤维。碳纤维按其性能可分为高强度、高模量碳纤维，活性碳纤维等和离子交换碳纤维。随原料的不同最终碳纤维的性能和用途既有区别。

4.2.5氟纶

即聚四氟乙烯纤维，用聚四氟乙烯编织布或针刺毡制成的滤袋或滤垫，可在高温及化学腐蚀环境中使用，还可用于固体粒子的吸附，而且维护费用低，其作为过滤材料使用温度范围为120～180℃。

4.2.6 聚酰亚胺纤维

该纤维呈金黄色，又称 “黄金丝”。其性能是能耐辐射、耐高温、在550℃短时间内仍有使用价值，该纤维的热稳定性也好，在火焰中不燃烧但缓慢分解，可用作燃烧性气体及高腐蚀性气体的过虑。

4.2.7 聚苯撑硫醚纤维

LOI为34%，熔点285℃，在188℃酸性介质中能长时期工作。能耐一般酸、碱，但不能经受强酸和甲苯、氧化剂的侵蚀。可作耐热过滤材料如工业煤炭锅炉的过滤袋等[15]。

4.2.8聚醚酮醚纤维 （PEEK）

具有优良的耐热性、耐化学药品性和耐辐射性的塑形高聚物，且具有优良的耐热水性。它适合作过滤高温、湿热的蒸汽的过滤材料。

4.2.9 交联的聚丙烯酸酯类纤维

纤维燃烧时不降解而碳化，燃烧时发烟少，无毒气放出，燃烧后碳化，能耐紫外线辐射。纤维在干热状态很稳定，长时间暴露在 150～160℃温度中强度不变。能耐各种普通溶剂、强酸和强碱的腐蚀，但对硝酸、浓硫酸和强盐酸则有缓慢的腐蚀性。它可制作高温及腐蚀性气体的过滤材料。

4.2.10 超细纤维

纤维由粗变细，其性质也随之变得更加柔软、透气、透湿，能制成蓬松的织物，提高了过滤性能。超细纤维可用于超微除尘过滤等。这些由超细及特细纤维制成的材料在过滤方面主要用于分离0.1～1.0 μm的颗粒状物质。

4.2.11 硅纤维

耐热可达1 100℃，热膨胀系数较低，热和电性能好，比重轻，抗化学性好，特别是防酸性优良，可作热气体过滤材料[15]。

5 与环境的相容性

选择和设计合适的纤维材料在过滤气体方面有着较大的优势，但同时也产生了和生态问题直接或间接有关的效果，如表1所示。

表1 过滤气体用纤维在生态方面的发展趋势

因此，在设计和选用纤维材料作原材料制成气体过滤用纺织品介质时，除了理想地满足使用要求，更应注重节省能源、材料，在生产、使用中确保完成其寿命周期和在对环境友好的条件下仍然保持最佳性能。

6 结论

综上所述，气体过滤对纤维过滤材料有较高的特性要求，而如何快速设计和选用此类纤维对其过滤性能有着重要影响。如今，中国正在进军全球过滤材料和产品市场[16]，随着人们对环境要求的不断提高，以纤维为原料制成的纺织品过滤材料以其独特的优势将会得到更快的发展、更广泛的应用范围。可预见今后对气体过滤用纤维材料的设计和选用要求应是：开发新型多功能纤维材料，提高纤维材料除尘效率，提高耐温程度、提高耐化学腐蚀程度等；合理选用纤维原料的同时，要适当设计滤材结构与组合及开拓复合技术和表面处理技术，以满足不同过滤要求；注重环境保护，留意生态方面的标准，尽量从源头减少环境污染，降低能源消耗。

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DESIGN AND SELECTION ON GAS FILTRATION FIBER MATERIAL

WANG Yi-fan，QIAN Xiao-ming
(School of Textile，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

The main objective of this paper is to make reasonable design and selection when research the fiber materials of gas filtration.Introduced the demanding performance of filtration materials，the variety and performance of gas-filter fibers，the different characters of chemical fiber filter cloth，functional chemical fibers in filtration field.Finally，the environment compatibility of fiber design and selection was also emphasized.

gas filtration，fiber material，textile，design and selection

TS109

A

10.3969／j.issn.1672-500x.2016.04.005

1672-500X(2016)04-0022-05

2016-10-11

王一帆 （1993-），女，硕士研究生，主要研究方向为纤维制品型气体过滤材料。

钱晓明 （1964-），男，工学博士，教授，博士生导师，主要研究方向为环保功能型非织造产品开发及应用、非织造加工技术等。