提高金属纤维毡过滤精度的方法研究

侯力强，张小庆，卢文静，许佩敏

(西安菲尔特金属过滤材料有限公司，陕西 西安710201)



提高金属纤维毡过滤精度的方法研究

侯力强，张小庆，卢文静，许佩敏

(西安菲尔特金属过滤材料有限公司，陕西 西安710201)

研究采用纤维增粗法来提高纤维毡精度。用不锈钢纤维毡作为基体，分别采用电镀、化学镀和原位水热法提高纤维的丝径，以提高过滤精度。利用扫描电镜观察了处理后的形貌，并测试了透气量和泡点压力，结果表明，3种方法均可以有效提高纤维毡的过滤精度。

金属纤维毡；纤维增粗；过滤材料

随着科技的发展和社会的进步,多孔材料的应用也越来越广泛,对多孔材料各方面的要求也越来越严格。近些年，国际社会在环保立法、工业污水排放以及生活饮用水标准等方面都有了更加严格的要求，这就要求多孔材料不但要有高的过滤精度，还要保证更高的通过效率，以降低系统能耗[1]。

金属纤维毡是将微米级别的金属纤维采用无纺铺制烧结而成，是具有一定的梯度搭接而成的多孔深度型滤材[2]。相比于陶瓷、粉末等其他耐高温多孔材料，金属纤维毡具有高的孔隙率(可以达到90%)，并且易于成型、加工和焊接，具有良好的力学性能。

目前，提高多孔材料过滤精度的主要方法是采用覆膜技术，即在多孔材料表面通过化学沉积或烧结等方法附着一层更高精度的膜材料。市场上使用比较广泛的膜层属于陶瓷膜(见图1)。

图1　纤维毡表面陶瓷膜

金属纤维毡材质相比于陶瓷、粉末等多孔材料较软，在使用过程中易变形，而陶瓷延伸率较低，热膨胀系数也较小，这就造成了陶瓷膜与金属纤维毡基体变形的不一致性，容易发生膜层脱落，失去过滤效果；因此，采用传统覆膜方法不适于提高金属纤维毡过滤精度[3]。

关于金属纤维毡覆膜的报道极少，本文创新性地提出采用纤维增粗法来提高过滤精度。该方法是通过某种工艺将纤维毡中的纤维丝径增粗，从而减小了孔的尺寸，提高了过滤精度。其主要优点在于纤维毡在变形过程中不会出现膜层撕裂现象，过滤性能稳定。本文分别采用电镀、化学镀和原位水热法来提高纤维丝径。

1　试验方案

试验原料选用名义过滤精度为5 μm 的316 L不锈钢纤维毡，由4 和2 μm的纤维混合制备而成(见图2)。由于不锈钢表面存在1层钝化膜，因此，在电镀或化学镀之前都需要对纤维毡进行预处理。预处理步骤为：化学除油→水洗→酸洗→水洗→活化→水洗。

图2　纤维毡中纤维形貌图

1.1电镀法

将预处理的纤维毡放入电镀溶液中。溶液配方为：NiSO4·6H2O (20 g/L)，NiCl2(45 g/L)，硼酸(30 g/L)，十二烷基硫酸钠(0.5 g/L)，加H2SO4调节pH值到4.1～4.2，平均电流密度为2 A/dm2，电镀30 min后取出。

1.2化学镀法

取主盐NiSO4·6H2O(20～40 g/L)，还原剂NaH2PO2·H2O(25 g/L)，缓冲剂CH3COONa(8 g/L)，络合剂CH3(OH)COOH(25 g/L)，稳定剂(CH3COO)2Pb(0.1 g/L)，用去离子水溶解后，加H2SO4溶液调节pH值到5，加热镀液至60～80 ℃后放入纤维毡，化学镀时间30 min。

1.3原位水热法

本方案是按学者孔祥贵[4]方案进行。首先用100 mL水溶液溶解2 g高锰酸钾后，加入25 mL硝酸，将预处理后的纤维毡放入溶液中进行氧化，水浴加热30 min后取出；然后，称取0.6 g Ni(NO3)2·9H2O和1.2 g尿素，配制成400 mL的混合溶液，将氧化后的纤维毡放入溶液在反应釜中，在80 ℃下反应24 h，自然冷却后，取出样品烘干，得到具有水滑石膜层的纤维毡。

2　试验结果

2.1纤维形貌

电镀、化学镀和原位水热法处理后的纤维毡形貌如图3～图5所示。

图5　原位水热法处理前后的纤维毡形貌

从图3可以看出，电镀后的纤维增粗效果不太明显，有凹槽或凸起的地方，表明镀层比较薄；而纤维的搭接点镀层相对较厚，这是因为搭接点电阻大，相比其他位置电荷密度较大，由于镍离子沉积速度较快，导致沉积的镍层比较多，随着电镀时间的延长，镀层会在搭接点处不断长大，形成较大的“镍块”，产生镀层不均匀性。从图4可以看出，原始丝径4 μm的纤维镀镍后直径增加了1倍，并且镀层表面厚度均匀，因为化学镀镍避免了电镀层由于电流分布不均匀而带来的厚度不均匀，化学镀时只要基体表面和镀液接触，镀液中消耗的成分便能得到及时补充；但是纤维毡的细纤维镀层较厚，部分孔出现了堵塞现象，因而应适当减小浸镀时间。从图5可以看出，采用原位水热法得到纤维形态与文献中类似[4]，属于在表面成了Ni-Fe类水滑石膜，粗纤维增粗程度与化学镀层相近，细纤维面没有出现堵塞，纤维毡仍保持良好的韧性；但部分纤维表面膜层出现裂纹，应进一步进行氢还原处理，以增加结合力。

2.2纤维毡过滤性能影响

对于过滤材料，过滤精度和透气量是衡量其性能的主要指标。本文中，对样品在200 Pa压差下测量通过空气的体积来衡量其透气量，过滤精度采用泡点法进行测量。样品透气及泡点性能检测见表1。

表1　样品透气及泡点性能检测

从表1可以看出，原始纤维毡经过3种处理方法后透气量都有不同程度的下降，泡点压力同样有所提升，对应过滤精度有所提高，表明“纤维增粗法”起到了膜层的效果。其中，采用电镀和水滑石薄膜法处理后的样品透气量和泡点压力比较相近，提高精度的同时保证了良好的透气性。而化学镀处理后纤维毡的泡点压力有大幅度的提高，这与丝径增粗量较大，孔径比其他方法减小较多有关，纤维毡细面的孔由于发生堵塞使得透气量急剧较小，在过滤过程中介质流量减小，会影响过滤效率。

3　结语

试验结果表明，采用不同纤维增粗方法均可以实现提高纤维毡精度的效果，其优缺点如下。

1)相比电镀，化学镀增粗效果更加均匀，不会出现在搭接点的镀层“结块”现象；但是，应控制浸镀时间，以免造成孔的堵塞现象。

2)原位生长法得到的覆膜滤料透气和精度能达到很好的匹配，最重要的是能够保持基体的韧性，有利于纤维毡变形加工；但是成膜工艺复杂。

纤维增粗法不局限于上述3种，本文提供了一种研究思路。能够增加纤维丝径，同时保证良好透气性的方案均可以成为提高纤维毡过滤精度的方法。

[1] 喻林萍, 刘新利, 张惠斌, 等. 金属及金属合金微滤膜的研究进展[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2015, 20(5): 670-674.

[2] 朱能, 赵赫. 金属纤维毡用于锅炉烟气高温除尘的研究[J]. 煤气与热力, 2005, 25(1): 48-51.

[3] 范益群, 漆虹, 徐南平. 多孔陶瓷膜制备技术研究进展[J]. 化工学报, 2013, 64(1)：107-115.

[4] 孔祥贵, 肖甜, 于晓, 等. 多孔复合金属膜的水热法制备及其处理焦化脱硫废液的性能[J]. 石油化工, 2016, 45(2): 133-138.

责任编辑马彤

A Method for Increasing the Fiber Felt Accuracy

HOU Liqiang， ZHANG Xiaoqing， LU Wenjing， XU Peimin

(Xi’an Filter Metal Materials Co.， Ltd., Xi’an 710201, China)

Propose methods of fiber enlargement for increasing the fiber felt accuracy. The electroplating, electroless plating, and situ hydrothermal methods are respectively used to improve the wire diameter in order to improve the filtering precision of the fiber. These prepared membranes are characterized by means of SEM, permeation volume and filtration accuracy is also tested. The results show that the three methods can effectively improve the filtering accuracy of fiber felt.

fiber felt, fiber enlargement, filter material

TG 146

A

侯力强(1988-)，男，硕士研究生，主要从事金属过滤材料等方面的研究。

2016-06-15