开纤化水刺滤料的制备及关键技术研究*

1. 南京际华三五二一特种装备有限公司，江苏 南京 210000；2. 南京际华三五二一环保科技有限公司，江苏 南京 211161

近几年，我国雾霾问题突出，多地空气重度污染且屡创新高，环境污染越来越严重。尤其是工业排放的PM2.5(细颗粒物)，对人们的呼吸系统、免疫功能、心血管系统和中枢神经系统等都会造成严重的危害。因此，减少PM2.5的排放，保护环境并保障人们的身心健康，刻不容缓。

当前，国际公认的高效除尘、控制粉尘排放最有效的手段主要是袋式除尘技术，而滤料是其关键核心材料，它的性能优劣决定了袋式除尘器的使用效果。因此，必须依靠技术创新，研发性能更加优异的耐高温滤料，这也是落实《中华人民共和国环境保护法》的重要体现[1-2]。

目前，国内外普遍采用的耐高温滤料是传统的针刺滤料，但这种滤料由于刺针结构及针刺加工技术等因素的影响，具有孔径较大、过滤精度低、物理强度低等缺陷，不能较好地满足PM2.5排放标准要求[3-4]。为了解决这一问题，开发了覆膜针刺滤料[5]。但覆膜针刺滤料在使用过程中，膜易破损，在含油或粉尘磨蚀严重的环境中，无法满足实际应用要求，不能根本性地解决问题。因此，研究更先进的技术，开发性能更好的产品，是滤料行业科研人员目前面临的重要课题。

水刺加工技术利用高效、高压水射流对纤网进行加固，它是一种柔性缠结技术，避免了针刺加工技术中带钩的刺针对基布及纤维的损伤问题，且可以用于纤维制品表面修饰，实现滤料表面精细化[6-8]。因此，利用水刺加工技术制成的滤料具有比针刺滤料更高的强力和更高的过滤效率，能更好地满足PM2.5超净排放要求。与针刺加工技术相比，水刺加工技术在纤网缠结效果、产品强力和过滤效率、节能减排等方面都体现出较大优势[9]。随着水刺加工技术的不断进步，以及人们对滤料性能要求的不断提高，水刺加工技术将在工业除尘滤料行业得到更加广泛的应用。另一方面，聚四氟乙烯(PTFE)纤维经水刺加工可出现“开纤化”现象，进一步提高水刺滤料的过滤性能，实现滤料的高效、低阻[10-11]。

因此，本文通过在纤网表层(迎尘面)共混一定比例的PTFE纤维，纤网经预刺后进行水刺加固，制备了一种高强度、低损伤、高过滤效率的滤料，其在实际使用工况中的使用寿命和除尘效率均得到了提高，为今后的研究提供了理论基础和指导。

1 试验部分

1.1 试验材料

PTFE纤维(纤维长度51 mm，南京英斯瑞德高分子材料股份有限公司)；聚苯硫醚(PPS)纤维(纤维线密度2 dtex，纤维长度51 mm，日本东丽株式会社)；针刺滤料(南京际华三五二一环保科技有限公司制备)；常规水刺滤料(南京际华三五二一环保科技有限公司制备)。

1.2 试验设备

WM2+2型双梳双铺生产线(包括梳理机、铺网机、牵伸机和预针刺机，欧瑞康，德国)，AquaJet水刺生产线(特吕茨勒，德国)，布鲁克纳热定型设备(布鲁克纳，德国)，AFC-131型滤料测试台(Topas，德国)，DVM 5000型超景深三维视频显微镜(莱卡，德国)，YG026H型多功能电子织物强力机(温州际高，中国)。

1.3 试验方法

织物面密度、强度分别参照GB/T 4669—2008《纺织品 机织物 单位长度质量和单位面积质量的测定》、GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》进行测试，滤料过滤性能参照GB/T 6719—2009《袋式除尘器技术要求》进行测试。

2 开纤化水刺滤料生产工艺流程

开纤化水刺滤料生产工艺流程如图1所示。

图1 开纤化水刺滤料生产工艺流程

2.1 开松梳理

将成包的PTFE纤维和PPS纤维原料开包、开松并混合(PTFE纤维和PPS纤维的质量混合比为20 ∶80)，使压缩的纤维分离成松散状态，然后将纤维梳理成单独的平直状态，快速地汇聚成很薄且均匀的单层纤网，输出至铺网机内。

2.2 预针刺

纤网经铺网机成形后，由牵伸机喂入预针刺机进行预针刺加工，使疏松的纤网具备一定的稳定性和强力，否则纤网极容易松散而不便于后道加工。

2.3 水刺

将预针刺后的纤网通过水流进行连续喷射，使纤网中的纤维相互缠结，同时在水流喷射作用下，PTFE纤维发生开纤化现象。

2.4 后整理

后整理包括拒水防油处理、PTFE乳液浸渍、泡沫涂层等。根据产品使用工况不同，可采用不同的后整理工艺，以达到客户要求。

3 性能表征

3.1 PTFE纤维微观结构

图2所示为采用DVM 5000型超景深三维视频显微镜(简称“显微镜”)对PTFE纤维(即未开纤)与滤料中经过水刺开纤的PTFE纤维进行观察(放大1 000倍)的结果。图2(a)所示为未开纤PTFE纤维，可以看出，其由数十根甚至上百根单纤维组成，彼此之间相互缠结，呈集束状。图2(b)所示为开纤化PTFE纤维，可以看出，发生了开纤化，单丝之间有微小空隙，导致其面积增大，且单丝线密度小于1.0 dtex甚至达0.1 dtex以下，因而可在滤料表面形成致密的迎尘面，实现表层精密过滤，进而达到滤料高效、低阻的效果[12-13]。图2表明在水刺过程中，水流将缠结在一起的PTFE纤维单丝冲散，形成较分散的状态，同时证明了水刺能够有效地使PTFE纤维发生开纤现象[14]。

(a) 未开纤PTFE纤维

(b) 开纤化PTFE纤维

3.2 滤料过滤性能

表1对比了三种滤料的过滤性能。其中，针刺滤料采用PPS纤维和PTFE纤维的混合物(两种纤维的质量混合比为20 ∶80)为原料，由针刺加工技术制备而成；常规水刺滤料采用PPS纤维为原料，由水刺加工技术制备而成；开纤化水刺滤料的表层采用PPS纤维和PTFE纤维的混合物(两种纤维的质量混合比为20 ∶80)为原料、底层采用PPS纤维为原料，由水刺加工技术制备而成。

从表1可知，在相同的面密度下，针刺滤料的过滤效率和粉尘剥离率分别为99.939%、75.78%，初始阻力(指洁净滤料的阻力)和残余阻力(指滤料经粉尘喷吹后的阻力)分别为17、255 Pa；常规水刺滤料的过滤效率和粉尘剥离率分别为99.992%、85.68%，初始阻力和残余阻力分别为22、162 Pa；开纤化水刺滤料的过滤效率和粉尘剥离率分别为99.996%、87.29%，初始阻力和残余阻力分别为24、148 Pa。 由此表明，针刺滤料的过滤效率和粉尘剥离率最低，常规水刺滤料的过滤效率和粉尘剥离率次之，开纤化水刺滤料的过滤效率和粉尘剥离率最大，优于前两者。

表1 三种滤料的过滤性能对比

图3所示为三种滤料的 VDI动态过滤性能测试结果(依据VDI 3926《评价可清洁滤料的标准测试方法》)，喷吹压力1 000 Pa，喷吹次数30。

从图3(a)、(b)可以看出，面密度相同时，针刺滤料完成30次喷吹的时间为17 347 s，远远少于常规水刺滤料完成30次喷吹的时间(42 588 s)，这说明常规水刺滤料的残余阻力远低于针刺滤料，其原因可能是常规水刺滤料中孔隙小，粉尘不易渗入滤料深层，表现为表层过滤。因此，常规水刺滤料比针刺滤料具有更高的过滤效率和更高的粉尘剥离率。

再比较图3(b)、(c)，常规水刺滤料完成30次喷吹的时间为42 588 s，少于开纤化水刺滤料完成30次喷吹的时间(49 973 s)，这说明开纤化水刺滤料的残余阻力低于常规水刺滤料，PTFE纤维开纤化可进一步降低滤料阻力，提高过滤效率，这在工程应用中可体现出明显的节能降耗效应。

(a) 针刺滤料

(b) 常规水刺滤料

(c) 开纤化水刺滤料

图4比较了三种滤料在30次喷吹中的运行阻力变化情况，可以看到，针刺滤料的运行阻力的上升速度最快，表明粉尘容易渗入滤料深层，因此滤料的清灰性能较差；常规水刺滤料和开纤化水刺滤料的运行阻力的上升速度较缓慢，后者又稍慢于前者，说明在纤网表层中混入一定比例的PTFE纤维，水刺后PTFE纤维会分裂成许多更细的纤维，即出现开纤化现象，可在滤料表面形成致密的迎尘面，实现表层过滤，减少粉尘渗入。

图4 三种滤料在30次喷吹中的运行阻力变化情况

3.3 滤料的拉伸断裂强力

图5比较了三种滤料的拉伸断裂强力，可以看出，相同面密度时，常规水刺滤料和开纤化水刺滤料的经向和纬向拉伸断裂强力均比针刺滤料高。水刺加工技术利用水流形成高密“水针”，使纤维互相柔性缠结，对纤维的损伤较小，基本实现“无损制毡”，所得制品的经纬向拉伸断裂强力较高。另一方面，常规水刺滤料和开纤化水刺滤料的经纬向拉伸断裂强力基本一致，说明开纤化不会影响滤料的拉伸断裂强力。

图5 三种滤料的拉伸断裂强力

4 开纤化水刺滤料的应用

自2012年开始，南京际华三五二一环保科技有限公司进行开纤化水刺滤料的研究，其间进行了中试和试生产，解决了产品质量重现性、稳定性等技术难题，并承担了江苏省科技成果转化专项资金项目“工业烟尘PM2.5控制用高密面层水刺滤料研发及产业化(BA2012021)”，2014年底开始推广应用。

表2比较了针刺滤料和开纤化水刺滤料的实际应用情况。开纤化水刺滤料已在燃煤发电、水泥等领域应用，截至2015年，部分企业应用近三年，大部分企业应用超过两年。应用企业反映，开纤化水刺滤料的使用情况良好，所有应用企业的粉尘排放浓度均低于15 mg/m3，绝大部分应用企业的排放浓度低于10 mg/m3，运行阻力较针刺滤料下降 100 Pa以上，有些企业甚至下降200 Pa以上。

表2 针刺滤料和开纤化水刺滤料的实际应用情况

从表2可见：

某某石油化工有限公司，于2015年5月投运开纤化水刺滤料，运行阻力和粉尘排放浓度分别从同年1月投运的针刺滤料的800～900 Pa、10～15 mg/m3下降为600～700 Pa、8～10 mg/m3；该公司有一台410 t/h的锅炉，其除尘净化部分的年耗电量(不包含喷吹部分的压缩空气能耗)约40万kW·h，节约了10万kW·h左右。

某某热电公司，于2014年12月在3号炉上使用开纤化水刺滤料，使用效果较好，与2015年2月在5号炉上使用的针刺滤料相比，前者的粉尘排放浓度减少了10 mg/m3，一台锅炉每年可减少7 t左右的粉尘排放质量。

某某热电厂，于2015年11月使用开纤化水刺滤料，运行阻力保持在500～700 Pa，粉尘排放浓度保持在10 mg/m3以下。

5 结论

(1) 相较于针刺滤料，开纤化水刺滤料中的纤维基本未受损伤，相互之间缠结得更加紧密，因此开纤化水刺滤料具有较高的拉伸断裂强力，能够更好地满足实际工况要求。

(2) 在PPS纤维中混合PTFE纤维，并通过水刺加工技术制备滤料，其中的PTFE纤维产生开纤化现象。与针刺滤料和常规水刺滤料相比较，开纤化水刺滤料的过滤效率高而残余阻力低。

(3) 经过两三年的应用，证明了本文开发的开纤化水刺滤料的使用寿命长且安全稳定，满足了有关标准规定的粉尘排放要求，可有效减缓大气污染，节约能耗，降低成本。