PTFE/玻纤多泡孔涂层高温复合滤材的制备

娄路阳，王 洪

(东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

当今社会，工业高温烟气是空气污染的重要来源之一[1]，鉴于高温工况的复杂性，对治理高温烟气所需高温滤料的使用寿命和过滤性能都有比较高的要求[2]。目前，常见的高温烟气过滤材料主要有耐高温机织及针刺滤料和耐高温覆膜滤料等几种。

传统机织及针刺滤料，其主要过滤机理有表面过滤和深层过滤。在使用前期，依靠自身纤维构建的通道对粉尘颗粒进行拦截，具有良好的过滤性和空气通透性；在使用后期，由于部分规格较小的粉尘颗粒穿过通道进入滤料内部，不断堆积，滤料孔隙被堵，过滤阻力不断加大，在工况温度剧烈变化时，易发生结露现象，直接导致滤料使用寿命缩短。

覆膜滤料不同于传统机织及针刺滤料，主要利用表面过滤机理实现高精度过滤，并具有较好的清灰效果[3]。较为知名的覆膜滤料有Donaldson公司的Tetra-tex©和Gore公司Gore-Tex©等。较机织及针刺滤料而言，覆膜滤料往往具有更高的过滤效率，但这是以空气通透性与过滤压阻的牺牲为代价，换取过滤效率的提高，即在同等动力压差下，其过滤阻力较机织及针刺滤料普遍偏大。此外，覆膜滤料对覆膜设备和生产技术的要求都较高，必须保证膜与基材的复合牢度，使其具有良好过滤性能，同时还必须确保复合过程中膜的微孔结构不发生破坏[3-4]。

近几年来，市面上出现了由国外公司研发的聚四氟乙烯(PTFE)发泡涂层高温过滤材料，其结构如图1所示。由图1可见，玻璃纤维(简称玻纤)基布表面形成了具有凹凸结构的致密PTFE发泡层，孔径大小较为均匀，与玻纤基布的黏附牢度高。泡沫涂层不仅是一种节能的湿处理方法，还可以减少涂层过程所需原料的用量，是制备滤材的潜在选择[5]，但PTFE乳液发泡涂层相关介绍较少。Park等[6]利用PTFE乳液与发泡剂、稳泡剂、增稠剂等功能助剂调配的发泡液，经过80～90 ℃、180～200 ℃、380～400 ℃ 3个温度区段的焙烘固化，成功制备了一种耐受270 ℃高温的PTFE/玻纤平纹布高温滤料，具有良好的透气性和过滤效率。

PTFE乳液本身的黏度很低，利用其进行发泡涂层，关键在于提高乳液的黏度并保持发泡过程中的泡沫稳定性。通常，泡沫稳定需要满足以下几个条件：(1)具有液体介质的双(多)组分体系；(2)可溶性的表面活性剂；(3)具有Marangoni效应(如图2所示)；(4)凝胶状表面层的形成[7]。

(a) 截面

(b) 表面

图2 Marangoni效应图Fig.2 Marangoni effect

Marangoni效应是指液体从低表面张力处流向高表面张力处的流动现象，高表面张力的区域倾向于收缩，并在界面上造成切线方向的运动。对气泡的任何作用，如机械外力、液体流动、热激励等，都会造成受作用区域处表面活性剂浓度降低，使作用区周围液体表面张力大，从而发生Marangoni效应，即液体沿图2中不连续箭头所示方向，流向外力作用区域，气泡壁有所修复不至于破裂，而达到稳定气泡的作用。只有当涂层中液相消失，涂层逐渐固化，黏度效应才会取代Marangoni效应起到稳定作用。

本文尝试采用不同功能性助剂，改变PTFE乳液的黏度和表面张力，以获得稳定的泡沫结构。通常，聚丙烯酰胺作为纺织上浆剂使用，具有良好增稠、稳定、黏结、成膜效果，伴有热增稠效应[8]。瓜尔豆胶为白色至浅黄褐色自由流动的粉末，多见于食品加工领域，其质量分数为1 %的水溶液黏度约为3 Pa·s，分散于冷水中约2 h后呈现很强黏度，24 h后达到巅峰，在pH值为6～8的中、酸性环境中黏度最高[9]。本文使用这两类增稠功能助剂来加强体系黏度，制备一种PTFE耐高温发泡涂层的复合过滤材料，并对材料的透气、过滤性能进行测试。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

试验材料：发泡液主体为PTFE乳液(TE3893型，含固量为60 %)，DuPont公司；发泡剂为月桂酸钾皂，楚星化学公司；稳泡剂与增稠剂为阴非离子型聚丙烯酰胺(以下简称APAM)，苏州昊诺工贸有限公司；稳泡剂与增稠剂为非离子型聚丙烯酰胺(以下简称NPAM)，苏州昊诺工贸有限公司；增稠剂为聚丙烯酸酯(以下简称TT-935)，罗门哈斯公司；增稠剂为瓜尔豆胶，阿拉丁公司；含氟分散剂(以下简称FSN-100)，三爱富公司；pH调节剂为NaOH溶液，国药集团化学试剂有限公司；渗透剂JFC，国药集团化学试剂有限公司。

试验仪器：PL403型电子天平，梅特勒-托利多仪器上海有限公司；H-97A型恒温磁力搅拌器，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；HH-14S型恒温水浴锅，金坛市大地自动化仪器厂；DGG-9070B型电热恒温鼓风干燥箱，上海森信实验仪器有限公司；SEM-3000型扫描电子显微镜，日本HITACHI公司；YG461E型全自动透气性测定仪，温州方圆仪器厂；DV-II+ Pro Viscometer型数显式黏度计；MFA-III型涂层机；平板硫化机。

1.2 玻纤基布前处理

对选用的无碱玻纤基布进行前处理，将其浸入25 g/L NaOH和5 g/L渗透剂JFC的混合溶液中，100 ℃水浴浸渍1 h，浴比为20 ∶1，用去离子水洗至中性，烘干备用。

1.3 发泡液制备

添加不同增稠剂的发泡液配方如表1所示。在磁力搅拌器上分别放置4只250 mL烧杯，在PTFE搅拌棒搅动下，转速为400 r/min，将所需PTFE乳液总量的一半先行注入，而后根据配方依次缓慢加入粉状瓜尔豆胶、APAM、NPAM，高速搅拌约20 min。而后转移至磁力搅拌器上，加入搅拌子，在转速约为250 r/min下，依次注入月桂酸钾皂、TT-935及剩余PTFE乳液，搅拌约5 min后，转移至肖特瓶中密封备用。

表1 不同增稠剂的发泡液配方

由于质量分数为1%的瓜尔豆胶水溶液的黏度可达到3 Pa·s，在含固量约为60%的PTFE发泡液中，容易团聚成块，导致鼓气式发泡无法进行，因此配方2中的瓜尔豆胶质量分数仅为0.5%。鉴于瓜尔豆胶增稠效果具有时效性，在配制24 h后，溶液黏度达到顶峰[9]，故配方2的发泡液，需另置于磁力搅拌器上搅拌24 h后，再做发泡处理。APAM和NPAM在加热条件下溶解效果更佳[8]，故配方3、4的发泡液需在50 ℃水浴锅中搅拌24 h后，再做发泡处理。

采用小型空气压缩泵、抽滤烧瓶、橡胶管搭建的鼓气式发泡装置如图3所示，利用空气鼓入装置使发泡液迅速起泡，并用烧杯接收转移到涂膜机上。

1.4 富泡溶液涂覆与固化

图3 鼓气式发泡装置Fig.3 Bubble foaming device

利用MFA-III型涂膜机将富泡溶液均匀地涂覆于玻纤基布上，以20 mm/s的刮涂速度分别刮涂若干次，涂层次数从1次到4次不等。随后在80～100 ℃和140～160 ℃烘箱内分别固化2 min，再在350 ℃的平板硫化机上以1.3 MPa压力压制5 s后冷却至室温。

1.5 透气性测试

利用YG461E型全自动透气性测定仪，对所制备的样品进行透气性测试，动力压差为200 Pa，满足工业用非织造布测试标准，测试面积为20 cm2。

由于本文所制滤料适用于高温烟尘过滤，TSI 8130型过滤仪无法模拟高温烟尘过滤。故利用自制过滤测试仪(如图4所示)对样品进行过滤性能测试。由图4可知，滤材夹于两瓶之间，在滤材一侧的瓶中点燃卫生香，开启空气压缩机于另一侧抽吸，待稳定后，两瓶中的粒子计数器数值能反映各自瓶中卫生香浓度(即烟尘浓度)，两瓶间的U形管水柱高度差代表过滤压降，以两瓶的卫生香浓度比值来判断其过滤效率，能较为准确地验证材料的过滤性能。

1.6 过滤性能测试

图4 自制高温烟尘用过滤装置Fig.4 Self-made filtrating equipment for flue gas filtration at high temperature

2 结果与讨论

2.1 PTFE发泡涂层液黏度和泡沫半衰期的研究

Kim等[10]研究表明，在三步法烘燥、固化过程中，溶液体系的黏度是维持泡沫稳定和控制成型后材料泡孔结构的关键因素，不同温度区间的溶液体系黏度受到不同因素的影响。第一温度区为80～100 ℃，为烘燥过程，体系内多余水分挥发[11]，泡沫基本定型，体系黏度增大主要由水分挥发引起；第二温度区为180～200 ℃，为固化过程，水分继续挥发，增稠剂热增稠效果显现，并对该温度区段的体系黏度增大起主导作用；第三温度区为380～400 ℃，为烧结过程，体系内液相基本消失，涂层完成有效固化，形成稳定的泡孔结构，已不属于泡沫稳定的讨论范畴。

各种功能性助剂根据配方比例依次添加至PTFE乳液中所制备的溶液，称为发泡液；由发泡液经物理机械发泡，如鼓气、搅拌等方式，所获得含有大量泡沫的液体，称为富泡溶液。由表1所示4种配方配得的发泡液和富泡液在室温和90 ℃两种温度条件下的黏度变化如图5所示。由图5可知，相对于基础配方1，添加瓜尔豆胶、APAM和NPAM都能提高体系的黏度，但APAM和NPAM具有一定的热增稠效应，体系黏度随温度上升而升高，在高温固化时更有助于维持泡沫稳定。

(a) 发泡液

(b) 富泡溶液

泡沫半衰期用以表征泡沫的稳定性，由泡沫体系析出50 %基液体积所用的时间[12]表示。

上述4种配方的发泡液经过鼓气式发泡形成的富泡溶液在室温和90 ℃环境下的泡沫半衰期变化如图6所示。由图6可知，室温下4种稳泡剂、增稠剂对富泡溶液的稳定性影响差异不大，均具有较好泡沫稳定性，而在90 ℃环境下，功能性助剂对半衰期影响差异开始显现，尤其是具有热增稠效应的APAM和NPAM，明显提高了泡沫在高温下的稳定性。

图6 室温和90℃条件下富泡溶液的泡沫半衰期Fig.6 Half foam life period of rich foam solution with different formulas at room temperature

发泡涂层技术在传统纺织品后整理应用中，要求泡沫在接触织物时快速破裂，而在本文滤材的高温固化过程中则需要维持稳定的泡沫结构，因此相较于瓜尔豆胶，聚丙烯酰胺类物质是更为合适的体系增稠剂和稳泡剂。

2.2 涂层次数与固化工艺参数的确定

涂层次数直接决定滤材上浆率，影响滤料的透气和过滤性能。涂层次数过少，样品透气性较好，但过滤效率往往达不到较高水平，反之，过滤效率较好，但透气性太差，过滤阻力过高。以表1中配方4配制发泡液，并制备不同涂层次数的滤材，相应滤材透气性、过滤效率、上浆率及表观形貌观察情况如表2所示。

表2 不同涂层次数的滤料性能

由表2可知：单次涂层固化后，样品具有较好的透气性和过滤效率，样品上浆率较低，固化后表面涂层具有较好的泡孔结构和完整性；随着涂层次数的增加，样品上浆率显著提升，过滤效率虽然升高，但透气性迅速下降，且固化后涂层表面裂纹明显增多，故涂层次数为1较为合适。

固化工艺参数是滤材成型的另一关键因素，本文采用的固化温度区间和时间均以维持多泡孔结构为前提。温度区间的设定，参考预试验材料成型情况及2.1节不同温度区间下发泡液体系黏度变化规律，分别为80～100 ℃、140～160 ℃、350 ℃。经预试验证明：在第二温度区间，若温度高于160 ℃，固化时间超过2 min，涂层泡沫将迅速破灭并固结为闭孔膜，不利于多泡孔结构的形成；在第三温度区间温度高于350 ℃时，烧结10 s，PTFE涂层呈焦化状态，且涂层破裂，不利于材料成型(如图7所示)，故改用硫化机350 ℃平压5 s替代高温烧结。

(a) 实物图

(b) SEM图

Fig.7PictureandSEMfigureoffoamcoatingfilterbakedover350℃

2.3 功能性助剂对滤材透气、过滤性能的影响

综合热激励下的发泡液与富泡液体系黏度变化以及泡沫稳定性变化，在表1所示配方体系中，聚丙酰胺类物质较瓜尔豆胶表现出更优异的热增稠效果。因此，在利用多因子正交试验检验各功能性助剂对滤料透气性及过滤性能影响时，不再使用瓜尔豆胶作为增稠剂，而以APAM的质量分数作为其中一个因子，TT-935、月桂酸钾皂、FSN-100等质量分数作为其余因子，以透气性及过滤效率作为评价指标，试验设计如表3和4所示。

表3 功能性助剂多因子变量试验因子水平表

表4 功能性助剂多因子变量试验设计表

由表4可知：以透气性为评价指标，4个因子权重从大到小依次为月桂酸钾皂质量分数、TT-935质量分数、FSN-100质量分数、APAM质量分数，试验方案为A2B3C2D1，即APAM、TT-935、FSN-100、月桂酸钾质量分数分别为4%、5%、0.1%、1.4%时，材料将获得最佳透气性；以过滤效率为评价指标，4个因子权重从大到小依次为月桂酸钾皂质量分数、APAM质量分数、FSN-100质量分数、TT-935质量分数，试验方案为A3B2C3D3，即APAM、TT-935、FSN-100、月桂酸钾质量分数分别为5%、4%、0.15%、2.2%时，材料将获得最佳过滤效率。

2.4 最优样品性能分析

国外样品、透气性或过滤效率最优样品及基布的透气及过滤性能测试结果如表5所示，其中，1#为国外样品，2#为透气性最优样品，3#为过滤效率最优样品，4#为玻纤基布。

表5国外样品、优化样品及基布性能

Table5Permeabilityandfiltrationefficiencyofexternal，optimalandbasicfabricsamples

样品编号透气量/(mm·s-1)过滤效率/%1#30.1791.602#34.3786.003#1.9898.204#130.5510.20

过滤效率最优样品由于透气性过小，其高滤效没有实际应用前景，故仅就透气性最优样品作详细讨论。由表5可知，相对基布而言，透气性最优样品(2#)的透气量出现了一定幅度的下降，约为基布的26%，但PTFE涂层显著提高了材料的过滤性能，其过滤效率为基布的8.43倍；与国外样品相比，2#透气量略高13.9%，过滤效率略低6.1%，其在透气性和过滤性能方面均与国外样品较为接近。

最优透气性样品和玻纤基布表面电镜图如图8所示。

(a) PTFE/玻纤发泡滤材

(b) 玻纤基布

Fig.8SEMfiguresofsurfacemorphologyofPTFE/glassfiberfoamcoatingfilterandglassfiberfabric

由图8可知，在玻纤布表面形成了一层多孔PTFE涂层结构，PTFE涂层与玻纤表面贴合。利用Nano-Measure图像软件分析图8(a)中的泡孔直径(如图9所示)可知，涂层上均匀分散着直径在10 μm以下的泡孔，弥补了玻纤基布疏散结构的不足，将极大地增强基布的过滤性能。

图9 PTFE发泡涂层孔径分布图Fig.9 Pore size distribution of PTFE foam coating

3 结 语

本文将TT-935、瓜尔豆胶、APAM和NPAM等功能性助剂分别添加到PTFE发泡乳液中，研究不同配方发泡液和富泡液的黏度和稳定性，通过正交试验优化，制备了具有较好过滤效果的PTFE/玻纤多泡孔涂层高温过滤材，得出下述结论：

(1) 瓜尔豆胶和APAM都具有增稠效果，APAM的热增稠效在该发泡液体系中具有更好的稳泡效果。

(2) 多因子正交试验表明：月桂酸钾质量分数对滤材透气性影响程度最大，TT-935质量分数次之，FSN-100质量分数再次之，APAM质量分数影响最弱；月桂酸钾质量分数对滤材过滤效率影响程度最大，APAM质量分数次之，FSN-100质再次之，TT-935质量分数影响最弱。当APAM、TT-935、FSN-100、月桂酸钾质量分数分别为4%、5%、0.1%、1.4%时，可制备最优透气性样品；当APAM、TT-935、FSN-100、月桂酸钾质量分数分别为5%、4%、0.15%、2.2%时，可制备最优过滤效率样品。

(3) 相较于基布，最优透气性样品透气量仅为基布的26%，但过滤效率却为其8.4倍。相较于最优过滤效率样品，最优透气性样品在透气性方面具有显著优势，其具有良好的透气性(34.4 mm/s)和过滤性能(86%)，在透气性及过滤性能方面与国外样品较为接近，是一种良好的滤材选择。