高精度燃油过滤材料的结构与性能分析

李惠 伍茜 潘志娟

摘 要：复合滤材过滤是从燃油中滤除杂质颗粒的有效方式之一，为此，测定并分析了6种燃油过滤材料的结构、物理性能及过滤性能，以探讨影响燃油滤材过滤性能的因素。结果表明，高精度燃油滤材多由聚酯非织造布与纸基复合而成；滤材的层级结构越复杂，厚度越大，孔径越小，则透气性越差，过滤效率越高；非织造布层的纤维越细，孔径越小，则滤材的透气性越差，过滤效率越高。6种滤材样品的过滤效率最高可达到99.8%。

关键词：高精度；燃油过滤；复合滤材；过滤性能

中图分类号：TS761.2

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2018）06-0006-06

Abstract：Filtration with composite filter materials is one of the most effective methods to remove particulates from fuel oil. The structures， physical properties and filtration properties of six kinds of fuel filter materials were measured and analyzed to explore the factors influencing the filtration performance of filter materials. The results showed that most of the high-precision fuel filter materials consist of PET nonwovens and paper base. As the structure of filter material became complex， the thickness increased， and the through-pore size of filter materials decreased， the air permeability decreased and the filtration efficiency improved. As the fibers in the nonwoven layer became thin and the through-pore size of filter materials decreased， the air permeability of the filter materials decreased and the filtration efficiency improved. The highest filtration efficiency of the six fuel filter materials could reach 99.8%.

Key words：highprecision； fuel filter； composite filter material； filtration performance

截至2017年6月，中国汽车保有量已达2.05亿辆，目前新能源汽车占比很小，汽车仍以消耗汽油、柴油为主。中国市面销售的燃油因原油品质低，制备、传输及储存等过程不清洁，其中砂石、锈蚀等颗粒物含量突出。颗粒杂质一方面会导致燃油机电控喷射系统的精密偶件磨损甚至卡死，发动机动力输出异常，缩短发动机的使用寿命[1]，另一方面会导致燃油燃烧不充分，尾气中含有大量的CO、NOx、微粒等有害物质，对大气质量造成不良影响[2]。由于喷油系统的精度不断提高以及2018年1月1日起国五排放标准的全面实施，对燃油滤清器中滤材的过滤精度及使用寿命提出了更高的要求。中国对汽车滤纸的研制开发起步较晚，产品的过滤效率、稳定性及使用寿命等与国际先进品牌存在较大差距[3]。相比于单层滤纸和非织造布滤材，复合过滤材料更高效长寿，在燃油滤清器中使用得越来越广泛[4]。本文研究了市场上几种复合燃油滤材的结构、成分、物理性能和过滤性能，探讨了影响滤材过滤性能的因素，为今后研制高精度燃油过滤材料提供参考数据。

1 实 验

1.1 实验材料

燃油过滤材料（6种商品样，分别编号为样品1、2、3、4、5、6）。

过滤测试液（YH12航空液压油）。

1.2 实验仪器

TM3030型台式电子扫描显微镜SEM（日本日立高新技术公司），Micolet5700智能型傅里叶红外光谱仪（美国尼高力），电子数显千分尺（桂林广陆数字测控公司），Porometer 3G型全自动比表面孔隙測定仪（美国康塔仪器公司），Instron3365型材料试验机（美国Instron公司），YG461E111型全自动透气量仪（宁波纺织仪器厂），DT100型机油滤清器特性综合试验台（新乡天翼过滤技术检测有限公司）。

1.3 测试方法

1.3.1 表面形貌观察

将样品各层取样剪贴在试样台上，喷金处理90 s，用TM3030台式扫描电子显微镜（SEM）观察并记录纤维层的形貌。从非织造布层的SEM图中随机选取50根纤维，利用软件Image Pro Plus 5.0测量直径。

1.3.2 红外光谱测试

将样品各层分别剪成粉末状，与烘干的溴化钾共同研磨，压片成型，采用智能型傅里叶红外光谱仪进行测试，测定红外光谱图的波长范围为4 000～400 cm-1。

1.3.3 厚度测试

用电子数显千分尺测量滤材的厚度，每种样品测10次，取平均值。

1.3.4 孔径测试

将滤材剪成直径为2.5 cm的圆形试样，用浸润液Porofil（Liquid Accessory Kit， 0115010035）将其完全浸湿后，置于测试设备中进行测试。计算最大孔径和平均孔径，用Origin绘制滤材的孔径分布图。

1.3.5 拉伸测试

测试方法及分析方法参考国标GB/T 12914—2008《纸和纸板 抗张强度的测定》。将样品剪成150 mm×25 mm，放在标准大气条件（温度（20±2）℃，湿度（65±2）%）下平衡24h，夹持距离100 mm，预加张力0 N，拉伸速率10 mm/min。每种样品测10次，取平均值。

1.3.6 透气性测试

样品放置在标准大气条件下平衡24 h，测试压差为100 Pa。每种样品测10次，取平均值。

1.3.7 过滤测试

根据标准ISO19438—2003，采用YH12航空液压油作为测试液，测试滤材对油的过滤效果。测试液粘度为14.2 mm2/s，流速为0.8 L/min，上游含尘量为5.0 mg/L，测试温度为（38±2）℃，测试时间为60 min。

2 结果与讨论

2.1 滤材的成分与结构

2.1.1 复合结构

本文所研究的6种燃油滤材中，除样品6为单层滤纸外，其余均为复合滤材；6种滤材试样的复合结构见表1。

滤材各层级之间的复合方式分为超声波焊接和粘合剂粘合两种。纺粘非织造布层和熔喷非织造布层之间采用超声波焊接，表面呈现规整的焊接点。图1为超声波焊接点电镜图，纤维几乎完全熔融，纤维形态消失，原本蓬松的熔喷层紧度提高，孔隙减少，过滤性能变差。非织造布与纸基或纸基与纸基之间采用粘合剂粘合，分离后表面有粘合剂残留，如图2所示，粘合剂堵塞纤维间的孔隙结构，影响滤材的过滤性能。

2.1.2 表面形貌

图3为滤材各层表面形貌的电镜图。纺粘非织造布层的纤维量少、粗细均匀，孔隙较大。熔喷非织造布层的纤维细密，排列杂乱无章，孔隙较小，结构疏松，独特的毛细结构和较大的比表面积，使其能在单层滤纸的基础上进一步提高过滤效率和纳污容量。纸基的结构紧密，孔隙小，对滤材过滤效率起决定性作用。部分纸基中混有白色亚微米级的玻璃纤维。玻璃纤维拉伸强度高，刚性大，耐油性和疏水性较好，能增加纸基的强度和挺度，改善滤材的支撑性能。

由纺粘非织造布、熔喷非织造布和纸基复合而成的滤材，在液体流动方向上，上游网状结构的纺粘非织造布孔径大，起到预滤作用，下游小孔径的熔喷非织造布和纸基作为精滤层，形成滤材内部孔径线性变化的梯度结构，能有效地调节过滤精度和过滤阻力[5]，延长滤材的使用寿命。

通过软件Image Pro Plus 5.0测量各层的纤维直径，纺粘非织造布层纤维的平均直径约20 μm，熔喷非织造布层的纤维直径分布在0.2～8 μm之间，远远小于纺粘非织造布层。熔喷层纤维细密，孔径小、孔隙率大，过滤效率和容尘量较高，但其结构疏松，断裂强度较低，耐摩擦性差，在储存、加工的过程中易磨损[6]，使用过程中受燃油冲击易破坏孔隙结构导致滤材的过滤性能不稳定。而纺粘非织造布经过加固处理，断裂强度较好，复合在熔喷非织造布层的表面，可有效保护熔喷层结构不被破坏。

2.1.3 成分分析

由图4可知，各非织造布层的红外光谱曲线基本一致。曲线在1 408 cm-1处存在由苯环振动引起的特征峰，对照红外光谱标准谱图，可判断非织造布层均由聚酯纤维制成。聚酯纤维熔点高，强度大，耐腐蚀，具有较好的尺寸稳定性，且疏水性和耐油性较好。用聚酯纤维制成非织造布复合滤材成本相对较低，使用性能较好。各纸基层的红外光谱曲线如图5，表明纸基的主要成分为纤维素纤维。

2.1.4 厚 度

如表2所示，样品厚度依次为样品3>样品1>样品4>样品5>样品2>样品6。样品3由两层非织造布和两层纸基构成，厚度为0.924 mm，层级数最多，厚度最大；样品1由一层非织造布和两层纸基构成，厚度大于由两层非织造布和一层纸基构成的样品4和样品5。可见，复合滤材的层级数和其中纸基的层数对滤材的厚度影响较大。

2.1.5 孔 径

孔径大小直接关系到过滤材料拦截杂质颗粒的能力，是滤材的重要物理结构。结果表明，6种滤材样品的孔径分布范围从几微米到十几微米，如图6。其中样品5的孔径最大，分布范围为6.21～17.80 μm，平均孔径达14.8 μm，约为样品3的5倍。最大孔径和平均孔径数据见表2。结合滤材的复合结构和纤维直径比较发现，通常滤材的纸基层数多，厚度越大，孔径越小；非织造布层的纤维直径越小，孔径越小。

2.2 滤材的性能

2.2.1 拉伸性能

柴油滤材作为重要的特殊纸种，不仅要具有较好的过滤性能，同时要具备适应滤清器结构更新及滤芯加工的力学性能[7]。在一定压差下工作，硬挺度好的滤芯结构不易坍塌，能保持滤材的原有孔隙结构[8]，过滤性能稳定，避免影响发动机的正常安全运行。本文通过拉伸测试表征滤材的力学性能。

如表3所示，样品1、6的断裂应力显著小于样品2、3、4、5，原因可能为非织造布层能提高滤材的断裂强度，样品1由一层纺粘非织造布与两层纸基复合而成，样品6为单层濾纸。另外，轧制波纹也可能改善滤材的力学性能。本文用弹性模量表示滤材发生弹性变形的难易程度，结果见表3。样品1弹性模量最小，为0.397 GPa，样品2、5、6的弹性模量大于1 GPa。样品6虽然是单层滤纸，厚度很小，但其弹性模量较大，这与滤纸的树脂浸渍处理有很大关系。滤材的拉伸应力—应变曲线如图7。

2.2.2 透气性

由表3可知，样品5的透气率高达23.63 mm/s，透气性最好；样品2次之；样品3的透气率最低，仅为10.41 mm/s。结合表2，滤材的最大孔径与透气性呈正相关关系，最大孔径越小，则透气性越差。

2.2.3 过滤性能

由表3可知，样品1和样品3的过滤效率最高，达到99.8%，样品2、4、6的过滤效率也较好，而样品5的过滤效率仅为49.5%，不能满足燃油的正常过滤要求。当过滤效率数值非常接近时，用过滤比能更直观地显示出滤材之间过滤性能的差别。样品1和样品3的过滤效率数值均为99.8%，但过滤比分别为1 079和963.8，显然样品1的过滤效率更高。压降是评价滤材过滤性能的重要参数，当压降太大时，燃油无法通过滤材，甚至破坏滤材结构，当压降太低时，几乎没有过滤效果，所以需平衡滤材的过滤效率和压降，选择最优参数。样品1、2、4、5、6的过滤压降无差别，而样品3在测试30 min内压力降快速上升到95 kPa，与其厚度大且孔径小密切相关。

2.3 影响过滤效果的因素

结果表明，燃油滤材的层级结构、复合方式、厚度、纤维粗细和孔径大小等均是影响滤材过滤效果的重要因素。

a）层级数越多（尤其是纸基层数），厚度越大，孔径越小，滤材的透气性越差，过滤效率越高。样品1和样品3含有两层纸基，厚度较大，孔径较小，透气率较低，过滤效果达99.8%。但是样品3因厚度大、孔径小，过滤时的压降过高，不利于保持其形状和结构，影响过滤性能的稳定性，大大缩短使用寿命。

b）熔喷非织造布层能进一步提高滤材的过滤效率，其纤维越细密，纤维层孔径越小，滤材的透气率越低，过滤效率越高。样品4和样品5的层级结构相同，厚度接近，但是样品5非织造层的纤维直径大于样品4，孔径和透气率也随之增大，过滤效率则远低于样品4。

c）其他因素，如粘合剂和固化树脂的使用均会对滤材的结构和过滤性能产生较大影响。

3 结 语

本文测定与分析了6种不同的燃油过滤材料的结构和性能，并讨论了影响过滤效果的因素。目前广泛使用的燃油滤清器滤材多由纸基与非织造布复合而成。纸基不仅作为支撑结构，同时对滤材的过滤效果起决定性作用，熔喷非织造层进一步提高过滤效果和纳污容量，纺粘非织造层起预滤和保护熔喷层的作用，三者构成梯度结构，有效调节了过滤效率和过滤阻力。非织造布之间采用超声波焊接，非织造布与纸基或纸基与纸基之间采用粘合剂粘合。结果表明，滤材的层级数越多（尤其是纸基层数），厚度越大，孔径越小，滤材的透气性越差，过滤效率越高，但压降也可能过高，不利于滤材使用的稳定性。此外，非織造布层的纤维越细，孔径越小，滤材的透气率越低，过滤效率越高。除了本文所探讨的因素外，粘合剂的使用、树脂处理工艺等对滤材的性能也有较大影响。

参考文献：

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