工业除尘滤料高温拉伸性能研究

国家纺织品服装服饰产品质量检验中心， 广东 广州 511447

随着我国工业化程度的不断提高，企业排放的工业烟气中的颗粒物对环境的影响越来越大。近年来，国家环保部门重点推广袋式除尘技术的应用，而工业除尘滤料是袋式除尘器的核心部件，其性能直接影响整套袋式过滤系统的运行质量。在进行工业烟气除尘时，工业烟气的温度往往在50 ℃以上，有的甚至达到100 ℃以上。工业除尘滤料长时间在高温环境中过滤烟气中的颗粒物，同时受到风力载荷的拉伸作用。目前，工业除尘滤料的拉伸断裂试验在室温环境中进行，或者采用烘箱对样品进行规定时间的高温预处理，然后在室温环境中进行拉伸断裂试验[1-2]，但此时热作用和拉伸作用是分开进行的，不能完全模拟工业除尘滤料在高温环境中承受拉伸的实际应用情况。工业除尘滤料的高温拉伸蠕变是指滤料长时间处于高温环境中，在恒定拉伸载荷(其远小于滤料的拉伸断裂强力)的作用下发生缓慢伸长，甚至断裂的现象。高温拉伸蠕变性能可以全面表征工业除尘滤料在高温环境中的变形状况。

与滤料在室温环境中进行拉伸试验(简称“室温拉伸试验”)、滤料经高温预处理再在室温环境中进行拉伸试验(简称“高温预处理+室温拉伸试验”)相比，滤料在高温环境中进行拉伸试验(简称“高温拉伸试验”)更接近工业除尘滤料的实际工况，在工业除尘滤料高温拉伸性能的评价方面更具有优势，利于更加准确地预测工业除尘滤料在高温工况中的拉伸性能。

本文通过高温拉伸断裂试验研究工业除尘滤料的高温拉伸断裂性能，并且与室温拉伸断裂试验结果、高温预处理+室温拉伸断裂试验结果比较，分析热作用和拉伸作用同时发生对工业除尘滤料拉伸断裂性能的影响；同时，通过高温拉伸蠕变试验研究拉伸蠕变载荷对工业除尘滤料高温拉伸蠕变性能的影响，以期为滤料的使用评估提供数据支撑，为滤料使用寿命的预测提供帮助。

1 试样及测试仪器

1.1 试样

耐高温工业除尘滤料：针刺非织造毡，面密度为500 g/m2，在压强为0.5 kPa时测得其厚度为1.679 mm。

1.2 测试仪器

(1) 电子万能材料试验机(图1)，用于对试验样品进行高温及室温条件下的拉伸断裂试验和高温拉伸蠕变试验。采用美国英斯特朗(Instron)公司生产的型号为Instron 5699-E2的电子万能材料试验机，其为等速伸长型(CRE)，主要部件包括加载系统、夹持系统、高温环境箱等。

图1 Instron 5699-E2电子万能材料试验机

(2) 烘箱(图2)，用于对试样进行高温预处理。采用德国美墨尔特(Memmert)公司生产的型号为UF110-B0的烘箱，其使用温度范围为室温至250 ℃。

图2 UF110-B0烘箱

2 试验内容

试验内容主要包括两个部分：高温/室温拉伸断裂试验和高温拉伸蠕变试验。

2.1 高温/室温拉伸断裂试验

测量试样的拉伸断裂强力和拉伸断裂伸长率，其试验内容主要包括：(1)在室温(20 ℃)环境中对试样进行拉伸断裂试验；(2)首先对试样进行高温预处理，即将试样置于100 ℃烘箱中24 h后冷却至室温，再在室温(20 ℃)环境中进行拉伸断裂试验；(3)在不同高温(100、150、200、250 ℃)环境中对试样进行拉伸断裂试验。根据以上试验数据，通过计算获得试样在高温环境中的拉伸断裂强力损失率和试样经高温预处理后的拉伸断裂强力损失率，对试样的高温拉伸断裂性能与试样经高温预处理后的拉伸断裂性能进行对比。

2.2 高温拉伸蠕变试验

测量试样的高温拉伸蠕变性能，采用蠕变曲线及数据表示。试验参数：蠕变时间1 800 s，试验温度100 ℃，蠕变载荷50、 100、 150、 200 N。

3 结果和讨论

3.1 高温/室温拉伸断裂试验

高温(100 ℃)拉伸断裂试验结束后的试样形态如图3所示。

图3 高温(100 ℃)拉伸断裂试验后的试样形态

从图3可以看出，试样中间部位的宽度变窄，被电子万能材料试验机上的夹持器夹持部位的宽度保持不变，试样宽度转变区域的应力较集中，因此试样在此处发生断裂的情况较多。

试验温度与试样拉伸断裂强力的关系如图4所示。

图4 试验温度与试样拉伸断裂强力的关系

从图4可以看出，随着试验温度升高，试样的纵、横向拉伸断裂强力均呈线性下降趋势。温度升高，导致纤维分子热运动加剧及分子链间的滑移程度加大，因此工业除尘滤料的拉伸断裂强力下降。当试验温度从100 ℃升到200 ℃时，试样的纵向拉伸断裂强力从1 052.84 N/(5 cm)下降至833.23 N/(5 cm)，下降了20.9%；试样的横向拉伸断裂强力从1 128.30 N/(5 cm)下降至953.47 N/(5 cm)，下降了15.5%。

对试样在不同试验温度下的纵、横向拉伸断裂强力测试结果进行线性拟合，得到：

试样纵向拉伸断裂强力的线性拟合方程

y=1 269.140 9-2.288 80x

(1)

试样横向拉伸断裂强力的线性拟合方程

y=1 303.741-1.914 74x

(2)

从上述两个线性拟合方程，可以看出它们的斜率不同，方程(1)的斜率(2.288 80)大于方程(2)的斜率(1.914 74)。由此可见，随着试验温度升高，试样的纵向拉伸断裂强力的下降速度较横向快。在各个试验温度下，试样的纵向拉伸断裂强力均低于横向，并且随着试验温度升高，纵、横向拉伸断裂强力的差异增大，这与方程(1)和(2)的斜率一致。

试验温度与试样拉伸断裂伸长率的关系如图5所示。

图5 试验温度与试样拉伸断裂伸长率的关系

从图5可以看出，随着试验温度不断升高，试样的拉伸断裂伸长率首先逐渐增大，在试验温度为150 ℃时达到最大，然后逐渐减小。分析其原因，当试验温度在150 ℃以下时，滤料大分子结构中的分子链移动对伸长率的增大起主要作用；当试验温度超过150 ℃后，滤料大分子结构中的分子链移动对伸长率的增大作用，小于此时滤料强力下降导致的伸长率下降作用。

比较图4和图5的曲线形状，可以看出随着试验温度升高，试样拉伸断裂伸长率的变化趋势并不同于其拉伸断裂强力的线性下降趋势，而是呈现出先增后降的抛物线变化趋势。

不同试验方法(试验温度分别为室温、100 ℃高温、100 ℃高温预处理+室温)得到的试样拉伸断裂强力对比如图6所示。

图6 不同试验方法得到的试样拉伸断裂强力

以试样的室温拉伸断裂强力为基准，对试样的100 ℃高温拉伸断裂强力做比较，其纵向拉伸断裂强力保持率为77.8%，即拉伸断裂强力损失率为22.2%；其横向拉伸断裂强力保持率为82.0%，即拉伸断裂强力损失率为18.0%。由此可见，高温拉伸断裂试验能够有效地表征温度升高对工业除尘滤料拉伸断裂强力的影响。

同样地，以试样的室温拉伸断裂强力为基准，对试样的100 ℃高温预处理+室温拉伸断裂强力做比较，其纵向拉伸断裂强力保持率为99.6%，即拉伸断裂强力损失率为0.4%；其横向拉伸断裂强力保持率为100.3%，即拉伸断裂强力未损失且略增加。由此可见，高温预处理对试样拉伸断裂强力的影响很小，对试样进行100 ℃高温预处理再在室温环境中进行拉伸断裂试验，不能有效地表征高温对滤料拉伸断裂强力的影响。

试验结果表明，在温度和拉伸载荷同时作用的情况下，工业除尘滤料的拉伸断裂强力下降较快，滤料会更快地发生破坏；采用高温对工业除尘滤料进行预处理后再冷却至室温进行拉伸断裂试验，无法真实反映工业除尘滤料在实际工况中受到的高温热作用和载荷作用。因此，对于长期应用于高温环境的工业除尘滤料而言，高温拉伸试验更合理。

3.2 高温拉伸蠕变试验

高温拉伸蠕变试验结束后的试样形态如图7所示。

图7 高温拉伸蠕变试验结束后的试样形态

从图7可以看出，高温拉伸蠕变试验后，试样发生了不可回复的塑性变形，其随着拉伸蠕变载荷提高而增加，当拉伸蠕变载荷为150、 200 N时，蠕变伸长明显，试样中间部位的宽度明显变窄，表明滤料发生了较明显的塑性变形。

试样高温拉伸蠕变曲线如图8所示，可以看出，在达到恒定的蠕变载荷之前，随着蠕变载荷增大，试样的伸长快速增加。当蠕变载荷分别为100、 200 N时，达到恒定的蠕变载荷时，试样的伸长分别为13.451、 31.891 mm，后者比前者增加137.1%。当蠕变载荷分别为50、 100、 150、 200 N时，试样的蠕变伸长分别为1.350、 1.113、 1.179、 0.889 mm。也就是说，在四种蠕变载荷下，试样的蠕变伸长在0.800～1.400 mm。

试验结果表明，在达到恒定的蠕变载荷前，随着蠕变载荷增大，试样的伸长大幅增加(达两倍以上)，而试样的蠕变伸长则呈逐渐减小趋势。

图8 试样高温拉伸蠕变曲线(试验温度100 ℃)

4 结论

(1) 在100 ℃高温拉伸断裂试验中，温度和载荷同时作用，试样的拉伸断裂强力下降幅度较大，以室温拉伸断裂强力为基准做比较，试样的纵、横向拉伸断裂强力损失率分别为22.2%、 18.0%；在100 ℃高温预处理+室温拉伸断裂试验中，温度作用和载荷作用不同时发生，同样以室温拉伸断裂强力为基准做比较，试样的纵、横向拉伸强力损失率基本可以忽略不计，因此无法表征温度升高对工业除尘滤料拉伸断裂强力的影响。由此表明，对于长期应用于高温环境的工业除尘滤料，高温拉伸断裂试验更合理，它能够更好地模拟工业除尘滤料的实际工况，而高温预处理+室温拉伸断裂试验则无法有效表征工业除尘滤料在实际工况中经受的高温对其拉伸断裂性能的影响。

(2) 经高温拉伸蠕变试验后，试样呈现出不可回复的塑性变形，其随着蠕变载荷增大而增加。当蠕变载荷较大时，试样中间部位的宽度明显变窄，表明工业除尘滤料发生了较明显的塑性变形，这会影响工业除尘滤料的过滤性能和使用寿命。

(3) 在高温拉伸蠕变试验中，随着蠕变载荷不断增大，在达到恒定的蠕变载荷前，试样的伸长大幅增加(达两倍以上)，而试样的蠕变伸长则呈现逐渐减小的趋势。