过滤材料的撒粉涂层处理

东华大学纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620

大气污染的重要污染源之一是工业烟气。工业烟气中的主要污染物包括烟尘、SO2等[1]。传统的非织造材料的过滤效率低，运行阻力大，清灰不易且使用寿命短。为了解决上述问题，人们对传统的过滤材料(简称“滤料”)进行复合、涂层等后处理，以改善滤料性能，其中最常见的产品是覆膜滤料。将一层致密、多孔的薄膜覆在滤料的表面，即形成覆膜滤料。由于薄膜的孔径小于滤料的孔径，薄膜能起到表面过滤的作用，但其过滤机理不同于传统滤料的表面过滤机理。因此，覆膜滤料较传统滤料拥有显著优点，包括过滤效率高、易清灰、除尘阻力低且稳定、使用寿命长、运行成本低等[2]3。

覆膜滤料的生产工艺主要分为两种[2]4。一种是传统黏结剂法，采用合适的黏结剂使基布和薄膜之间发生交联固化而结合。另一种是国际上流行的高温热压复合技术，首先对基布进行表面处理，然后将基布与薄膜一起经高温热压复合成为一体。两种工艺各有优缺点。在覆膜滤料的生产中，高温热压复合技术的应用更广泛。但是，聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜在高温热压复合过程中容易发生局部破损，这大大降低了覆膜滤料的过滤精度。为此，国外某公司研发出了一种发泡涂层方法，其可在传统的过滤材料表面形成微孔层[3-4]。使用此种方法制备的滤料以玻璃纤维(简称“玻纤”)机织布为基布，在其表面形成具有微孔结构的致密PTFE发泡层，孔径大小较均匀且与玻纤基布的黏附牢度高，具有良好的过滤效率和清灰效果，且使用寿命大大提高[5-6]。但是，国内目前还未生产出PTFE发泡涂层的覆膜过滤材料。

撒粉涂层法是热熔聚合物涂层法的一种，属于干法涂层法，也被称为杂乱式喷涂[7]。此方法操作简单，工艺要求低。在工业生产中，主要采用撒粉机将细小的聚合物粉末转移到基布上，再在高温环境下进行热处理，使聚合物粉末熔融而黏附在基布表面[8]，从而在基布表面形成微孔层，减小基布的孔径，提高基布的过滤精度。

聚全氟乙丙烯(FEP)是一种四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物，属于PTFE的改性材料，近年作为PTFE的替代品而受到了广泛的关注[9]。FEP具有与PTFE相似的特性，如耐高温、耐腐蚀、不易黏附、抗老化性良好、化学稳定性优良等，不同的是，PTFE因加工困难其应用受到限制，而FEP具有良好的可加工性，可以采用一般的热塑性加工方法进行成型。工业上可以制得粒径在微米级的FEP颗粒，而且其熔点很高，适合进行高温处理。所以，在撒粉涂层处理中，FEP粉末可以作为耐高温滤料的覆膜材料使用。

基于以上背景，本文采用撒粉涂层的方法对芳纶针刺毡进行处理，然后测试其透气性、表面结构和耐磨性，以期获得具有优良性能的耐高温滤料。

1 试验部分

1.1 试验材料

FEP，粉末状，测得其熔点为287.5 ℃、粒径为40 μm，购自上海三爱富新材料有限公司；芳纶针刺毡，其面密度为540 g/m2、厚度约2.5 mm，由浙江华基环保有限公司提供。

1.2 试验仪器

本试验使用的试验仪器见表1。

表1 试验仪器

1.3 样品制备

采用FEP在芳纶针刺毡表面进行撒粉涂层处理，得到FEP撒粉涂层芳纶针刺毡样品，其制备步骤：

(1) 将芳纶针刺毡裁剪成若干尺寸为20 cm×20 cm的试样。

(2) 使用ME204E/02型精密电子天平称取所需质量的FEP。

(3) 将裁剪好的试样在桌面上铺平，然后将称量好的FEP分散撒在试样表面，并用刷子进行多次、连续、均匀的涂抹，使FEP均匀地分布于试样表面。

(4) 将表面均匀撒有FEP的试样放入温度已达到设定温度的烘箱中，按设定时间进行烘燥。

(5) 对于需冷轧的试样，应在试样从烘箱中取出后立即送入已设定好压力的压力辊间进行冷轧处理。

FEP撒粉涂层芳纶针刺毡样品编号及工艺参数见表2。

表2 FEP撒粉涂层芳纶针刺毡样品编号及工艺参数

1.4 性能测试

1.4.1 DSC分析

采用DSC4000型差式扫描量热仪测试FEP和PTFE的熔点。称取50 mg待测样品放入坩埚，并用锅盖将待测样品封锁在坩埚内。打开氮气罐，待仪器降温至室温后开始测试。将装有待测样品的坩埚放入样品池，并将一个空白坩埚放入参比池，设置升温速率为10.0 ℃/min、终止温度为350.0 ℃，待测试完成后通过Calculate选项中的峰值计算，得到波峰处对应的温度，其可近似作为待测样品的熔点。

1.4.2 透气率的测定

参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气率的测定》，采用YG461E型全自动透气性测试仪测定FEP撒粉涂层芳纶针刺毡样品的透气率，试样压差为200 Pa，试样面积为20 cm2。

1.4.3 表面结构的观察

采用FlexSEM—1000型扫描电子显微镜观察滤料表面结构。首先将样品制成适合仪器样品台尺寸大小的试样，然后用导电胶把试样粘在样品台上，再进行喷金处理，最后进行观察。

1.4.4 耐磨性的测定

参照GB/T 21196.3—2007《纺织品 马丁代尔法织物耐磨性的测定 第3部分：质量损失的测定》，采用YG401E型织物平磨仪(马丁代尔仪)测定滤料的耐磨性，摩擦压力为9 kPa，仪器转速为47.5 r/min，曲线轨迹为60.5 mm Lissajous曲线，标准毛毡直径为140.0 mm，磨料为No.600水砂纸，试样衬垫为柔软的非织造布[10]。

2 结果分析与讨论

2.1 FEP和PTFE的熔点

为了确定FEP撒粉涂层后试样的烘燥温度，以及对比FEP和PTFE的耐热性，本试验首先测定两者的熔点，结果见图1。

图1 FEP及PTFE的DSC分析曲线

从图1可以明显看出，FEP粉末和PTFE的熔点分别为287.5、328.5 ℃。FEP作为PTFE的改性材料，其熔点比后者降低了41.0 ℃，既有较高的耐温性，也有良好的可加工性。因此，FEP可以作为PTFE的替代品，用于制备耐高温滤料。

2.2 FEP撒粉涂层工艺参数对滤料透气性的影响

2.2.1 烘燥时间

在FEP质量为2.000 0 g、烘燥温度为300.0 ℃及不经过冷轧处理的条件下，改变烘燥时间(2、3、4 min)，制得3组FEP撒粉涂层芳纶针刺毡样品(其编号分别为1#、2#、3#)，它们的透气率测试结果见表3。

表3 烘燥时间与透气率

对1#、2#、3#样品的透气率进行对比，得到：在其他工艺参数相同的条件下，烘燥温度为300.0 ℃时FEP可以完全熔融，烘燥时间对FEP撒粉涂层芳纶针刺毡的透气率的影响不大。由此说明只要FEP粉末完全熔融并黏附在芳纶针刺毡的表面，改变烘燥时间不会对FEP撒粉涂层芳纶针刺毡的透气率造成影响。

2.2.2 FEP质量

在烘燥温度为300.0 ℃、烘燥时间为3 min及不经过冷轧处理的条件下，改变FEP质量(2.000 0、4.000 0、6.000 0 g)，制得3组FEP撒粉涂层芳纶针刺毡样品(其编号分别为2#、4#、5#)，它们的透气率测试结果见表4。作为对比，芳纶针刺毡(即0#样品)的透气率也列入表4。

表4 FEP质量与透气率

对0#、2#、4#、5#样品的透气率进行对比，得到：在其他工艺参数相同的条件下，FEP质量越多，样品的透气率越低。分析其主要原因，可能是随着FEP质量的增加，芳纶针刺毡表面涂覆的FEP增多，涂覆密度(即芳纶针刺毡表面单位面积内的FEP质量)增加，滤料表面形成的覆膜更加致密，因此滤料的透气率降低。

2.2.3 冷轧压力

在FEP质量为6.000 0 g、烘燥温度为300.0 ℃、烘燥时间为3 min的条件下，改变冷轧压力(2、3、5 MPa)，制得3组FEP撒粉涂层芳纶针刺毡样品(其编号分别为6#、7#、8#)，它们的透气率测试结果见表5。

表5 冷轧压力与透气率

对6#、7#、8#样品的透气率进行对比，得到：在其他工艺参数相同的条件下，FEP撒粉涂层后再经冷轧处理，样品的透气率下降，而且冷轧压力越大，样品的透气率越低。这是因为经过冷轧处理的滤料，其厚度由于受到冷轧压力的作用而减小，这使得滤料的透气率有所下降，但是冷轧压力对滤料的透气率的影响程度有限。

2.3 滤料表面结构

采用FlexSEM-1000型扫描电子显微镜观察未经FEP撒粉涂层处理的芳纶针刺毡(0#样品)及FEP撒粉涂层芳纶针刺毡样品(8#样品，烘燥温度300.0 ℃，烘燥时间3 min，撒粉质量6.000 0 g，冷轧压力5 MPa)，结果如图2所示。

(a) 芳纶针刺毡

(b) FEP撒粉涂层芳纶针刺毡

如图2所示，FEP撒粉涂层芳纶针刺毡表面充满FEP颗粒，其填满了芳纶针刺毡中纤维与纤维之间的空隙，减小了纤维与纤维之间的空间距离。FEP颗粒之间存在相互拉扯、粘连的现象，FEP颗粒与纤维之间也存在相互串连、黏附的现象，形成了较多的微孔和缝隙。冷轧处理导致FEP撒粉涂层芳纶针刺毡中的部分FEP颗粒变成扁平状，而FEP颗粒的形状改变可能会加大黏附强度，最终在芳纶针刺毡表面形成了类似微孔薄膜的结构，这是滤料透气率下降的主要原因。

由此可见，FEP撒粉涂层芳纶针刺毡表面形成了由熔融的FEP颗粒相互黏附而组成的薄膜结构，其中的FEP颗粒之间及FEP颗粒与纤维之间存在较多的微孔和细隙，因此滤料的过滤性能明显提升。

2.4 3种滤料的耐磨性对比

表6给出了芳纶针刺毡、本文制备的FEP撒粉涂层芳纶针刺毡(表1中的4#样品)和PTFE微孔覆膜芳纶针刺毡(工业用覆膜滤料，浙江华基环保公司生产)3种滤料的耐磨性测试结果。

表6 耐磨性测试结果

如表6中的测试结果所示，芳纶针刺毡的耐磨性本身较好，FEP撒粉涂层芳纶针刺毡的耐磨性则有显著提高。FEP撒粉涂层芳纶针刺毡在摩擦过程中纤维不会轻易断裂，当平磨次数达到500时，表面的微孔结构未完全破坏。在相同试验条件下，FEP撒粉涂层芳纶针刺毡的质量损失不到芳纶针刺毡的1/5，且部分试样在平磨次数超过5 000时才完全破损。

与FEP撒粉涂层芳纶针刺毡相比，PTFE微孔覆膜芳纶针刺毡的耐磨性较差。PTFE微孔覆膜芳纶针刺毡是以玻纤机织布为基布，并在基布的上下两面各复合一层芳纶短纤维而制成的，当平磨次数达500时，基布表面的PTFE膜完全破坏。从表6中的数据还可以看出，在相同的平磨次数下，PTFE微孔覆膜芳纶针刺毡的质量损失比FEP撒粉涂层芳纶针刺毡大很多，几乎大了一个数量级。

由此可见，经过FEP撒粉涂层处理的芳纶针刺毡的耐磨性显著增强，这大大延长了滤料的使用寿命。

3 结论

本文采用FEP粉末作为涂层材料，以芳纶针刺毡作为基布进行撒粉涂层处理，将FEP粉末熔融固化于芳纶针刺毡的表面，形成了微孔覆膜结构，得到了一种性能优良的耐高温滤料，发现：

(1)对基布进行FEP撒粉涂层处理后，滤料的透气率降低，过滤精度提高。在撒粉涂层处理中，改变烘燥时间及进行冷轧处理都不会对滤料的透气性产生很大影响。随着FEP质量的增加，滤料的透气率逐渐降低，过滤精度则有很大提高。

(2) 对基布进行FEP撒粉涂层处理后，滤料的表面结构会发生明显变化，在滤料表面形成了由熔融的FEP颗粒相互黏附而组成的微孔薄膜结构。

(3) 经过FEP撒粉涂层处理的芳纶针刺毡的耐磨性明显提高，大大优于工业用的PTFE微孔覆膜芳纶针刺毡滤料，前者的使用寿命也得到延长。