一种新型复合油液过滤材料的研制

邵超凡， 卢继霞， 白亚洲， 黄俊凯

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院， 北京 100083)

引言

为提高液压系统的工作可靠性，必须对其工作介质——油液进行过滤，某些对油液要求较高的行业，需要过滤效率极高的滤材，但目前国产滤材大多过滤效果较差，使用寿命短[1]，所需高精度滤材基本依赖于进口。美国颇尔(Pall)公司、芬兰奥斯龙(Ahlstrom)公司、韩国科龙(Kolon)公司等企业制备的滤材过滤效果好、使用寿命长，但是价格较贵[2]，因此开发高精度、高强度、经济环保的滤材成为我国众多行业的集体呼声[3-5]。

近年来，研究者们对复合过滤材料的研究越来越多[6]， 其中玻璃纤维复合滤材是过滤精度最高的非织造纤维过滤材料[7-8]。玻璃纤维非常细微的纤维直径使得过滤精度能达到1 μm，甚至更高，但是其本身硬而脆的特点会导致滤材掉毛，使油液出现二次污染的问题[9]，因此需要添加其他纤维材料来弥补不足。天然植物纤维作为过滤材料原料的一种，不仅来源广泛、成本低廉、绿色环保，而且柔韧度高、强度大、结合性好、比较容易成型，将玻璃纤维和植物纤维混合，既可以发挥玻璃纤维纤细而均匀的优势，又可以发挥植物纤维韧而强的优势，抄造出来的滤材物理性能也会大大提高。到目前为止，使用木质纤维以及玻纤来抄造油液滤材的只有贺氏(苏州)特殊材料有限公司发明的玻纤复合柴油滤材[10]，但是该滤材在制造过程中并非将玻纤以及木质纤维混合抄造，而是采用分层结构，导致滤材在使用过程中更容易出现材料层分离脱落的现象，而且未将木质纤维原纤化处理，纤维直径略粗。

过滤性能是评价过滤材料优劣的重要指标，其中纤维的粗细是影响过滤精度的关键参数[11]，一般来说，构成滤材的纤维越细，过滤精度越高[12]。植物纤维原料直径一般达到几十微米，如果通过纤维分丝原纤化的技术手段使其直径达到1～3 μm左右，即对湿态下的纤维进行机械摩擦、挤压和切断，将原纤纤维部分分离或完全脱离主体纤维，再将其与玻璃纤维复合抄造，则可以获得精度较高的过滤材料。所以本研究拟以天然针叶木纤维作为原料，将其进行原纤化处理后与玻璃纤维复合抄造，并重点研究玻璃纤维与木纤的不同配比制备的复合过滤材料与滤材过滤性能的关系。

1 滤材制备及性能分析方法

1.1 针叶木纤维原纤化

将一定量的加拿大雄狮牌漂白针叶硫酸盐木浆经过PL28-2型标准疏解机进行疏解，再用水稀释后用M-PTB508A型PFI磨研磨12万转进行原纤化处理，并通过80目的尼龙滤网收集滤网上纤维，标记为PFI12w-80。

1.2 基材及滤材的制备

将疏解稀释后的25 μm左右的针叶木纤维按照50 g/m2的定量在不锈钢网上进行手工抄片作为滤材的基材，烘干备用；之后在基材上用经过一定配比的原纤化PFI12w-80纤维和3 μm左右玻璃纤维作为原料手工抄造复合过滤层。不同配比下得到的复合滤材见表1。

表1 不同配比的复合滤材

1.3 滤材过滤性能分析方法

滤材性能通常利用多次通过试验台进行测试[13]。本研究利用实验室自制的多通试验台和HIAC-ROYCO PC4100型颗粒计数器对滤材的过滤精度及过滤效率进行分析。在试验进行5 min和10 min时分别在滤材上下游取样，根据颗粒计数器的分析结果计算滤材的过滤精度和过滤效率(试验条件：试验流量q1=3 L/min，注污流量q2=0.3 L/min，加入精细AC粉尘量2.6 g)。

2 结果与讨论

2.1 滤材外观

图1是前4种配比情况下滤材的外观形貌图，其中图1a是用纯玻璃纤维抄造的定量为50 g/m2的手抄片，可以看出干燥后很难形成完整的纸张结构，是一堆均匀分布的松散的玻璃纤维层；图1b是纯原生针叶木纤维抄造的定量为50 g/m2的手抄片，干燥后形成了一张较为平整的纸片，但表面局部会产生纤维的絮团；图1c是在玻璃纤维中添加少量的原纤PFI12w-80混合抄造的定量为50 g/m2的手抄片，其配比为99∶1，干燥后形成了一张结构完整且表面疏松柔软的纸片，但表面仍有较多的纤维絮团；图1d手抄片中玻璃纤维和原纤PFI121w-80的配比变为95∶5，混合抄造的定量仍为50 g/m2，与图1c相比，干燥后不但形成了结构完整的手抄片，并且手感更加密实、均匀，表面聚集的纤维絮团也少了许多，强度也明显增加不少。

图1 滤材手抄片外观图

对比图1中的4种配比滤材外观形貌，可以得出如下结论：

(1) 玻璃纤维的抄片成型性能远不如针叶木这样的天然植物纤维的抄片成型性能，并且纯玻璃纤维几乎无法成型；

(2) 在玻璃纤维中加入少量的针叶木原纤PFI12w-80可以大大改善玻璃纤维的成型性能，并且随着针叶木原纤PFI12w-80的增多，两者的混合纤维手抄片的成型性能随之提高，并且其手抄片的强度等物理结构性能也得到大幅度提高；

(3) 手抄片上都会或多或少的出现纤维絮团，这和实验所用纤维太长、且纤维未分散均匀有关。

2.2 滤材显微结构分析

为了详细观察PFI12w-80针叶木纤维在过滤层中所起到的作用，选取原纤PFI12w-80针叶木纤维含量较多的⑦和⑧号滤材分别放大1500倍和2000倍在电镜下观察到的图像进行说明，如图2所示。

在图2中，光滑且笔直的、直径都在3～4 μm的是玻璃纤维，其他粗细不均、形体扭曲的细小纤维都是原纤化的PFI12w-80针叶木纤维。两图中均有大量的细小针叶木纤维丝分布在由玻璃纤维形成的孔隙中。但因为滤材⑧比滤材⑦的原纤化纤维比例高10%，所以图2b中会看到有更多的细小原纤PFI12w-80 针叶木纤维丝搭接、缠绕在玻璃纤维丝上，孔隙率明显降低。由于在滤材制备实验中对原纤化纤维的筛分不够充分，所以还是有很多更细小的亚微米纤维夹杂其中，原纤化纤维含量越高，这些亚微米纤维越多，致使滤材有形成层的迹象，所以从滤材⑦和滤材⑧的显微结构图可以看出，滤材⑧的孔隙率要明显小于滤材⑦，这必然会影响滤材⑧的压差特性，同时也说明细小纤维的含量不能过高。

图2 ⑦号和⑧号滤材在不同放大倍数下的图像

为了了解基层和复合过滤层之间的结合情况，选取⑥号和⑦号滤材均放大200倍进行了截面分析。

图3是⑥号滤材和⑦号滤材的截断面在电子显微镜下放大200倍看到的图像。上层均为玻璃纤维过滤层，下层均为针叶木纤维基材层，通过对比图3a和图3b发现：图3a中上下两层结合的并不是太紧密，2层之间有明显的分割层；而图3b中出现了明显的过渡层(如图中方框所示)，上层纤维有向下延伸的趋势，下层针叶木纤维已经出现在上层的玻璃纤维中间，即随着上层复合过滤层原纤PFI12w-80占比的增加，其上下2层的结合紧密度也随之增加。分析其原因，大概是因为过滤层中原纤化PFI12w-80 针叶木纤维中有很多是微米或亚微米级纤维，这些纤维通过和玻璃纤维混合打浆的方式，均匀地分散在玻璃纤维中，较多的原纤PFI12w-80 针叶木纤维与基材中的针叶木纤维由于氢键及分子力的作用会相互吸引，从而增加了基层与复合层之间的紧密度。

图3 ⑥号和⑦号滤材截面图像

2.3 滤材过滤性能试验

为了了解原纤化比例对滤材过滤性能的影响，本研究挑选了3种具有代表性的不同配比的复合滤材(⑤号滤材、⑥号滤材、⑦号滤材)，利用多通试验法对其过滤精度和压差特性进行了测试，试验结果见表2～表4。

在表2～表4中，从⑤号～⑦号滤材，其过滤层中的原纤化PFI12w-80纤维相对玻璃纤维的占比从1%增加到10%。从表中可以看出：滤材对于颗粒尺寸大于1,3,5,10 μm的过滤效率都在随着过滤层中原纤化PFI12w-80纤维占比的增多而提高。根据国家标准GB/T 20079—2006《液压过滤器技术条件》，当滤材对于某一尺寸颗粒的过滤效率达到98.7%的时候，就可以说滤材的过滤精度可以达到该尺寸颗粒的过滤标准，所以很明显，⑤号滤材的过滤精度是15 μm， ⑥号和⑦号滤材的过滤精度都是010 μm，并且⑦号滤材的过滤精度已经接近5 μm 。虽然过滤精度依次提高了，但是其压差也随之增大了，从0.171 MPa 增加到了0.352 MPa，压差增加了一倍多。过滤层的原纤PFI12w-80和玻璃纤维总的含量是一样的，也就是说在过滤层的定量不变的情况下，随着亚微米级原纤化纤维PFI12w-80的增加，过滤材料的总表面积增大，对颗粒的捕获能力增加，因此过滤效率增加；但同时了降低了过滤材料的孔隙率，而且原纤化针叶木纤维与基层木纤维之间的分子力作用也增加了不同层间的纤维紧密度，因此过滤压差会增大。当然，如果在滤材制备实验中对原纤化纤维的筛分能够更充分一些，尽量将很多更细小或更粗大的纤维滤除干净，则可以制备出性能更好的复合过滤材料。

表2 ⑤号滤材多通试验结果

表3 ⑥号滤材多通试验结果

表4 ⑦号滤材多通试验结果

3 结论

将原纤化PFI12w-80针叶木纤维与玻璃纤维以不同配比制得不同的复合过滤材料，外观形貌观察发现，过滤层中原纤化木纤维PFI12w-80占比越大，其复合滤材的强度越高，表面越紧密；电镜观察发现，原纤化木纤维PFI12w-80原纤化木纤维丝均匀分布在玻璃纤维孔隙中，以非常柔软、扭曲的形态紧紧地缠绕在周围的玻璃纤维上，其含量越高，滤材的基材层和过滤层结合的也越紧密，中间出现过渡层，但滤材的孔隙率越低；对3种不同配比的复合滤材进行了多次通过试验，试验结果显示，随着原纤化木纤维PFI12w-80含量的增加，各滤材对不同尺寸颗粒的过滤效率及过滤精度都有所提高，但随之压差也增大，所以原纤化木纤维的含量并不是越高越好，还需要对其含量与过滤性能的关系进行更进一步的研究。