烟气净化用针刺滤料耐腐蚀性能研究*

刘 娜 陈香云 张永锋 余梅芳 王紫诺 郭咏琪

1. 内蒙古工业大学轻工与纺织学院，内蒙古 呼和浩特010080；

2. 内蒙古工业大学化工学院，内蒙古 呼和浩特010051

随着大气污染治理的深入，治理的难度在逐渐加大。近年，为打赢蓝天保卫战，政府部门对大气污染物的排放量提出了严格的要求。滤料作为工业除尘的重要材料，适用于捕集细小、干燥的非纤维性粉尘。含尘气体经纤维织物的过滤作用后，较细小的粉尘在通过滤料时被拦截，最终气体得到净化[1]。因此，滤料作为控制细微粉尘排放的一种材料，已经被应用到水泥、钢铁、废弃物焚烧等各行业中。

但由于实际工况环境苛刻复杂，排出的SO2等有害气体有腐蚀作用[2]，这使得大部分滤料在湿度高和腐蚀强的环境中不能保持其基本性能。因此，为满足实际使用需求，一方面需开发出高性能纤维滤料，另一方面可基于滤料的基本性能对滤料进行烧毛、轧光、浸渍、涂层、覆膜等后整理，改善滤料的使用性能。如：Xu等[3]基于高性能聚醚醚酮(PEEK)纤维制备出PEEK非织造布过滤器，能在硫酸、氢氧化钠和250 ℃的高温条件下表现出出色的稳定性；廖侠等[4]研究了滤料的厚度、面密度对透气性的影响，发现随着面密度的增加，滤料的透气性在下降；崔鑫等[5]研究发现烧毛、轧光等后整理会使PPS滤料透气性降低，但对滤料强力的影响有限；Han[6]探究发现涂层、覆膜等后整理会使滤料的透气性和孔径均有所下降，其中PTFE涂层后滤料的断裂强力提高，但覆膜后滤料的力学性能变化不大；Yu[7]对PPS滤料进行后处理后发现，滤料厚度减小、质量增加且表面结构变得更致密；关欣等[8]采用聚四氟乙烯乳液对聚酰亚胺纤维(P84)/超细玻璃纤维复合针刺滤料进行了表面改性，滤料力学性能提高。

本文将研究8种滤料经聚四氟乙烯覆膜前后的面密度、厚度及透气性的变化，对比硫酸水溶液(pH值=5)、氢氧化钠水溶液(pH值=9)和去离子水处理后滤料断裂强力的变化，研究滤料覆膜前后的耐酸碱腐蚀性能的优劣。

1 试验部分

1.1 材料

8种滤料分别为玻璃纤维滤料(为便于区别，覆膜前称为玻璃纤维针刺滤料、覆膜后称为玻璃纤维覆膜滤料)，玄武岩纤维滤料(覆膜前称为玄武岩纤维针刺滤料、覆膜后称为玄武岩纤维覆膜滤料)，氟美斯(即玻璃纤维/P84纤维)滤料(覆膜前称为氟美斯针刺滤料、覆膜后称为氟美斯覆膜滤料)，玄武岩纤维与氟美斯(质量比5∶5)复合滤料(覆膜前称为玄武岩纤维与氟美斯复合针刺滤料、覆膜后称为玄武岩纤维与氟美斯复合覆膜滤料)，聚苯硫醚(PPS)纤维滤料(覆膜前称为PPS纤维针刺滤料、覆膜后称为PPS纤维覆膜滤料)，亚克力(即丙烯腈系纤维)滤料(覆膜前称为亚克力针刺滤料、覆膜后称为亚克力覆膜滤料)，美塔斯(即芳纶纤维)滤料(覆膜前称为美塔斯针刺滤料、覆膜后称为美塔斯覆膜滤料)，涤纶滤料(覆膜前称为涤纶针刺滤料、覆膜后称为涤纶覆膜滤料)，皆由河北锋淼环保设备有限公司提供。

1.2 仪器

AGS-X 100KN型精密电子万能试验机(岛津公司)、YG(B)461E型全自动织物透气性能测试仪(温州市大荣纺织仪器有限公司)、YG(B)141D型数字式织物厚度仪(温州市大荣纺织仪器有限公司)、GZX-9146 MBE型电热鼓风干燥箱(上海博迅实业有限公司)、FA2004型分析天平(上海衡平仪器仪表厂)、ZB01B型圆盘取样器(南通宏大实验仪器有限公司)。

1.3 测试

1.3.1 面密度

参考GB/T 24218.1—2009《纺织品 非织造布试验方法 第1部分：单位面积质量的测定》和GB/T 4669—2008《纺织品 机织物 单位长度质量和单位面积质量的测定》进行面密度的测试。取面积均为100 cm2的圆形试样5块，使用分析天平称取质量，结果取平均值。

1.3.2 厚度

根据GB/T 24218.2—2009《纺织品 非织造布试验方法 第2部分：厚度的测定》进行厚度的测试。设定施加的压力为100 cN，压脚面积为2 000 mm2。每块试样分别测试10个不同位置，结果取平均值，精度精确至0.01 mm。

1.3.3 透气率

根据GB/T 24218.15—2018《纺织品 非织造布试验方法 第15部分：透气性的测定》进行透气率的测试。设定预调温度为(20±2) ℃，预调湿度为(65±2)%，压差为200 Pa，试验圆台面积为20 cm2。每种试样测量5次，结果取平均值。

1.3.4 耐化学腐蚀性能

参照GB/T 24218.3—2010《纺织品 非织造布试验方法 第3部分：断裂强力和断裂伸长率的测定》，先将每种试样分别放入等体积的硫酸水溶液(pH值=5)、氢氧化钠水溶液(pH=9)和去离子水中，处理24 h后取出洗净，直接放入烘箱内，以2 ℃/min的速率升温至200 ℃，保温40 min后取出，放入恒温恒湿室内调湿24 h；再设置试样的夹持距离为20 cm，拉伸速度为100 mm/min，进行断裂强力和断裂伸长率的测定。

2 结果与讨论

2.1 面密度、厚度及透气率

8种滤料覆膜前后的面密度、厚度及透气率归纳于表1中。

表1 滤料基本特征参数

从表1可以看出：

(1)8种滤料覆膜后的面密度值略有上下浮动，增幅在-8.8%～8.0%之间，说明聚四氟乙烯覆膜对滤料面密度的影响较小。

(2)8种滤料覆膜后的厚度稍有变化，增量在-0.21～0.84 mm，总体来说使用聚四氟乙烯覆膜厚度变化不大。

(3)8种滤料覆膜后的透气率较覆膜前均减小。覆膜滤料的透气率主要由膜的孔径和覆膜工艺决定。膜的孔径越小，则滤料的透气率越小，滤料对细微粉尘的阻挡和拦截等效果越好。

2.2 耐化学腐蚀性能

2.2.1 玻璃纤维滤料

覆膜前后的玻璃纤维滤料的拉伸曲线如图1所示。1#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为892 N，经去离子水处理后断裂强力为940 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为840 N；2#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为1 377 N，经去离子水处理后断裂强力为1 417 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为1 405 N。可见：玻璃纤维覆膜滤料的断裂强力较未覆膜的玻璃纤维针刺滤料有所提高，且玻璃纤维覆膜滤料的耐酸碱性能较玻璃纤维针刺滤料都有所加强；覆膜前后的玻璃纤维滤料断裂伸长率都在12%以内，说明覆膜前后的玻璃纤维滤料的尺寸稳定性都较好，都属易断裂型滤料[9]。

图1 覆膜前后的玻璃纤维滤料的拉伸曲线

2.2.2 玄武岩纤维滤料

覆膜前后的玄武岩纤维滤料的拉伸曲线如图2所示。

图2 覆膜前后的玄武岩纤维滤料的拉伸曲线

3#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为1 454 N，经去离子水处理后断裂强力为1 558 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为1 233 N；4#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为1 971 N，经去离子水处理后断裂强力为1 406 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为1 540 N。可见：经酸碱处理后，玄武岩纤维覆膜滤料的断裂强力较未覆膜的玄武岩纤维针刺滤料有所提高，说明覆膜后滤料的耐酸碱性能有所加强；3#和4#滤料经酸处理后的断裂强力值大于经碱处理后的断裂强力值，这是因为玄武岩纤维经酸性溶液处理后，Si元素含量仅小幅下降，但经碱性溶液处理后，玄武岩纤维网络骨架中的Si—O—Si与OH-发生取代反应，Si元素被溶解，骨架间的其他成分与结构发生破坏，进而导致纤维网络骨架的破坏与断裂[10-11]。

2.2.3 氟美斯滤料

覆膜前后的氟美斯滤料的拉伸曲线如图3所示。5#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为1 386 N，经去离子水处理后断裂强力为1 438 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为1 269 N；6#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为1 230 N，经去离子水处理后断裂强力为1 112 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为1 124 N。可见：氟美斯覆膜滤料的断裂强力比未覆膜的氟美斯针刺滤料低，说明覆膜后氟美斯滤料耐酸碱腐蚀性能有所降低；经碱处理后的氟美斯滤料的断裂强力值比经酸处理后的断裂强力值小，这与氟美斯滤料主要由玻璃纤维和P84纤维制成有关，玻璃纤维的主要成分是二氧化硅和氧化铝等，其中的二氧化硅与氢氧化钠溶液会发生反应生成Na2SiO3，导致玻璃纤维结构被破坏，故氟美斯滤料断裂强力损失较大。

图3 覆膜前后的氟美斯滤料的拉伸曲线

2.2.4 玄武岩纤维与氟美斯复合滤料

覆膜前后的玄武岩纤维与氟美斯复合滤料的拉伸曲线如图4所示。7#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为644 N，经去离子水处理后断裂强力为651 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为804 N；8#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为1 138 N，经去离子水处理后断裂强力为1 016 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为1 037 N。可见：玄武岩纤维与氟美斯复合覆膜滤料的断裂强力较未覆膜的玄武岩与氟美斯复合针刺滤料有明显提高，且覆膜后的耐酸碱腐蚀性能都有所加强；7#和8#滤料断裂强力较玄武岩纤维滤料、氟美斯滤料都要低，这主要与玄武岩纤维和氟美斯复合后的滤料结构较松散，内应力降低有关；8#滤料的断裂伸长率较7#滤料有所提高，说明覆膜后的玄武岩纤维与氟美斯复合滤料克服了玄武岩纤维滤料和氟美斯滤料的脆性，柔韧性有所提高。

图4 覆膜前后的玄武岩纤维与氟美斯复合滤料的拉伸曲线

2.2.5 PPS滤料

覆膜前后的PPS滤料的拉伸曲线如图5所示。9#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为838 N，经去离子水处理后断裂强力为823 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为865 N；10#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为827 N，经去离子水处理后断裂强力为824 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为851 N。可见：PPS覆膜滤料与未覆膜的PPS针刺滤料受硫酸溶液和氢氧化钠溶液的影响较小，且断裂伸长率都较大。

图5 覆膜前后的PPS滤料的拉伸曲线

2.2.6 亚克力滤料

覆膜前后的亚克力滤料的拉伸曲线如图6所示。11#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为568 N，经去离子水处理后断裂强力为526 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为522 N；12#滤料经pH=5的酸处理后断裂强力为441 N，经去离子水处理后断裂强力为435 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为403 N。可见：11#滤料的断裂强力高于12#滤料，说明经聚四氟乙烯覆膜后，亚克力滤料的耐酸碱腐蚀性能有所下降；亚克力滤料经酸处理后的断裂强力值大于经碱处理后的断裂强力值，主要是因为亚克力分子上的—CN经碱处理后转化为羧基或羧酸盐，具有了水溶性，故纤维遭到破坏，强力下降。

图6 覆膜前后的亚克力滤料的拉伸曲线

2.2.7 美塔斯滤料

覆膜前后的美塔斯滤料的拉伸曲线如图7所示。

图7 覆膜前后的美塔斯滤料的拉伸曲线

图7中：13#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为627 N，经去离子水处理后断裂强力为557 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为496 N；14#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为900 N，经去离子水处理后断裂强力为865 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为815 N。可见：14#滤料的断裂强力明显高于13#滤料，说明经聚四氟乙烯覆膜后，滤料的断裂强力提高，耐酸碱腐蚀性能加强；美塔斯滤料对于酸及大部分有机物具有较好的耐腐蚀性能，适用于高温烟道中，耐含硫氧化物；13#滤料的断裂伸长率高于14#滤料，即未覆膜的美塔斯滤料柔韧性较好。

2.2.8 涤纶滤料

覆膜前后的涤纶滤料的拉伸曲线如图8所示。15#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为1 240 N，经去离子水处理后断裂强力为1 315 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为1 113 N；16#滤料经pH值=5的酸处理后断裂强力为1 708 N，经去离子水处理后断裂强力为1 533 N，经pH值=9的碱处理后断裂强力为1 444 N。可见：16#滤料的强力明显高于15#滤料，说明经聚四氟乙烯覆膜后，滤料强力提高，耐酸碱腐蚀性能加强；去离子水处理后的15#滤料的拉伸曲线出现两个峰，且第二个峰的峰值明显比第一个峰的峰值大，原因与拉伸过程中滤料达到第一个峰值后会继续向中间收缩，滤料取向度提高，故峰值进一步变大。

图8 覆膜前后的涤纶滤料的拉伸曲线

3 结论

(1)经聚四氟乙烯覆膜后，8种滤料的面密度变化幅度在-8.8%～8.0%之间，厚度变化值在-0.21～0.84 mm，覆膜工艺对滤料面密度和厚度的影响不大。

(2)8种滤料覆膜后，滤料透气率减小，这有利于提高滤料对细微粉尘的过滤拦截效果。

(3)实际工况中，大量的有害气体会腐蚀滤料，进而直接影响滤料的使用寿命。覆膜后，如玻璃纤维覆膜滤料、玄武岩纤维覆膜滤料、玄武岩纤维与氟美斯复合覆膜滤料、美塔斯覆膜滤料、涤纶覆膜滤料的耐酸碱性能均优于其未覆膜滤料，但氟美斯覆膜滤料和亚克力覆膜滤料则表现出与它们相反的耐酸碱性能。PPS纤维滤料覆膜前后耐酸碱性能变化不大。此外，在覆膜滤料中，玻璃纤维覆膜滤料和PPS纤维覆膜滤料的耐酸性劣于耐碱性，其他覆膜滤料的耐酸性均优于耐碱性；在未覆膜滤料中，玄武岩纤维与氟美斯复合针刺滤料、PPS纤维针刺滤料耐酸性劣于耐碱性，其他未覆膜滤料的耐酸性均优于耐碱性。