烟气净化用滤料表面改性及其性能

刘娜 陈香云 张永锋 吕文静 焦志颖

摘 要：为改善过滤材料的使用性能，满足焦化厂除尘工况的使用要求，选用聚四氟乙烯乳液对玄武岩针刺滤料（X）、氟美斯针刺滤料（F）、玄武岩与氟美斯复合针刺滤料（XF）进行表面改性，并根据相关标准对滤料改性前后的热学性能、耐氧化性能、抗静电性能进行了测試。结果表明：3种滤料表面改性前后均为放热反应，表面改性前后热分解外推起始温度均在350℃左右，焦炉烟气平均温度在230℃，均高于使用温度，符合使用要求;经氧化剂处理，3种滤料表面改性后断裂强力损失率均值较小，说明抗氧化性能改善;表面改性前X滤料的感应静电等级为A级、F滤料的感应静电等级为A级、XF滤料的感应静电等级为C级，表面改性后X滤料、F滤料、XF滤料的感应静电等级均为B级。

关键词：针刺滤料;表面改性滤料;表面改性;热学性能;耐氧化性能;抗静电性能

中图分类号：TS176

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2022）01-0162-07

Abstract： In order to enhance the properties of filter material and meet the requirements of dust removal in coking plant， this study uses PTFE emulsion to modify the surface of basalt needle-punched filter material （X）， the FMS needle-punched filter material （F）， the basalt and FMS needle-punched filter material （XF）. According to relevant standards， thermal properties， oxidation resistance and antistatic properties of the filter material before and after the modification are tested. The results show that three kinds of filter materials are all exothermic reactions before and after surface modification. The extrapolated initial temperatures of thermal decomposition before and after surface modification are about 350℃， the average temperature of coke oven flue gas is 230℃， all higher than the operating temperature， which meets the requirements for use. After oxidant treatment， the average loss rate of breaking strength of three filter materials is small after surface modification， indicating that the oxidation resistance has been improved. Before surface modification， the induction electrostatic level is A for X filter material， A for F filter material， C for XF filter material， and B for X filter material， F filter material， and XF filter material after surface modification.

Key words： needle-punched filter material; surface modified filter material; surface modification; thermal properties; oxidation resistance; antistatic properties

随着工业的日益进步，为控制工业烟气细颗粒物，实现超低排放，布袋除尘器在钢铁行业、水泥行业、垃圾焚烧等工业领域的使用占比为90%及以上，应用极为广泛[1-2]。作为工业除尘器的核心材料，滤料对打赢污染防治攻坚战发挥着举足轻重的作用。目前，关于滤料的研究主要围绕滤料材质、织物结构、表面处理技术3个方面。根据使用环境的温度可选择不同材质的单一滤料或者复合滤料。对于涤纶滤料、聚苯硫醚滤料、玄武岩滤料的性能研究较多[3-8]，对于氟美斯滤料[9]、玄武岩与氟美斯复合滤料的研究相对较少。滤料的结构可分为机织滤料和非织造滤料，由于针刺滤料呈立体结构，孔径小、阻力低，是发展最快、应用最广的滤料[10-11]。但是，实际工况环境苛刻复杂，大部分滤料在温度高、湿度高和腐蚀强的条件下不能保持其基本性能[12]，直接影响滤料的应用范围和使用寿命。因此，为满足不同使用环境对滤料提出的差别化与功能化的要求，从提高滤料捕集效率、增加强度、延长使用寿命、降低生产成本的角度出发，探索分析不同种类滤料的后整理工艺和性能差异[13-14]。后整理方式包括拉幅定型、烧毛、热熔延压、浸渍、涂层、覆膜，前3种方式可改善滤料的表面平整度，利于清灰，提高收尘率。后3者是现今应用较为广泛的后处理方式，采用浸润剂对滤料进行处理，或是在整理液中加入发泡剂形成一定质量的泡沫施加到滤料表面，亦或是通过在纤维的表面以及纤维与纤维之间形成不连续的薄膜，改善滤料毡体的结构[15-17]。采用不同后处理方式对滤料进行处理，可有效提高滤料的实际应用性能，满足使用需求。

本文运用聚四氟乙烯乳液改性玄武岩针刺滤料（X）、氟美斯针刺滤料（F）、玄武岩与氟美斯复合针刺滤料（XF），探究改性对不同种类滤料的热学性能、耐氧化性能和抗静电性能等方面的影响，实现滤料的合理开发和利用，促进绿色长久发展，对保护环境方面具有十分重要的实际应用意义。

1 实 验

1.1 材料与仪器设备

实验所需材料与仪器设备如表1、表2所示。

1.2 实验方法

1.2.1 试样准备

将滤布裁剪成 25cm×5cm 试样后，使用超声波清洗器对试样进行清洗，电功率为 300 W，频率 40 kHz，超声清洗时间为 10 min。

1.2.2 整理液制备

将硅烷偶联剂加入盛有 20 mL 去离子水的烧杯中，并取一定质量分数的 PTFE 乳液倒入烧杯，加入聚乙烯醇、聚乙二醇固体粉末（质量比为 12∶1∶1），去离子水配制整理液总体积为 200 mL，将盛有整理液的烧杯放置在磁力搅拌器中 1000r/min，搅拌 1h，温度 80℃。

1.2.3 表面改性整理

把准备好的滤布放入整理液中，将烧杯放入恒温水浴锅中，浸渍 3 h后取出并去除多余整理液，同时进行热压处理，温度 200℃，时间 10 s，压力 0.3～0.4MPa。

1.3 性能測试与表征

1.3.1 热学性能测试

使用 STA 449F5 热重分析仪进行 TG-DTG 测试。将滤料剪成粉末状，称取一定量的样品置于坩埚内。测试条件：从室温至 1400℃，在空气气氛下，气体流量 40 mL/min，升温速率 10℃/min。

1.3.2 耐氧化性能测试

根据滤料的基本性质，模拟工况温度，分别设置不同时间、采取氧化剂氧化的方法对滤料进行处理，以断裂强力损失率表示抗氧化性能的优劣。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（条样法）》，使用 YG（B）026SH 型电子织物强力机测试滤料的断裂强力。测试条件：样品的加持距离为 20cm，拉伸速度为 100mm/min，测试次数 3 次。

1.3.3 抗静电性能测试

参照 GB/T 12703-2008《纺织品 静电性能的评定 第1部分：静电压半衰期》，使用 YG（B）324E 型织物感应式静电测试仪进行静电压半衰期测试。将滤料裁剪为尺寸 45mm×45mm 的试样，其与针形电极的间距 20mm;测试探头与试样间的测量距离 15mm;电源电压 220 V/50Hz，转盘转速 1500 r/min，放电时间 30 s，温度 （20±2）℃，相对湿度 30%～40%，环境风速 0.1 m/s 以下。测量次数 3 次。

2 结果与讨论

2.1 改性前后针刺滤料的热学性能对比

2.1.1 X滤料

表面改性前和表面改性后X滤料的 TG-DTG 曲线，如图 1所示。从室温开始分别至 60、73℃，有一段微量的初失重，残余物率为 98.76%、99.30%，温度至 200℃ 几乎没有质量和能量的变化。试样在此期间的失重主要是由于吸附水分的释放、试样内残留溶剂的挥发。逐渐升温，外推起始温度分别为 364、356℃，残余物率 94.97%、95.84%，此时纤维的高分子链段开始出现断裂，随后失重速率加快，温度达到 423℃ 和 421℃ 出现 DTG 极小值点，达到最大失重速率并伴随明显的吸收峰。外延终止温度分别为 495、492℃，试样残余物率分别为 83.77%、86.27%。800℃ 试样残余物率分别为 83.07%、85.81%，1100℃试样残余物率分别为 83.42%、85.82%。

2.1.2 F滤料

表面改性前和表面改性后 F 滤料的 TG-DTG 曲线，如图 2所示。随着温度升高，试样的质量几乎保持不变，表面改性前和表面改性后试样在 200℃ 时残余物率分别为 99.69%、99.68%，这是由于样品中残留的一些水分会随着温度的升高慢慢蒸发，所以 TG 曲线的前段会出现缓慢下降的趋势，曲线斜率的大小与样品中残留水分的多少有关;随温度进一步升高，下降速率最快，最大失重速率温度分别为 419、421℃，此时试样残余物率分别为 94.16%、89.00%;随着温度的继续升高，分解过程持续一段时间，当升高到外延终止温度分别为 532、533℃，样品质量的下降速度变缓，逐渐趋近于水平，试样残余物率分别为 87.83%、78.95%。800℃试样残余物率分别为 87.20%、77.91%，1100℃试样残余物率分别为 86.91%、77.53%。

2.1.3 XF滤料

表面改性前和表面改性后 XF 滤料的 TG-DTG 曲线，如图 3所示。随温度升高，试样的质量几乎保持不变，表面改性前和表面改性后试样在 200℃ 时残余物率分别为 99.34%、99.38%，这是由于样品中残留的一些水分会随着温度的升高慢慢蒸发，所以 TG 曲线的前段会出现缓慢下降的趋势，曲线斜率的大小与样品中残留水分的多少有关;随温度进一步升高，下降速率最快，最大失重速率温度分别为 421、420℃，此时试样残余物率为 87.50%、88.51%。随着温度的继续升高，由图3（a）所示，表面改性前 XF 滤料在549、661℃，反应速率有变化。分解过程持续一段时间后，样品质量的下降速度变缓，逐渐趋近水平。800℃试样残余物率分别为 69.04%、77.17%，1100℃试样残余物率分别为 68.49%、76.71%。

在滤料的实际应用中，焦化烟气的平均温度在230℃，但由于实际工况存在温度波动的情况，会对滤料造成短时间的高温冲击，这就要求滤料具有更好的耐温稳定性，否则会直接影响滤料的使用寿命。3种滤料的 TG-DTG 特征参数如表 3 所示。表面改性前后X滤料的热分解外推起始温度分别为364、356℃;表面改性前后F滤料的外推起始温度分别为351、356℃;表面改性前后XF滤料的外推起始温度分别为355、351℃，热分解外推起始温度均高于使用温度，符合使用要求。表面改性前后X滤料最大失重速率温度分别为423、421℃。表面改性前后F滤料最大失重速率温度分别为419、421℃。表面改性前后XF滤料最大失重速率温度分别为421、420℃。总体来说，表面改性对3种滤料的特征参数影响不大，进一步说明表面改性前后滤料的热转变过程较为稳定。

2.2 改性前后针刺滤料的耐氧化性能对比

采用高锰酸钾（质量浓度 2 g/L）作为氧化剂对滤料进行氧化处理，分别处理 0、2、4h和6h，烘干测得断裂强力和断裂伸长率，如表 4 所示。表面改性前 X 滤料未经处理时的断裂强力 875.68 N，处理 2h 的强力损失率为 3.20%;处理 4h 的强力损失率为9.25%;处理 6h 的强力损失率为 14.38%。表面改性后 X 滤料未经处理时的断裂强力876.34 N，处理 2h 的强力损失率为 2.27%;处理 4h 的强力损失率为 8.11%;处理 6h 的强力损失率为 10.46%。表面改性前F滤料未经处理时的断裂强力 716.53N，处理 2h 的强力损失率为 8.95%;处理 4h 的强力损失率为 16.06%;处理 6h 的强力损失率为 24.88%。表面改性后F滤料未经处理时的断裂强力 822.81N，处理 2h 的强力损失率为 6.69%;处理4h 的强力损失率为 15.32%;处理 6h 的强力损失率为 22.91%。表面改性前 XF 滤料未经处理时的断裂强力 640.65N，处理 2h 的强力损失率为 29.56%;处理 4h 的强力损失率为 30.76%;处理 6h 的强力损失率为 31.19%。表面改性后 XF 濾料未经处理时的断裂强力791.20 N，处理 2h 的强力损失率为 26.73%;处理 4h 的强力损失率为 28.77%;处理 6h 的强力损失率为 30.81%。3种滤料表面改性后断裂强力损失率较小，说明耐氧化性能增强。主要因为一是经过热压后滤料的结构可能发生了变化，二是表面改性后纤维之间的粘连会导致未经氧化处理样品的强力本身增加。

2.3 改性前后针刺滤料的抗静电性能对比

3种滤料半衰期结果如表 5 所示。根据衰减周期时间评定静电等级，半衰期衰减时间小于等于 2.0 s为 A 级，小于等于 5.0 s为 B 级，小于等于 15.0 s为 C 级。表面改性前 X 滤料的衰减周期为 1.98 s，表面改性前 F 滤料的衰减周期为 1.68 s，两者感应静电等级为 A 级，表面改性后 X 滤料的衰减周期为 2.48 s、表面改性后 F 滤料的衰减周期为 3.48 s、表面改性后 XF 滤料的衰减周期为 4.05 s，

三者的感应静电等级为 B 级，表面改性前 XF 滤料的衰减周期为 14.47 s，感应静电等级为 C 级。对于 X 滤料和 F 滤料来说，表面改性前抗静电性能好，而表面改性后 XF 滤料的抗静电性能好，但不如 X 或者 F 单一滤料品种的抗静电性能。

3 结 论

选用 PTFE 乳液对 X 滤料、F 滤料、XF 滤料进行了表面改性处理并分别对滤料改性前后的热学性能、耐氧化性能、抗静电性能进行了测试，分析得到的主要结论如下：

a）3种滤料表面改性前后的热反应均为放热反应且热重分析谱图基本相似，保持相对平衡-质量下降-保持相对平衡，3种滤料表面改性前后热分解外推起始温度均在 350℃ 左右，高于焦炉烟气的平均温度，符合使用要求。

b）经氧化剂处理，表面改性前 X 滤料的强力损失率均值 8.94%，表面改性后 X 滤料的强力损失率均值 6.95%，表面改性前 F 滤料的强力损失率均值 16.63%，表面改性后 F 滤料的强力损失率均值 14.97%，表面改性前 XF 滤料的强力损失率均值 30.50%，表面改性后 XF 滤料的强力损失率均值 28.77%，3种滤料表面改性后断裂强力损失率均值较小，说明抗氧化性能有所改善。

c）对于抗静电性能来说，表面改性前 X 滤料，表面改性前 F 滤料的感应静电等级为 A 级，表面改性后 X 滤料、表面改性后 F 滤料、表面改性后 XF 滤料的感应静电等级为 B 级，表面改性前 XF 滤料的感应静电等级为 C 级。

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