高通透耐湿玻璃纤维空气滤纸的制备与性能研究

高 政，张 振，郭晓蓓，陈晓燕，费传军

（南京玻璃纤维研究设计院有限公司，南京 211112）

0 前言

玻璃纤维过滤纸是玻璃微纤维棉经湿法成型工艺制备而成的多孔结构滤材［1］，因其具有各向同性好、孔径分布均匀、耐热及纳污量大等特点被广泛应用于液体及其气体过滤分离领域［2-3］。随着玻纤滤纸应用领域的不断拓展，应用环境的复杂化对滤纸性能的要求也呈现多样化［4］。对于空气过滤纸而言，过滤气体含湿量高，容易造成过滤过程中过滤介质粘附在滤纸表面或内部，导致滤纸过滤阻力上升。同时长时间处于高湿度环境下，滤纸结构稳定性变差，降低滤纸使用寿命。因此，在空气含湿量较大的环境中通常要求玻璃纤维空气过滤纸有一定的防水性能。

空气过滤纸防水处理主流技术为浸渍处理及喷淋处理，同时增加滤纸的断裂强度及挺度，但是由于处理剂在玻璃纤维滤纸表面沉积聚集，部分孔隙堵塞，影响滤纸气体通透性，导致滤纸过滤阻力上升。超临界二氧化碳处理技术［5-7］是指二氧化碳在一定压力及温度下，状态介于液体与气体之间，既具有液体的稳定性，又具有气体的流动性，被广泛应用于萃取及表面处理领域［8］。

本研究即利用超临界二氧化碳技术对玻璃纤维空气过滤纸进行防水处理，使其具有良好防水性能的基础上，保持良好的通透性。

1 实验部分

1.1 主要原料

玻璃微纤维棉：安徽吉曜玻璃微纤有限公司；

防水剂：丙烯酸乳液，分析纯，南京丹沛化工有限公司；

氟硅烷防水剂：中昊晨光化工研究院有限公司。

1.2 仪器和设备

强度测试机：MFY-01，济南中诺仪器有限公司；

挺度测试仪：YT-TDY10000，杭州研特科技有限公司；

扫描电子显微镜：SU8000，日本日立公司；

接触角测试仪：SDC-200S，东莞市晟鼎精密仪器有限公司；

滤纸过滤分析仪：TSI-8130，美国TSI集团中国公司。

1.3 玻璃纤维滤纸基材制备

将玻璃微纤维棉按照一定比例在硫酸溶液中打浆分散均匀，经抄纸成型并在130 ℃下烘干1 min脱除水分后制备成为厚度为0.5 mm，单位面积质量为70 g/m2规格的玻璃纤维过滤纸基材。

1.4 超临界防水处理

将玻璃纤维滤纸基材进行超临界二氧化碳防水处理。超临界处理工艺：压力20 MPa；温度80 ℃；含氟硅烷防水剂浓度为3 mg/mL；二氧化碳流量为25 g/min，处理后真空干燥12 h。

1.5 性能表征

玻璃纤维滤纸的强力、挺度分别用强度测试机及挺度测试仪测试；将处理好的玻璃纤维滤纸喷上铂金后，用扫描电子显微镜观察滤纸表面形貌；防水性能用接触角测试仪测定；滤纸过滤性能用滤纸过滤分析仪测试。

2 结果与讨论

2.1 滤纸表面形貌及元素分析

玻璃纤维过滤纸基材为玻璃微纤维棉，纤维打浆后湿法成型，玻璃纤维在水流作用下随机排布，形成具有微米级孔径的多孔过滤材料。利用扫描电子显微镜观察滤纸基材及防水处理后纤维表面形貌变化及处理剂对玻璃微纤维棉的包覆情况（图1），同时利用能谱仪测试处理后滤纸元素种类及质量分数进一步表征防水处理剂对滤纸包覆性。

图1 处理前后滤纸SEM图

由电镜图可以看出，超临界防水处理前玻纤表面光滑，纤维呈交错排布形成多层叠加空隙，经超临界处理后纤维表面及纤维连接处有表面处理剂，处理剂对玻纤包面包覆较为均匀，同时由于二氧化碳在超临界状态下二氧化碳及处理剂保持良好的流动性，处理后滤纸空隙处残留处理剂量很小，没有造成空隙堵塞现象，滤纸过滤通道畅通性保持良好。

玻璃纤维过滤纸的原料为玻璃微纤维棉，主要元素含量为Si 、O、C、Al、Ca等，基本不含有F（图2），能谱测试结果表明，超临界处理后的玻纤滤料表面含有大量的F元素，质量分数为59% ，即经处理，防水处理剂对玻纤滤纸表面形成良好的包覆。

图2 处理后玻纤滤纸能谱测试元素含量谱图

2.2 物理性能测试

如表1所示，玻璃纤维过滤纸的物理性能测试结果表明，超临界处理后，滤纸的强度及挺度有所提升，这是由于处理剂增加了玻璃纤维之间的粘结性，提升了杂乱排列玻璃微纤之间的抱合性。超临界处理状态下，处理剂较好的流动性，使处理剂均匀分散在玻纤表面，滤纸厚度无明显变化。

表1 滤纸物理性能测试表

2.3 孔径及过滤性能测试

滤纸纤维形成空隙的平均孔径是影响滤纸过滤性能的重要因素，直接影响滤纸的过滤效率及过滤阻力。

图3为孔径测试结果，玻璃纤维滤纸孔径较为集中分布在2~6μm之间，同时由于玻璃纤维直径分布较大，同时存在1~2μm小孔径，可以实现超细粒子的有效拦截，同时7μm以上的大孔径是滤纸具有较高的透气性，利于滤纸的低阻运行。由图3b 可以看出滤纸经超临界防水处理，对滤纸平均孔径影响较小。

图3 超临界处理前后滤纸孔径分布图

2.4 过滤性能测试

玻璃纤维滤纸的过滤性能采用TSI-8130过滤性能测试仪进行测试，测试用气凝胶粒径为0.3μm，过滤风速为5.3 cm/s。

表2为过滤性能测试结果，经防水处理后玻纤滤纸过滤效率得到提升，达到99.4%，过滤阻力稍有上升，与常规浸渍处理方式相比，采用超临界工艺处理，相同过滤效率的滤纸过滤阻力低10.9%。

表2 不同防水处理技术滤纸过滤性能对比表

2.5 防水性能测试

滤纸的防水性能用接触角测试仪测试，测试溶液为蒸馏水。未作防水处理的玻璃纤维滤纸在接触角测试过程中，当水滴接触滤纸表面后，水滴迅速渗透，接触角为21.3°，经超临界防水处理后，玻璃纤维滤纸防水性能明显提升，接触角达到161.4°，达到超疏水效果（图4）。

图4 处理后玻璃纤维滤纸接触角测试图片

3 结论

玻璃纤维滤纸基材经超临界防水处理后，处理剂对玻璃纤维形成良好包覆，增强纤维之间粘连，增加了滤纸的强度和挺度，处理前后玻璃纤维排列形成的平均孔径没有明显变化。防水处理后滤纸过滤阻力没有明显增加，滤纸过滤效率达到99.4%。防水处理剂在玻璃纤维表面包覆降低了滤纸表面张力，提升了滤纸防水性能，水接触角达到161.4°，达到超疏水效果。