布袋有机/无机/复合滤料的研究进展

陈琪，马文鑫，翟美丹，米俊锋

布袋有机/无机/复合滤料的研究进展

陈琪1，马文鑫1，翟美丹2，米俊锋2

（1. 中国昆仑工程有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110000； 2. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

介绍了粉尘污染问题及布袋除尘技术近况，综述了滤料的分类、特性及其研究现状，对无机滤料、有机滤料及其复合滤料在过滤中的应用和面临问题进行了总结分析，最后展望了滤袋材料的应用前景。

袋除尘；滤料；聚四氟乙烯；玄武岩纤维；复合材料

现如今，燃煤电厂、工业锅炉等造成的粉尘污染问题越来越严重[1-2]。针对粉尘污染排放控制，当前布袋除尘技术其过滤效率在99%以上，捕集效率高，无二次污染[3]，不受粉尘质量浓度、颗粒大小、环境湿度等限制，且耐高温、耐酸碱腐蚀，具有较长的使用寿命，对细颗粒物仍能保持较高效率，成为粉尘超低排放污染控制的主流技术之一。

袋式除尘对滤袋提出了更高的要求，一般主要体现在过滤效率、阻力及精度等性能上。滤料的过滤效果、运行阻力、使用寿命、清灰性能等决定了袋除尘器的使用效果、使用成本。滤料应选择较大孔隙率，且滤料应具有较大比表面积，增加过滤效果。《袋式除尘技术要求》（GB/T6719―2009）指出，现如今对滤料的要求难以保障环境要求，亟待对各个滤袋滤料参数进行研究修订，以加强行业的发展与进步。如今国内外研究人员研究和开发出不同类型的滤料，因此，本文中将综述无机滤料、有机滤料及其复合滤料的研究进展。

1 有机滤料

1.1 聚苯硫醚纤维

聚苯硫醚纤维（PPS），分子链主要由硫和苯环交替连接，是一种线性的高分子聚合物。因其良好的耐水解性、耐高温、机械性能且价格低廉而被广泛应用于除尘行业[4-5]。但PPS纤维的最大缺点是耐氧化性差，在高温的影响下会发生热收缩、硬化和老化的问题，进而对滤袋的性能造成影响。因此，探索PPS纤维更多的可能性成为各个研究人员研究的热点。

袋式除尘的气体阻力分别由净滤料、滤袋表面工艺粉尘层以及除尘器结构的整体气体阻力组成，即：

Δ= Δ1+ Δ2+ Δ3。 （1）

滤料的孔隙率计算公式[6]：

Δ=(1-/1 000)×100%。 （2）

式中：Δ—孔隙率；

—单位面积质量，g·cm-2；

—滤料的厚度，mm；

—所用纤维的真密度，g·cm-3。

品质因子综合了滤料的过滤效率和过滤阻力，判断滤料综合过滤性能计算公式[7]：

= -ln(1-)/Δ。 （3）

式中：—品质因子，Pa-1；

—过滤效率，%；

Δ—过滤阻力。

在一定范围内，滤料的品质因子及其孔隙率越高，滤料的整体过滤性能就越好。其中PPS纤维具有良好的过滤性能、尺寸稳定性，主要就是因为其纤维分子结晶度高。随着研究的进步发展，PPS纤维有了进一步的进展：超细PPS纤维的发现与应用改变了纤维的结构，提高了过滤精度，降低了纤维透气性。

1.2 聚四氟乙烯纤维

聚四氟乙烯纤维（PTFE）[8]的结构中包含高键能C—F，除此之外，C—C键紧密围绕在F原子的附近，这种结构形式紧密相连进而使PTFE具有一定的高化学惰性、低表面能等性能[9]，以及化学稳定性、热稳定性、力学稳定性以及良好的绝缘和耐腐蚀性等[10-11]。袋式除尘器存在易黏袋、易磨损、寿命短等缺陷，故采用PTFE微孔膜过滤材料，以期获得较好滤袋材料提高粉尘过滤精度及清灰性能，其机理见图1[12]。

CHEN[13]等在实验中通过等离子体技术处理改善PTFE的表面附着力。研究结果表明，经过等离子体处理后，PTFE纤维膜的表面活性和粗糙度都有明显增加。放电电压的大小影响膜的结合强度，当电压为220 V时，等离子体处理3 min后，PTFE膜的结合强度高达86.2 N，增加了膜的稳定性。

在发展过程中，研究人员发现PTFE的耐磨性、导热性以及物质相容性较低，这限制了PTFE的进一步发展[14]。因此，HUANG[15]等通过研究不同温度下PTFE的磨损程度和机理分析，发现温度是影响PTFE的主要因素，通过填充方式对其进行改良，在不使PTFE本质改变的情况下，增加PTFE的耐磨性及其使用寿命。YANG[16]等在使用填充方法增强PTFE耐磨性的研究中发现，当20%质量分数的聚醚醚酮（PEEK）作为填充料加入PTFE中，PTFE的耐磨性大大增加，提高了600倍以上，5%的PEEK使PTFE的摩擦系数降到最低。PPS、PTFE纤维的主要性能指标如表1所示。

综上可知，PPS、PTFE都具有化学稳定性、力学稳定性、良好的绝缘以及耐腐蚀性等优良性能，但PPS纤维孔径小，孔隙率高，粉尘不易切入，耐氧化性稍差，当粉尘烟气中含氧量大于15%时，PPS纤维将不再适宜；而PTFE也存在耐磨性较低、成本高等问题。采用不同的方法制备PPS、PTFE纤维材料，研究相应的复合材料，发挥其优势规避其缺点将是未来国内外研究人员亟需解决的难题。

表1 PPS、PTFE纤维的主要性能指标[17]

2 无机滤料

2.1 玻璃纤维

玻璃纤维（GF），表面光滑，过滤阻力小，有利于粉尘剥离[18]。LI[19]等研究了玻璃纤维滤料，由于GF耐磨性和耐折性差，而且极易受水气影响。研究了新型的氟功能化玻璃纤维（F-GF）的力学性能、介电性能、吸湿性和热膨胀系数。F-GF的制备方法包括: g-甲基丙烯氧基丙基三甲氧基硅烷（g-MPS）与GF表面的羟基反应生成稳定的硅烷层；2,2,2-甲基丙烯酸三氟乙酯（TFEMA）层通过自由基聚合与不饱和g-MPS层的氟功能化。结果表明，新型F-GF纤维改变了界面结构，增加了抗拉强度（达到38.53 MPa）、提升延伸率至226.82%。因此，玻璃纤维表面氟化方法在玻璃纤维滤料中具有良好的应用前景。

2.2 玄武岩纤维

玄武岩纤维（BF）被列在“863计划”和“十三五”规划中重点发展的21世纪的一种新型绿色、无机、高性能纤维。无论是从它的自身优势还是国家扶持力度上，它都具有巨大的发展潜力。BF的结构主要呈现圆柱形、多孔性，使其具有孔隙率高、密度低、比表面积大等特点。除此之外，BF的优异特性使其具有高效的过滤性能。在工作过程中，BF的表面可以使过滤物快速通过，内部的颗粒会依附在纤维的表面，进一步增大比表面积，同时提高了设备及其滤料的过滤性能[20]。相对于GF，研发的新型BF具有更好的耐高温、耐水解、耐酸性腐蚀等特点。玄武岩纤维高温滤料具有高抗拉强度的特点，工作温度可达300 ℃，能满足条件相对苛刻的除尘环境。BF材料因其具有耐高温、耐氧化性且尺寸稳定、除尘效率高、使用寿命长等优点，而被广泛使用。

彭毅[21]等在实验中对BF的过滤性能及表面形态进行了研究总结，结果表明，在实验运行当中，阻力会受纤维滤料表面的粉尘聚集影响，聚集越快阻力越大，但最终BF的过滤效果仍然优良。此外，BF属于百分之百惰性的，没有空气或水的毒性反应，不可燃、防爆的。由于BF伸长率较低、断裂伸长率较高，成为了现如今强化材料的不二选 择[22]。BF及其复合材料在环境、工业等领域广泛应用的同时，其标准日渐严格，但对于目前的环境要求还较难达到，更多领域用BF及其复合材料的标准需要修订改进。GF、BF纤维的主要性能指标如表2所示，主要纤维过滤材料的性能对比见表3。

表2 GF、BF纤维的主要性能指标

表3 主要纤维过滤材料的性能对比表

单独的滤料对袋除尘及其性能都有一定作用效果，然而其属性良莠不齐，性价比低。因此，如何制备性价比高、绿色无二次污染、周期长、获得较高除尘效果的滤料成为未来研究的重点。

3 复合滤料

现阶段，随着滤料技术在不断发展进步，国内外研究了有机、无机滤料，逐渐形成了很多有效的复合滤料，为袋式除尘器的发展奠定了基础。

PATARE[23]等发现PTFE应用时极易磨损，而导致使用周期短，严重制约其在工业除尘领域的广泛应用。通过向PTFE填充MoS2，并研究MoS2-PTFE复合滤料的摩擦磨损性能，结果表明，填充MoS2后可以减少其磨损，降低复合材料磨损率，提升滤料的使用寿命。TRABELSI[24]也得出了相同结论。

XIE[25]等对PTFE复合材料进行了深入研究，发现通过填充不规则或球形Cu粉可以改变复合材料的摩擦系数，其中不规则Cu粉的PTFE复合材料会使其摩擦系数高于纯PTFE，而另一种低于纯PTFE，但PTFE复合材料都能有效降低滤膜磨损率，改善PTFE的性能。

SHI[26]等制备了SiO2纳米球SNS/PTFE纳米复合材料并研究了其摩擦性能。结果表明，与原始的PTFE相比，SNS/PTFE纳米复合材料摩擦系数和体积磨损率均显著降低，透气性良好，为制备具有优异力学、热学和摩擦学性能的复合材料奠定了基础。

漆东岳[27]等研究了复合滤料PAN预氧化纤 维/芳纶复合滤料外观形态、透气性、拉伸性能、孔径和过滤性能对其的影响。结果表明，复合滤料纤维断裂强力增强，透气性和孔径均降低，孔径分布窄而集中，对微粒过滤效果显著提高，其中对0.3 μm和0.5 μm微粒过滤效率分别提升了33.07％和16.46％，对2.5 μm微粒过滤效率高达98.66％。

WANG[28]等研究了由BF和PPS组成高温过滤复合材料。研究表明，在袋式除尘的应用中，相较于传统的材料，该新型过滤材料有优异的耐高温性、透气性以及耐酸腐蚀特点。在袋除尘技术上有良好的推进作用，降低成本的同时提高了烟尘的捕集率。

VICTOR[29]等提出了一种纤维基化复合材料制备的新方法，即在聚合物基体上原位生成纤维网，并同时对异种填充纤维进行定向。这种混杂复合材料可以由3种或3种以上的成分组成，包括填充纤维和非定向聚合物基体。这种可能性通过使用线性低密度聚乙烯和玄武岩纤维（LLDPE/BFs）系统得到了证明。研究表明，在相互作用过程中，部分增强纤维直接从聚合物基体中形成的新型纤维填充成复合材料，这些纤维通常具有弱附着力和高渗透力作用的特点，强化纤维、聚合物特性。

4 展 望

研究发现采用PTFE覆膜或用无机纤维、金属粉末填充制作新型复合滤料，将改善滤料成本高、周期短、抗拉强度低等问题。只有改善了滤料的缺陷，才更容易形成良好的复合滤膜，只有这样才能使袋除尘的除尘效率有极大的改善。故如果要制备高效的复合滤膜，获得高净化效果，必须要从滤料的材料本身性质着手，研究无机滤料、有机滤料、金属滤料等材料之间的耦合性，及其在袋除尘设备中随电压、电流机理变化的同时，滤袋透过性及其损失率、脱除效率等这3个因素的变化规律。除此之外，还有研究复合滤料的合成技术手段，填充纤维和非定向聚合物基体，也是突破的一个方向，且工艺条件还需要进一步提升，以期待获得更高效、绿色、环保的复合材料，从而弥补有机滤料、无机滤料在袋除尘应用上的不足。

［1］余韶阳，李碧波，王靖，等.熔体微分电纺制备超支化PPS超细纤维[J].工程塑料应用，2020，48（12）：1-5.

［2］PYO J, OCK Y, JEONG D.Development of filter-free particle filtration unit utilizing condensational growth: with special emphasis on high-concentration of ultrafine particles[J]., 2017,112:200-208.

［3］张行.绿色矿山的概念内涵及其系统构成分析[J].世界有色金属，2018（11）：21-23．

［4］ZHANG M, WANG X, LI C,et al.Effects of hydrogen bonding between MWCNT and PPS on the properties of PPS /MWCNT composites[J].,2016,6(95):92378-92386．

［5］DOU W, ZHANG R Q, WU Y. Chemical resistance of polyphenylene sulfide needle[J].,2016,68(75):648-651.

［6］邓洪，于宾.改良型PPS除尘过滤材料的制备与性能研究[J].研究开发，2017（8）：11-14.

［7］关欣，高晶，劳继红.基于PTFE乳液改性的P84/超细玻璃纤维复合针刺滤料的性能研究[J].产业用纺织品，2020，38（8）：40-45.

［8］SUJAN K G,GERMA N P,JOSUE A G,et al.Tribological properties of PDA+PTFE coating in oil-lubricated condition[J].,2020,534:147627.

［9］车振宁，刘国昌，郭春刚，等.PTFE中空纤维微孔膜制备工艺及应用研究进展[J].工程塑料应用，2020，48（7）：138-141.

［10］周群，花卫俊.常温空气滤料生产工艺的研究进展[J].辽宁化工，2021，50（2）：189-196.

［11］WILASRUSMEE C,PHROMSOPHA N,LERTSITICHAI P,et al.A new vascular anastomosis model:Relation between outcome and experience[J].,2007,33(2):208-213.

［12］陈宜华，王峰，陈颂，等. PTFE微孔膜滤料及其除尘器在选矿除尘系统中的应用[J].现代矿业，2019（7）：244-251.

［13］CHEN J R,ZHANG H F,LIU G C,et al.Study on surface adhesion of Plasma modified Polytetrafluoroethylene hollow fiber membrane[J].,2018,108(2):1-7.

［14］KESHAVANARAYANA G,DIVAKAR C,VENKATESH K,et al. Tribological studies on effect of mixture of fillers in polystyrene matrix composites[J]., 2014,27(9):1192-1208.

［15］HUANG R X,MA S Q,ZHANG M D,et al.Wear evolution of the glass fiber-reinforced PTFE, under dry sliding and elevated temperature[J].,2019,12(7):1082.

［16］YANG D Y,WANG Y,GONG J.Tribological performance of PEEK reinforced PTFE composites under dry sliding conditio[J].,2013,2586:996-1000.

［17］彭孟娜，马建伟.有机耐高温纤维及其在过滤材料中的应用[J]. 产业用纺织品，2017，35（10）：27-31.

［18］邓辉，梁振江，张杰，等.耐高温无机纤维过滤材料的应用和发展[J]. 轻纺工业与技术，2017，46（6）：13-15.

［19］LI Z H,LIU J S,YUAN Y,et al. Effects of surface fluoride- functionalizing of glass fiber on the properties of PTFE/glass fiber microwave composites[J].,2017,37:22810-22817．

［20］WEI B,CAO H L,SONG S H.Tensile behavior contrast of basalt and glass fibers after chemical treatment[J].,2010, 31(9):4244-4250．

［21］彭毅，王浩明.玄武岩纤维滤料过滤性能研究及应用[J].中国水泥，2017（2）：89-90．

［22］孙涵，钟智丽，薛兆磊，等.玄武岩纤维的发展及应用[J].纺织科学与工程学报，2018，35（4）：158-162.

［23］PATARE P M,LATHKAR G S.Dry sliding wear performance optimization of MoS2filled PTFE composites using Taguchi approach[C]. International Conference on Advanced Technologies for Societal Applications, 2016．

［24］TRABELSI M,KHARHARRAT M,DAMMAK M, et al. On the friction and wear behaviors of PTFE based composites filled with MoS2and /or bronze particles[J].,2016,69(5):1119-1128.

［25］XIE T,XU Z X,YAN Z M,et al.Study on the friction and wear behaviors of Cu/PTFE self-lubricating composites[J].,2011,130:1466-1469．

［26］SHI G,WANG Q,SUN T,et al.In situ filling of SiO2nanospheres into PTFE by sol-gel as a highly wear-resistant nanocomposite[J].,2020,137(37):1-11．

［27］漆东岳，于宾，赵晓明.浸渍整理对PAN预氧化纤维/芳纶复合滤料性能影响研究[J].化工新型材料，2019，47（1）：116-119.

［28］WANG Z H,SHEN H G,WANG L B,et al. Tensile behavior stability of basalt and polysulfonamide composites in high-temperature flue gas purification[J].,2013,711:45-50．

［29］VICTOR B,YURI V,ANDREI V,et al. New approach to production of fiber reinforced polymer hybrid composites[J].,2017,112:22-30.

ResearchProgress of Organic Filter/Inorganic Filter/Composite Filter Material for Cloth Bag

1,1,2,2

(1. Kunlun Contracting & Engineering Corporation Shenyang Company, Shenyang Liaoning 110000, China;2. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Fushun Liaoning 113001, China）

The dust pollution problem and the recent status of bag dust removal technology were introduced, and the classification, characteristics and research status of filter materials were summarized. The application and problems of inorganic filter materials, organic filter materials and their composite filter materials in filtration were summarized and analyzed. Finally, the application prospect of filter bag materials was predicted.

Bag dust removal; Filter material; Polytetrafluoroethylene; Basalt fiber; Composite materials

2021-08-11

陈琪（1989-），男，辽宁省抚顺市人，硕士研究生， 2012年毕业于辽宁石油化工大学建筑环境与设备工程专业，研究方向：暖通空调设计。

TQ172.6

A

1004-0935（2022）03-0406-04