崔元山 劉威 湯潔 金江

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210009)

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“節(jié)能環(huán)保”，需要對(duì)能源、電力、冶金等行業(yè)產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)行直接凈化。由于高溫?zé)煔獾母邏汉脱趸€原環(huán)境，對(duì)高溫過(guò)濾材料的機(jī)械、熱力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性提出了更高的要求。與其他高溫過(guò)濾材料相比，剛性陶瓷濾料耐高溫，熱力學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較好，且在過(guò)濾效率、過(guò)濾阻力和使用效果上都有較明顯優(yōu)勢(shì)，故現(xiàn)在普遍認(rèn)為剛性陶瓷濾料是過(guò)濾高溫?zé)煔獾囊环N主要方法。剛性陶瓷過(guò)濾材料的主要原料包括陶瓷顆粒和陶瓷纖維，陶瓷纖維過(guò)濾材料的孔隙率高、壓力損失小、清灰效果好,所以比陶瓷顆粒過(guò)濾材料更適用于高溫?zé)煔鈨艋?。陶瓷纖維過(guò)濾材料的過(guò)濾效率一般都較高，從某種意義上講降低過(guò)濾阻力和提高機(jī)械強(qiáng)度更加重要。

為提高陶瓷纖維過(guò)濾材料的這些性能，通常將粗細(xì)纖維進(jìn)行搭配，將粗細(xì)纖維合理搭配能顯著提高過(guò)濾材料的過(guò)濾精度和容塵量[1-4]。

陶瓷纖維過(guò)濾材料的制備方法有纖維編織法、纏繞法和真空吸濾法。真空吸濾可以成形任意形狀的產(chǎn)品，且工藝簡(jiǎn)單，有較大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。真空吸濾法是用某種方法將短纖維及粘結(jié)劑充分分散，再將纖維以一定的方法堆積或填充同時(shí)施以粘結(jié)劑，纖維將互相架橋可形成相對(duì)均勻、具有一定形狀的氣孔的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，高溫?zé)Y(jié)固化就得到了氣孔率很高的多孔材料[5]。

本實(shí)驗(yàn)選用耐高溫、耐腐蝕、強(qiáng)度高的陶瓷纖維為原料，同樣耐溫、便宜且可以重復(fù)使用的水玻璃為分散劑和粘結(jié)劑，通過(guò)機(jī)械攪拌和真空吸濾制備纖維過(guò)濾材料。并對(duì)過(guò)濾材料的重要性能(過(guò)濾阻力和機(jī)械強(qiáng)度)進(jìn)行表征和探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

RS-05A真空泵 (上海博匯真空設(shè)備有限公司)；美的MJ-25BM01A電動(dòng)攪拌機(jī)；金相光學(xué)顯微鏡（重慶光學(xué)儀器廠，XSZ-1A）；浮子流量計(jì)（上海納森儀器有限公司，LZB-4）；電動(dòng)抗折儀（沈陽(yáng)天枰儀器廠，KZY-30）。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

圖1 樣品制作裝置原理圖Fig.1 A schematic diagram for the test facility

圖2 三種纖維的顯微結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The photos of three kinds of fibers (From left to right:alumina fiber,aluminosilicate fiber and high aluminum fiber)

（1）將氧化鋁纖維(多晶莫來(lái)石纖維)、高鋁纖維(一種含鋁量較高的硅酸鋁纖維)、硅酸鋁纖維三種陶瓷纖維剪成5mm左右長(zhǎng)短均勻的短纖維，分別和水玻璃(無(wú)機(jī)粘結(jié)劑和主要分散劑)按一定的重量比放入攪拌機(jī)攪拌，攪拌均勻后將漿料在模具中吸濾成形(實(shí)驗(yàn)裝置如圖1)。成形的初始樣品經(jīng)烘干后在爐中高溫?zé)蔀橹睆?.5cm，厚度為7～15mm不等的圓片形過(guò)濾材料實(shí)驗(yàn)樣品(以下稱樣品)。測(cè)試在不同過(guò)濾風(fēng)速下的壓力損失，并測(cè)出每個(gè)樣品的抗彎強(qiáng)度。

（2）綜合比較三種纖維樣品的各項(xiàng)性能，選擇其中兩種性能較好的樣品的纖維按不同重量比混合且以相同的試驗(yàn)工藝制備樣品，綜合分析樣品性能得出最合適的纖維比例。

（3）依照最合適比例制備復(fù)合纖維樣品，在不同的溫度下燒成。然后測(cè)試樣品性能找出最佳的燒成溫度，獲知最佳燒成溫度下樣品的各項(xiàng)性能參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 料漿濃度的選擇

本文采用機(jī)械攪拌法將纖維在粘結(jié)劑中分散，纖維太多會(huì)使纖維分散不充分影響過(guò)濾材料的阻力，纖維太少則降低實(shí)驗(yàn)效率，所以纖維和分散劑的重量比就十分重要，為了便于比較，試驗(yàn)中纖維(包括混合纖維)都為10g，無(wú)機(jī)粘結(jié)劑1000g，即漿料濃度為1%，且加入適量的分散劑。

2.2 不同種類纖維試驗(yàn)樣品的性能

分別將10g氧化鋁纖維、硅酸鋁纖維和高鋁纖維剪短，和水玻璃以1∶100的比例攪拌均勻、真空吸濾成形、烘干然后燒成纖維過(guò)濾材料實(shí)驗(yàn)樣品。測(cè)試樣品的抗彎強(qiáng)度和在不同過(guò)濾風(fēng)速下的壓力損失。圖2為三種陶瓷纖維的顯微圖片。

從顯微圖像上可以看出，三種纖維的直徑有著明顯的區(qū)別，多晶莫來(lái)石纖維最粗，高鋁纖維最細(xì)。三種纖維制成的樣品相關(guān)參數(shù)如圖3和表1,圖3為三種纖維過(guò)濾材料過(guò)濾空氣時(shí)不同過(guò)濾風(fēng)速下的壓力損失。

表1 三種不同陶瓷纖維樣品的性能比較Tab.1 Performance of three kinds of filter media made from different ceramic fibers

由圖3可以看出，壓力損失隨流速的增大而增大且呈線性關(guān)系。因?yàn)榱黧w流經(jīng)多孔材料時(shí)滿足達(dá)西定律，即壓力損失和流量呈線性關(guān)系，而當(dāng)樣品過(guò)濾面積確定時(shí)流量又和流速呈線性關(guān)系，所以壓力損失和流速為線性關(guān)系[6-7]。假設(shè)定義壓力損失和氣體流速的比例系數(shù)為阻力F(過(guò)濾材料過(guò)濾空氣時(shí)單位流速壓力損失)，則F=P/Vo，三種不同纖維過(guò)濾材料的阻力F為不同的值，即圖中三條直線有不同的斜率。

表中樣品1、2、3分別指氧化鋁纖維過(guò)濾材料實(shí)驗(yàn)樣品、硅酸鋁纖維試驗(yàn)樣品和高鋁纖維實(shí)驗(yàn)樣品。陶瓷過(guò)濾器過(guò)濾煙塵時(shí)的過(guò)濾阻力由過(guò)濾材料本身的阻力和塵餅的阻力組成，所以降低過(guò)濾材料的阻力能提高過(guò)濾器的總體性能。過(guò)濾材料的抗彎強(qiáng)度越高則表示其可以經(jīng)受越多次的反吹，過(guò)濾器的使用壽命也相對(duì)較高。由表1可以看出，氧化鋁纖維樣品阻力最小，高鋁纖維次之，高鋁纖維樣品的阻力最大?？箯潖?qiáng)度最大的為氧化鋁纖維濾材樣品，最小的為硅酸鋁纖維樣品。綜合以上發(fā)現(xiàn)，氧化鋁纖維和高鋁纖維濾材樣品的性能較好。

圖4 不同纖維比例樣品阻力圖Fig.4 Resistance of filter media made from fibers mixed in different proportions

2.3 纖維比例的確定

將氧化鋁纖維和高鋁纖維按不同比例混合制備樣品，在其他實(shí)驗(yàn)條件均相同的情況下的樣品阻力和抗彎強(qiáng)度分別見(jiàn)圖4和圖5。

從圖4和圖5可以看到，隨著多晶莫來(lái)石纖維在樣品中含量的降低，阻力呈上升趨勢(shì)，而抗彎強(qiáng)度則呈下降趨勢(shì)，當(dāng)氧化鋁纖維和高鋁纖維的比例為9∶1時(shí)，單位流速阻力最小，為42.8Pa?？箯潖?qiáng)度最大為6.75MPa，因此確定多晶莫來(lái)石纖維和高鋁纖維的最合適的重量比為9∶1。

2.4 樣品最佳燒成溫度點(diǎn)的確定

將比例為9∶1的復(fù)合纖維制成的樣品在200℃～1000℃下燒成，測(cè)試其阻力、抗折強(qiáng)度、氣孔率。結(jié)果見(jiàn)圖6。

隨著燒成溫度的升高，樣品的氣孔率先緩慢增大，在800℃的時(shí)候，氣孔率最大為75.8%，而后氣孔率呈下降趨勢(shì)。

圖5 不同纖維比例樣品抗彎強(qiáng)度圖Fig.5 Bending strength of filter media made from fibers mixed in different proportions

圖8 樣品不同溫度下抗彎強(qiáng)度測(cè)試圖Fig.8 Bending strength of filter media sintered at different temperatures

與氣孔率隨溫度變化的趨勢(shì)相反，隨著溫度的升高阻力先降低，在800℃時(shí)阻力最小為42.8Pa/m/min，而后阻力又慢慢增大，見(jiàn)圖7。由上可知，樣品的氣孔率越高，阻力越?。贿@可以借鑒纖維過(guò)濾理論中理論阻力公式得到解釋，由理論阻力公式和上面的阻力可推導(dǎo)出以下公式：其中，p為氣流流經(jīng)過(guò)濾材料的壓力損失；A為過(guò)濾面積；R為纖維的半徑；μ為流體的動(dòng)力粘度；Q為氣流流量；h為過(guò)濾材料的厚度。f(C)的值隨著C的增大而增大[8-12]。由于本實(shí)驗(yàn)中不同燒成溫度樣品的實(shí)驗(yàn)材料、成型工藝和試驗(yàn)環(huán)境均相同，即公式中的f(C)、μ、R都相同，經(jīng)測(cè)定樣品的厚度h也相差不大。所以氣孔率越高，阻力越小。

隨著溫度的升高，樣品的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降趨勢(shì)，當(dāng)溫度到600℃的時(shí)候強(qiáng)度最低。溫度繼續(xù)升高，樣品的強(qiáng)度開(kāi)始上升然后下降，當(dāng)溫度為800℃的時(shí)候，樣品的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值為6.9MPa。200℃～600℃，隨著溫度的升高，無(wú)機(jī)粘結(jié)劑和陶瓷纖維中的結(jié)構(gòu)水和其他物質(zhì)被逐漸燒失，樣品的抗彎強(qiáng)度呈緩慢下降趨勢(shì)。700℃開(kāi)始，無(wú)機(jī)粘結(jié)劑開(kāi)始熔融，纖維結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象，使樣品的抗折強(qiáng)度明顯的提升，800℃時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最高為6.65MPa。隨著溫度繼續(xù)升高，樣品中的某些物質(zhì)繼續(xù)被燒失，抗彎強(qiáng)度降低，見(jiàn)圖8。

由圖6、圖7、圖8可得，樣品在800℃時(shí)阻力達(dá)到最小，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大。所以樣品的最佳燒成溫度點(diǎn)為800℃。

3 結(jié)論

（1）以陶瓷纖維為原料，水玻璃為分散劑和粘結(jié)劑，通過(guò)機(jī)械攪拌分散纖維、真空吸濾成型、高溫?zé)煽梢灾瞥勺枇Φ?、?qiáng)度高的過(guò)濾材料。

（2）對(duì)多晶莫來(lái)石纖維、高鋁纖維和硅酸鋁纖維樣品的性能綜合比較發(fā)現(xiàn)，前兩種纖維過(guò)濾材料的性能較好。

（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定當(dāng)多晶莫來(lái)石纖維和高鋁纖維的重量比為9∶1，燒成溫度為800℃時(shí)樣品的性能最好。樣品阻力為41Pa/m/min、抗彎強(qiáng)度6.65MPa、孔隙率為75.8%。相較于純的陶瓷纖維過(guò)濾材料的抗彎強(qiáng)度有了大幅提高。

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