(南京百朋紡織材料有限公司，南京，211505)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，對電力的需求量越來越大。國家統(tǒng)計局2011年度國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報顯示，2011年我國發(fā)電總量為47 000.7億kW·h，其中火力發(fā)電量為38 253.2億kW·h，占總發(fā)電量的81.4%。由于火電機(jī)組以煤為燃料，不可避免地會產(chǎn)生巨量的微細(xì)粉塵，現(xiàn)已成為PM2.5粉塵的一個重要污染來源。國家對工業(yè)粉塵排放的控制日益嚴(yán)格，在2011年新發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中已嚴(yán)格要求其煙塵排放的質(zhì)量濃度小于30 mg/m3［1］。由于燃煤電廠的特殊工況決定了未來電廠將廣泛采用除塵效果更好的袋式除塵，而濾料是袋式除塵最重要的核心部件，其性能直接決定了袋式除塵效率。

目前在燃煤電廠中廣泛應(yīng)用的是聚苯硫醚(PPS)濾料。PPS纖維的耐酸、耐水解和耐化學(xué)性能極其優(yōu)異，能夠在170℃溫度下長期使用，并且易于紡織加工制成濾料［2-3］。國內(nèi)外現(xiàn)有的PPS濾料大都采用針刺工藝制作，面密度在550 g/m2左右，對PM2.5的過濾效率能夠達(dá)到99%，但是，針刺PPS濾料也存在一些不足。例如:剛性刺針對基布強(qiáng)力的損傷較大，也會使纖網(wǎng)中纖維的強(qiáng)力受到不同程度的損傷，導(dǎo)致PPS針刺濾料的強(qiáng)力降低;針刺PPS濾料中孔隙的孔徑較大，影響其過濾精度;針刺PPS濾料表面有針痕和呈現(xiàn)骨折狀，手感硬。

為解決針刺工藝生產(chǎn)PPS濾料所出現(xiàn)的種種問題，本文采用針刺和水刺復(fù)合工藝替代現(xiàn)在普遍使用的針刺工藝。水刺的柔性纏結(jié)復(fù)合技術(shù)能有效地解決普通針刺工藝中帶鉤的鋼針對PPS基布長絲不可避免的損傷問題，突破針刺復(fù)合過程中大量切斷長絲而造成濾袋強(qiáng)度下降的瓶頸約束;克服由于剛性刺針上下往復(fù)運(yùn)動與柔性纖網(wǎng)的連續(xù)水平運(yùn)動必然會給布面留下針痕等難題［4-6］。與傳統(tǒng)針刺PPS濾料相比，針刺和水刺復(fù)合工藝制作的PPS濾料過濾效率和過濾精度都大為提高，特別是對粒徑在2.5 μm以下的微細(xì)粒子的過濾效率達(dá)到了100%，透氣性和力學(xué)性能出色，完全能夠滿足燃煤電廠對粉塵排放濃度的要求。

1 試驗部分

1.1 材料

普通針刺PPS濾料，南京際華3521特種裝備有限公司生產(chǎn);

針刺和水刺復(fù)合工藝制備的PPS濾料(下稱針刺水刺復(fù)合 PPS濾料)，德國 Fleissner公司提供。

1.2 針刺水刺復(fù)合PPS濾料的制作工藝

針刺和水刺復(fù)合工藝是將經(jīng)過預(yù)針刺的纖網(wǎng)，再經(jīng)過水刺加固，利用高速水流的沖擊作用，將纖維纏結(jié)，最終形成具有很高強(qiáng)力和高過濾精度的濾料。

1.3 性能測試

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 24218.2—2009，采用 YG141型厚度儀測試樣厚度;

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24218.1—2009，采用圓形取樣器測試樣面密度;

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3923.1—1997，采用HD026N型電子織物強(qiáng)力儀測試樣拉伸性能;

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453—1997，采用YG461型織物中壓透氣量儀測試樣透氣性;

采用CLJ-03A型激光塵埃粒子計數(shù)器測試樣過濾效率，其塵埃的粒徑分為 0.3、0.5、1、3、5 和10 μm六個級別。

2 結(jié)果與分析

2.1 厚度與面密度

對普通針刺PPS濾料和針刺水刺復(fù)合PPS濾料兩種試樣進(jìn)行厚度和面密度測試，結(jié)果見表1。

表1 兩種PPS濾料的厚度和面密度

從表1可以看出，針刺水刺復(fù)合濾料的厚度和面密度均比普通針刺濾料要小，這主要是由于水針直徑更細(xì)小，對纖維的損傷更小，加固后的濾料其內(nèi)部孔隙的孔徑更小。大量測試結(jié)果顯示:針刺水刺復(fù)合PPS濾料的面密度在500 g/m2時就已經(jīng)能達(dá)到煙塵過濾性能的要求，而普通針刺PPS濾料需要550 g/m2才能達(dá)到煙塵過濾性能的要求。這也是針刺水刺復(fù)合PPS濾料厚度可以比普通針刺濾料的厚度少0.1 mm的原因。

從表1還可以看出，針刺水刺復(fù)合PPS濾料的厚度與面密度誤差范圍相對較小。這主要是由于其在加固過程中一直受托網(wǎng)簾托持，其牽伸較小，而不像普通針刺濾料經(jīng)多道針刺機(jī)時要經(jīng)受多次縱向拉伸。

針刺水刺復(fù)合PPS濾料表面平整，沒有普通針刺濾料常見的針痕和針眼。傳統(tǒng)刺針針柄較粗，在反復(fù)來回對材料進(jìn)行穿刺時，刺針在纖維層中會停留一定時間，導(dǎo)致輸出速度與輸入速度有一定的速度比，因此不可避免地會產(chǎn)生一定的拉伸，造成針痕出現(xiàn)。

2.2 過濾效率與過濾精度

對普通針刺PPS濾料和針刺水刺復(fù)合PPS濾料兩種試樣進(jìn)行過濾效率測試，結(jié)果見表2。

表2 兩種PPS濾料的過濾效率 (單位:%)

從表2可以看出，兩種濾料的過濾效率均隨著塵埃粒徑增大而相應(yīng)增大，對于粒徑在5μm以上的塵埃，兩者的過濾效率都達(dá)到了100%。這是由非織造濾料的過濾機(jī)理所決定的，無論是普通針刺濾料還是針刺水刺復(fù)合濾料，都具有復(fù)雜的三維立體空間結(jié)構(gòu)，存在著許多微細(xì)孔隙和彎曲通徑，這有利于利用重力沉降、攔截效應(yīng)和布朗擴(kuò)散作用來完成過濾。在實際煙塵過濾工況下，煙塵會在濾料表面形成一個“濾餅層”，從而利用濾料表面沉積的微細(xì)塵埃層來實現(xiàn)表面過濾。也就是說，在實際工況中的過濾效率會比試驗所測得的靜態(tài)過濾效率更高。

從表2還可以明顯看出，針刺水刺復(fù)合PPS濾料的過濾效率遠(yuǎn)高于普通針刺PPS濾料，對于粒徑在2.5 μm以下的顆粒捕集效果優(yōu)于普通針刺PPS濾料。這主要是由于使用水針代替剛性的刺針會使濾料表面孔隙的孔徑更小，并且不會對纖維產(chǎn)生損傷，而普通針刺則完全是靠剛性刺針對纖維層進(jìn)行上下反復(fù)穿刺，其刺針的針柄直徑大于水針。有資料顯示［5］，水刺濾料表面孔隙的孔徑集中在20 μm左右，而針刺濾料孔隙的孔徑則集中在40 μm，孔徑越小，其捕捉微細(xì)顆粒的能力就越強(qiáng)。因此，對于治理對人們身體危害巨大的PM2.5，針刺水刺復(fù)合濾料更為有效。

目前燃煤電廠生產(chǎn)中產(chǎn)生的粉塵，70%以上是粒徑小于5 μm的呼吸性粉塵。粉塵的分散度高，粉塵粒徑小，其在空氣中的穩(wěn)定性高，在空氣中懸浮也持久［6］，會對人體造成很大的危害。從表2數(shù)據(jù)可以看出，普通針刺PPS濾料對5 μm塵埃的過濾效率可達(dá)100%，而對0.5～5 μm塵埃的過濾效率是90%以上，但對5 μm以下的塵埃的過濾效率卻只能達(dá)到90%左右。

2.3 透氣性

透氣性能夠直觀地反映出濾料的過濾效率與精度，透氣性越差則濾料表面孔隙的孔徑越小，其過濾效率越高，過濾微細(xì)粉塵顆粒的能力就越強(qiáng)。透氣性還能夠反映出濾料制成濾袋后在燃煤電廠使用時阻力的大小。透氣性越差則在使用過程中形成表面濾餅層的時間就越短，其所需的負(fù)壓風(fēng)力也相應(yīng)較小;透氣性好則在過濾時會有較多微細(xì)顆粒進(jìn)入到濾料內(nèi)部，堵塞濾料表層孔隙，從而妨礙表面濾餅層的形成，表面過濾效果變差。因此，對于燃煤電廠的煙塵過濾用濾料，其透氣量以偏低為宜，但也不能過低，因為過低極易使濾料孔隙被堵塞，不利于過濾的進(jìn)行。

對普通針刺PPS濾料和針刺水刺復(fù)合PPS濾料兩種試樣進(jìn)行透氣性測試，每種濾料取五個樣點，其數(shù)據(jù)平均值見表3。

表3 兩種PPS濾料的透氣性

表3數(shù)據(jù)顯示，針刺水刺復(fù)合PPS濾料的透氣量小于普通針刺PPS濾料。這主要是由于針刺水刺復(fù)合濾料所產(chǎn)生的針眼少且孔徑較小，而針刺PPS濾料則相反。孔徑越小，透氣量也越小。

從表3還可以看出，兩種濾料的透氣量均在一定的范圍內(nèi)變動。在同一試樣的不同位置進(jìn)行測試，其結(jié)果可能不相同。針刺水刺復(fù)合PPS濾料的CV值僅為5%，遠(yuǎn)小于普通針刺PPS濾料的12%。在鋪網(wǎng)工序中，挾持單層纖網(wǎng)的鋪網(wǎng)小車行走在兩個邊緣處時要減速或加速，會在兩邊停留相對較長的時間，相對于中間部位小車在邊緣處對纖網(wǎng)的牽伸力較小，最終形成纖網(wǎng)兩邊稍厚而中間薄的狀況，這是無論針刺濾料還是水刺濾料透氣量均會出現(xiàn)一定程度上不均勻的原因。由于針刺水刺復(fù)合濾料只對纖維層進(jìn)行預(yù)針刺，而后面多道高壓水刺才是加固的主要方式，在生產(chǎn)過程中纖維層一直在托網(wǎng)簾之上，沒有經(jīng)受多道縱向拉伸，并且水針纏結(jié)方式較為柔和，因此針刺水刺復(fù)合PPS濾料的CV值比普通針刺PPS濾料低。

2.4 力學(xué)性能

對普通針刺PPS濾料和針刺水刺復(fù)合PPS濾料兩種試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果見表4。

表4 兩種PPS濾料的力學(xué)性能

表4數(shù)據(jù)顯示，針刺水刺復(fù)合PPS濾料的緯向和經(jīng)向強(qiáng)力分別比普通針刺PPS濾料高9.4%和23.1%。這是由于水刺對PPS纖維特別是對基布的損傷較小，基布是最終成品強(qiáng)力的主要貢獻(xiàn)者，濾料的絕大部分經(jīng)向強(qiáng)力和大部分緯向強(qiáng)力均由基布提供，而針刺對基布(特別是對其中的經(jīng)向紗)的損傷很大，因此針刺水刺復(fù)合濾料的強(qiáng)力比普通針刺濾料的強(qiáng)力要高，其中尤以經(jīng)向強(qiáng)力提高更多。

從表4可以看出，針刺水刺復(fù)合PPS濾料的經(jīng)、緯向伸長率比普通針刺PPS濾料小，經(jīng)向伸長率降低了4.28個百分點，而緯向伸長率則降低了8.04個百分點。針刺水刺復(fù)合PPS濾料由于基布中的經(jīng)向紗沒有受到刺針損傷，伸直度較針刺濾料高，因而經(jīng)向伸長率比普通針刺濾料低。針刺水刺復(fù)合PPS濾料的緯向伸長率降低幅度超過經(jīng)向，這主要是由于普通針刺濾料在生產(chǎn)中出現(xiàn)的“緯斜”現(xiàn)象所導(dǎo)致的。纖網(wǎng)在進(jìn)行多道正反面針刺時，不可避免地出現(xiàn)局部拉伸不一致，如斷針處由于受到的阻力小而使其行進(jìn)速度快于正常處，因而所受到的牽伸力就不同，并且相鄰針刺機(jī)之間也會產(chǎn)生縱向拉力，最終導(dǎo)致基布中的緯紗出現(xiàn)不同程度的傾斜。而在針刺水刺復(fù)合濾料制作過程中出現(xiàn)緯斜現(xiàn)象的程度小于普通針刺濾料，因此其緯向伸長率降低幅度較大。

3 結(jié)論

針刺水刺復(fù)合PPS濾料融合了針刺工藝和水刺工藝各自的優(yōu)點，又克服了兩種工藝各自的缺點。

(1)同樣達(dá)到煙塵過濾性能的要求，針刺和水刺復(fù)合工藝制得的PPS濾料與普通針刺PPS濾料相比，面密度可降低50 g/m2，原材料的用量降低10%。

(2)針刺水刺復(fù)合濾料可實現(xiàn)更低的微孔直徑，從而使濾料具有更高的過濾效率和過濾精度。

(3)針刺水刺復(fù)合PPS濾料的基布和纖維受到損傷較小，經(jīng)緯向強(qiáng)力大大超過普通針刺PPS濾料。

(4)經(jīng)過水刺工藝對濾料表面進(jìn)行整理后，能有效提高濾料表面平整性，從而使針刺水刺復(fù)合濾料具有透氣量較小且均勻的特點。

目前，濾料市場上能生產(chǎn)針刺水刺復(fù)合PPS濾料的企業(yè)很少，產(chǎn)品仍處于前期小試階段，但針刺水刺工藝復(fù)合PPS濾料憑借著出色的性能優(yōu)勢和成本優(yōu)勢，必能在燃煤電廠的煙氣過濾中迅速得到推廣應(yīng)用，具有較好的市場前景。

［1］ 中國環(huán)境科學(xué)研究院，國電環(huán)境保護(hù)研究院.GB 13223—2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

［2］ 王樺.聚苯硫醚纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2007，25(7):1-3.

［3］ 李熙，靳雙林.PPS纖維及其在袋式除塵領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2007，25(4):1-4.

［4］ LANG A.水刺技術(shù)和PM 2.5級過濾是正確的選擇方案嗎?［J］.國際紡織導(dǎo)報，2006(11):48-49.

［5］ 吳麗麗，柯勤飛.水刺復(fù)合PPS纖維耐高溫過濾材料的研究與開發(fā)［J］.非織造布，2009(4):24-26.

［6］ 孫亞頗，焦曉寧.聚苯硫醚針刺氈在高溫除塵上的應(yīng)用性能研究［J］.合成纖維，2010(5):6-8.