朱呂，梁云，劉勇

(1. 華南理工大學制漿造紙國家重點實驗室，廣東廣州510640;2. 九江七所精密機電科技有限公司，江西九江332000)

由于受到各方面的污染，液壓系統(tǒng)油液中含有較多的污染物，必須借助于過濾或凈化裝置去除油液中的污染物，通常會設計過濾系統(tǒng)對自身液壓油進行凈化［1］。我國從20 世紀80年代初在各工業(yè)部門逐步推行液壓污染控制技術和管理措施，在液壓污染控制方面取得了一定的成效。但是，與國外主要發(fā)達國家相比，還有相當大的差距;由于受認識觀念、設備管理制度和一些市場導向的影響，使得污染控制技術的發(fā)展受到了極大的限制［2］。

近幾年，在實際應用液壓濾材時，發(fā)現國產濾清器在整個工作過程中，其過濾比［3］下降的幅度較大，而原裝進口的濾清器過濾比下降的幅度較小。這說明國產濾芯在過濾工作后期，其過濾效率逐漸下降，工作效率明顯降低，此時濾芯的過濾作用已大大減弱，液壓系統(tǒng)油液污染加重，進而影響工程機械的整體工作性能，甚至會引起工程機械的故障乃至報廢。因此，對工程機械液壓系統(tǒng)內部的液壓元件、液壓油進行污染控制十分重要。

液壓濾材主要由玻璃纖維構成，玻纖濾材具有良好的過濾性能，可以達到很高的過濾精度(小至1 μm)［4－5］，但是濾材后期的打折加工、無紡布復合層和濾材的結構都會對濾材的精度產生影響。作者對以上因素進行了分析和研究，以此為液壓濾材的使用加工及優(yōu)化提供了一些依據。

1 實驗

1.1 實驗樣品與儀器

1.1.1 樣品

實際使用后液壓濾芯:分別編號為X1 和X2，九江七所精密機電科技有限公司提供。

潔凈的液壓濾材:分別編號為C1，C2，C3，C4，其中C1、C2 和C3 為玻纖濾材，沒有無紡布復合層，C4 為C3 濾材的表面復合了一層無紡布，九江七所精密機電科技有限公司提供。

打折加工后的潔凈玻纖濾材C5，九江七所精密機電科技有限公司提供。

無紡布:定量為30 g/m2，紡粘無紡布，九江七所精密機電科技有限公司提供。

1.1.2 主要儀器

FX 3300 透氣度測定儀，CFP-1100-A 毛細管流量孔徑儀，ZEISS EVO 掃描電子顯微鏡，08FB018 多通測試臺(ISO 16889-1999)。

1.2 實驗方案

1.2.1 使用后濾材結構的觀察

將實際應用后的濾芯(X1，X2)進行切割解剖，取出內部濾材，用石油醚洗滌并在掃描電子顯微鏡下觀察濾材結構特征情況。

1.2.2 潔凈濾材基本物理性能和過濾性能的檢測

C1、C2 潔凈濾材定量，檢測透氣度、孔徑，參照ISO 16889-1999 標準檢測濾材C1、C2、C3、C4 的過濾性能，表1 是測試條件。

表1 測試條件

2 結果與討論

表2 是國內某過濾企業(yè)給出的X1 和X2 濾芯多通測試結果，兩種濾芯的初始過濾比在實際應用中都可滿足液壓系統(tǒng)的設計要求，但是隨著測試時間以及壓差的上升，X2 濾芯在整個工作過程中其過濾比下降幅度較大(后期10 μm 顆粒過濾比僅為1.5，這表明此時濾芯已經完全失去了過濾的能力)。文中主要就造成上述這種現象的原因進行分析。液壓濾材由玻璃纖維構成，但是玻璃纖維本身無結合力，其結構穩(wěn)定性較差，濾材在過濾時，隨著其納污量的增加，其入流面和出流面的壓差也在逐漸上升，同時伴隨著液壓環(huán)境中溫度和壓力的上升及油液的沖擊，濾材的結構穩(wěn)定性很可能會受到影響，進一步影響到濾材的過濾比。在實際使用中，濾材的后期打折加工以及施膠和無紡布復合層等工藝有可能對濾材的結構穩(wěn)定性造成影響。

表2 10 μm 過濾比

2.1 打折加工對濾材過濾性能的影響

從表2 可以看出:X1 濾芯在整個工作過程中其過濾比較為穩(wěn)定(后期10 μm 過濾比為300 左右，仍然保持者較高的過濾能力)，而X2 濾芯在后期已經完全失去了過濾的能力。濾材在加工成濾芯時，需要將平板的濾材折疊加工為如圖1 所示的形狀，而打折的加工工藝對濾材的結構有著重要的影響，圖2 是使用后的液壓濾芯(用于風電系統(tǒng))，圖3—6 分別是X1 和X2 濾芯中濾材的電鏡照片。

圖1 液壓濾材

圖2 液壓濾芯(使用后)

圖3 X1 樣品平面

圖4 X1 樣品折疊處截面

圖5 X2 樣品平面

圖6 X2 樣品折疊處截面

圖3 和圖4 分別是X1 樣品濾材折疊處平面和截面的電鏡照片，可以看出:X1 樣品濾材在壽命終止時，其折疊處沒有發(fā)生明顯的斷裂現象。而從圖5 和圖6 可以看出:X2 樣品濾材在壽命終止時，其折疊處已經發(fā)生了嚴重的斷裂現象，通過其截面圖片也可看出濾材結構斷裂的現象。

玻纖濾材在打折加工時，有時從表面觀察并沒有發(fā)生完全的斷裂，但加工不好的玻纖濾材多數在折疊處都有裂口，只有少量玻纖維持連接，接著在儲存以及使用過程中，折疊處在應力的作用下，其裂口處會逐漸破裂。圖7 和圖8 是玻纖濾材打折后折疊處的照片。

圖7 C5 樣品折疊處

圖8 C5 樣品折疊處

圖7 和圖8 是C5 樣品不同折疊位置的照片，從圖7 中可以明顯地看到斷裂現象，而圖8 中看不到明顯的裂口。圖9 和圖10 是相應位置的電鏡照片，可以看出:雖然在圖8 中目測沒有明顯的裂口，但實際上兩種情況下的玻璃纖維在折疊處都發(fā)生了斷裂現象。濾材在加工成濾芯時，其折疊處的斷裂現象會嚴重影響濾材的過濾性能，而且在使用過程中，其受損程度會加深甚至破裂，那么在濾材斷裂處對污染物的過濾作用將大大降低，其過濾性能將受到嚴重的影響，同樣有可能造成在濾芯前期被捕捉的污染物就會再次進入液壓系統(tǒng)之中的現象，這也是液壓濾芯在使用后期過濾比下降的重要原因。

圖9 C5 樣品折疊處電鏡照片

圖10 C5 樣品折疊處電鏡照片

2.2 無紡布復合層對過濾性能的影響

在液壓濾材的實際應用中，有的濾芯是單層的玻纖濾材，有的濾芯在玻纖濾材表面復合了一層無紡布。液壓濾清器制造企業(yè)在使用單層玻纖濾材時，也常常會在打折加工時在表面復合一層無紡布，但其目的主要是避免濾材結構受到破壞，而沒有考慮無紡布是否會對材料在實際使用過程中的性能產生影響。圖11—12 給出了C3 濾材在入流面是否復合無紡布的情況下，多通效率測試的過濾性能(10 μm 顆粒過濾比)的變化情況以及壓差的上升情況。

圖11 10 μm 顆粒過濾比

圖12 濾材壓差曲線

圖11 是C3 和C4 樣品在整個多通測試過程中10 μm 顆粒過濾比的變化情況，C4 樣品在入流面復合了無紡布的情況下，它對10 μm 顆粒的過濾比數值較C3 高，也就是說對于顆粒的過濾能力占優(yōu)，且在測試后期C4 樣品的過濾比相對于C 樣3品而言仍然較高。從整個測試時間看來，C4 樣品其過濾比下降了68. 7%，C3 樣品其過濾比下降了60. 1%，兩種樣品在整個測試時間內的過濾比下降程度并沒有較大的區(qū)別，但是C4 樣品末尾過濾比與C3 樣品的初始過濾比差別不大，說明C4 樣品在后期的過濾比仍然有利于維持液壓系統(tǒng)良好的工作環(huán)境。

圖12 是C3 和C4 樣品在整個多通測試過程中濾材壓差的變化情況，在整個多通測試過程中，在前期C3 和C4 樣品的壓差都較穩(wěn)定，上升并不明顯，而在測試后期，隨著濾材納污量的增加其兩端壓差逐漸上升，但是C4 樣品在入流面復合了無紡布的情況下，相比于C3 樣品其壓差依然上升較緩，且上升幅度不大，圖中可見t=90 min 時C3 樣品的壓差是C4 樣品壓差的6 倍。

從以上結果可以看出，無紡布不僅起著一定的粗濾作用，而且在一定程度上維持濾材的結構穩(wěn)定性，進一步延長了濾材的工作壽命，使得濾材后期的過濾比仍然有利于維持液壓系統(tǒng)良好的工作環(huán)境?？紤]到上述因素，采用單層濾材自己復合無紡布加工濾芯的企業(yè)要加強對無紡布復合層的重視，同時無紡布與玻纖濾材間還會有匹配性問題，理想的無紡布復合層既可以讓濾材保持較高的過濾比和過濾精度，同時也可以維持濾材結構，延長濾材的工作壽命。

2.3 材料結構對過濾性能的影響

材料的結構包括孔隙、樹脂分布等都會對濾材過濾性能造成影響，圖13—16 分別是不同的濾材(C1，C2)表面的電鏡圖片，顯示了纖維和樹脂的分布情況。

圖13 C1 樣品SEM 圖(100 ×)

圖14 C1 樣品SEM 圖(500 ×)

圖15 C2 樣品SEM 圖(100 ×)

圖16 C2 樣品SEM 圖(500 ×)

可以看出:C1 樣品濾材其膠液分布不均勻，其纖維所構成的孔隙也較小，結構較為致密，與C2 樣品濾材相比而言，C1 樣品濾材的孔在較大程度上被堵塞，降低了濾材的過濾空間，這對濾材的過濾作用有嚴重的影響，可能會造成濾材在工作的過程中流阻較大;C2 樣品濾材施膠相對均勻，且膠液并沒有造成明顯地堵塞濾材內部的孔。

表3 是C1 和C2 濾材基本物理性能的檢測結果，圖17 和圖18 是C1 和C2 濾材的多通測試結果。

表3 物理性能

圖17 濾材壓差曲線

圖18 10 μm 顆粒過濾比

從表3 可以看出:兩種濾材的定量相差不大，但是C1 樣品的平均孔徑是C2 樣品平均孔徑的1.7 倍左右，說明在C1 樣品的結構中，其孔隙較大;同樣，從透氣度這一指標可看出C1 樣品的透氣度是C2 樣品的1.8 倍。

圖17 是C1 和C2 樣品在整個多通測試過程中濾材壓差的變化情況，C1 樣品在整個測試過程中，其壓差上升較快。從表3 中知道C1 樣品的透氣度是C2樣品的1.8 倍，因此在圖17 中可以看到:C1 樣品的初始壓差(188 kPa)低于C2 樣品的初始壓差(195 kPa);C1 樣品的初始壓差在試驗進行18 min 開始上升，在t=27 min 到達480 kPa，而C2 樣品的壓差在試驗進行38 min 開始上升，到達480 kPa 的時間是50 min。圖18 是C1 和C2 樣品在整個多通測試過程中10 μm 顆粒過濾比的變化情況，可以看到:C1 樣品在t=18 min 左右時，其10 μm 顆粒過濾比開始下降，而C2 樣品對10 μm 顆粒的過濾比在t =32 min 左右開始下降。結合上面的電鏡照片可以看出:由于樹脂分布的情況有較明顯的差異，雖然兩種濾材的透氣度值相差不大，但是其結構的差異會對濾材兩端壓差和過濾性能產生影響，在實際使用中C2 樣品濾材更有利于延長濾材的壽命以及維持較高的過濾比;同時壓差快速的上升會嚴重影響濾材的工作壽命及造成濾材結構的不穩(wěn)定，這樣有可能使得已被截留的污染物再次進入液壓系統(tǒng)之中，造成濾材過濾比下降的現象。上面的結果也說明了一些企業(yè)在選擇和使用液壓濾材時，只看重濾材的物理指標是不全面的，因為僅僅依靠物理指標無法評估出材料結構對濾材使用過程中性能變化的影響。

2.4 樹脂對過濾性能的影響

因為玻璃纖維本身無結合力，所以濾材都會用樹脂進行增強，從而使玻璃纖維更好地結合在一起。在油液過濾的濾材中，一般使用酚醛和丙烯酸樹脂［6－7］。目前應用較多的液壓玻纖濾材一般使用丙烯酸樹脂［7］，因為酚醛樹脂會增加玻纖濾材的脆性，這不利于濾材后期的打折加工;同時不同的樹脂其實際應用性能是不同的，需要選擇合適的樹脂來適應不同的實際應用環(huán)境。

據國內外研究資料及實際應用:液壓濾材上膠量一般低于10%，上膠量過大會造成孔的堵塞，從而影響濾材的過濾作用;上膠量過低則會造成纖維結合力不足，導致濾材結構的不穩(wěn)定。另外樹脂在液壓系統(tǒng)高溫高壓的環(huán)境中有可能會發(fā)生溶出以及分解等現象，這些溶出物造成油液污染的同時也導致濾材結構的不穩(wěn)定，這也會產生濾材過濾比下降的現象。因此理想的樹脂應該既能適應液壓系統(tǒng)環(huán)境，不會在工作過程中產生上述的溶出和分解現象，又能使纖維更好地結合在一起，使濾材有較好的結構穩(wěn)定性，從而在其壽命期間維持較高的過濾比。

3 結論

通過文中的研究可以得出以下結論:

(1)液壓濾材后期的打折處理對濾材過濾性能有著嚴重的影響，其折疊處的斷裂會造成已被截留的污染物重新進入液壓系統(tǒng)，導致過濾比下降的現象;

(2)無紡布復合層在對尺寸較大污染物進行過濾的同時，也在一定程度上維持了濾材結構的穩(wěn)定性，進一步維持了濾材的工作壽命，使得濾材在后期的過濾比仍然有利于維持液壓系統(tǒng)良好的工作環(huán)境;

(3)濾材的結構會對濾材的過濾性能造成影響，在濾材工作的過程中，濾材的結構會對濾材兩端的壓差產生嚴重的影響，將直接導致濾材工作壽命的縮短，同時會影響濾材的過濾性能，結合文中對C1 和C2 樣品的研究，在整個測試過程中，兩種濾材達到相同阻力的時間相差了1 倍，C2 樣品的最高10 μm顆粒過濾比是C1 樣品最高10 μm 顆粒過濾比的2.6倍，因此濾材的結構對濾材的工作壽命和污染物顆粒的過濾比都有著嚴重的影響;

(4)樹脂對于玻璃纖維之間的結合有著重要的作用，在選用樹脂時要考慮到對液壓系統(tǒng)環(huán)境的適應性，又能使纖維更好地結合在一起，使濾材有較好的結構穩(wěn)定性，從而使濾材在其壽命期間維持較高的過濾比。

［1］FITCH E C，HONG I T．Hydraulic System Design for Service Assurance［M］．BarDyne，Inc．，2004．

［2］賈瑞清，王爐平．液壓污染控制技術的研究現狀及重點展望［J］．液壓氣動與密封，2004(1):15－17．

［3］THOMSON Cameron，GODSAY Milind，KEISLER Randall．Filter Media Suitable for Hydraulic Applications:United States，0079553［P］．2011．

［4］姜肇中，鄒寧宇，葉鼎銓．玻璃纖維應用技術［M］．北京:中國石化出版社，2004．

［5］GODSAY Milind，KEISLER Randall．Filter Media Suitable for Hydraulic Applications:United States，0252510［P］．2010

［6］趙美英，紀玉珍．浸漬樹脂在汽車濾紙生產中的應用［J］．天津造紙，1996．

［7］GOMEZ I Luis，COLE Robert．Glass Fiber Bonding Resins:United States，4289644［P］．1981．