繆 特， 張如全,2， 馮 陽

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200； 2. 武漢紡織大學(xué) 紡織纖維及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430200； 3. 江蘇奧凱環(huán)境技術(shù)有限公司， 江蘇 靖江 214500)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，火力發(fā)電廠、垃圾焚燒及工廠煙囪排放廢氣等高污染煙塵帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)嚴(yán)重危害人們身體健康[1]。芳綸過濾材料具有質(zhì)量輕、高模高強(qiáng)、耐高溫、耐酸堿性、絕緣性、抗老化性能好、使用壽命長等[2-3]優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高溫?zé)煔膺^濾領(lǐng)域。

目前，從工業(yè)生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)出發(fā)，均對過濾材料的各方面性能有較高的要求，過濾材料的后整理工藝能較好地提高其使用性能和過濾效率。蔡偉龍等[4]采用聚四氟乙烯泡沫涂層方法，對聚酰亞胺/聚四氟乙烯復(fù)合過濾材料進(jìn)行涂層，改善了過濾材料的耐酸堿性及尺寸穩(wěn)定性；余琴等[5]對聚苯硫醚過濾材料進(jìn)行納米二氧化硅/聚四氟乙烯(SiO2/PTFE)乳液浸漬整理，改善了過濾材料的耐磨性及過濾效率；周冠辰等[6]通過對玄武巖/聚苯硫醚復(fù)合過濾材料進(jìn)行聚四氟乙烯(PTFE)乳液浸漬整理，可減小過濾材料的孔徑，提高其過濾效率；Park等[7]對玻璃墊進(jìn)行聚四氟乙烯泡沫涂覆實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)PTFE可減小玻璃墊的孔徑，提高其過濾效率，提高熱穩(wěn)定性。

納米陶瓷粉因其比表面積大，吸附性強(qiáng)[8]，添加發(fā)泡涂層劑后，不僅可提升發(fā)泡效果，同時(shí)對過濾材料的耐摩擦性、過濾性及清灰性能有一定提升。本文以PTFE乳液為涂層劑主要原料，同時(shí)添加定量的發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、增稠劑以及少量納米陶瓷粉，將配置好的發(fā)泡整理涂層劑均勻涂覆在芳綸過濾材料表面，觀察整理前后芳綸過濾材料的耐化學(xué)性能、耐高溫穩(wěn)定性、耐磨性、過濾性能及清灰能力等的變化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

芳綸針刺過濾材料，江蘇奧凱環(huán)境技術(shù)有限公司；聚四氟乙烯乳液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%)，湖北聚氟化工科技有限公司；十二烷基硫酸鈉，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；羥乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素，山東優(yōu)索化工科技有限公司；有機(jī)硅改性丙烯酸酯，湖北新四海化工股份有限公司；遠(yuǎn)紅外陶瓷粉，直徑為 5 μm，清遠(yuǎn)銘仁生物科技有限公司；羥基硅油，濟(jì)南興飛隆化工有限公司。

1.2 主要儀器

DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，上海東璽制冷儀器設(shè)備有限公司；JJ-1型電動攪拌器，常州博遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)分析儀器廠；JSM-IT300型掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社；LUMOS型紅外光譜儀，德國布魯克公司；MPC-15 KβX型孔徑測試儀，寧波紡織儀器廠；SDS-100型接觸角測量儀，寧波普瑞思儀器科技；TSI8130型自動濾料測試儀，美國SI公司；YG401C型馬丁代爾耐磨起球測試儀、YG461E-I型無紡布透氣量測試儀，寧波大禾儀器有限公司)。

1.3 PTFE發(fā)泡涂層劑的制備

配制200 g發(fā)泡涂層劑：依次稱量40 g PTFE乳液，20 g有機(jī)硅改性丙烯酸酯及6 g羥基硅油，磁力攪拌至充分混合。然后稱取4 g發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉、3 g穩(wěn)泡劑羥乙基纖維素和1 g增稠劑羥丙基甲基纖維素，并取126 g去離子水于三頸瓶中，采用機(jī)械攪拌器低速攪拌至充分溶解；將配制好的聚四氟乙烯乳液、有機(jī)硅改性丙烯酸酯和羥基硅油混合溶液緩緩加入三頸瓶；調(diào)節(jié)攪拌速度至1 600 r/min，攪拌30 min直至完全發(fā)泡，制得PTFE發(fā)泡涂層液。

1.4 陶瓷粉發(fā)泡劑的配制

配置方法同1.3節(jié)，稱取一定量的陶瓷粉，置于發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉、穩(wěn)泡劑羥乙基纖維素和增稠劑羥丙基甲基纖維素溶液中，將配制的聚四氟乙烯溶液緩緩倒入其中，機(jī)械攪拌直至完全發(fā)泡，制得陶瓷粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1.0%的2種陶瓷粉發(fā)泡涂層劑。

1.5 涂層芳綸過濾材料的制備

取適量配制好的PTFE涂層劑和2種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的陶瓷粉發(fā)泡涂層劑均勻涂覆在芳綸過濾材料表面，用壓輥擠壓涂層后的過濾材料，如此反復(fù)2次涂層實(shí)驗(yàn)，然后以80 ℃溫度預(yù)烘3 min，將溫度調(diào)至140 ℃直至涂層的芳綸過濾材料烘干，制得3種涂層后的過濾材料及未整理的芳綸過濾材料。

1.6 涂層前后耐磨性能測試

參照GB/T 6529—2008《紡織品 調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》、GB/T 8170—2008《數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的標(biāo)示和判定》，將試樣裁剪為直徑為40 mm的圓形試樣，通過調(diào)節(jié)摩擦次數(shù)，測試摩擦前后的質(zhì)量差[9-10]，以表征樣品的耐磨性。

1.7 過濾材料的形貌觀察

將4種過濾材料進(jìn)行鍍金處理，采用掃描電子顯微鏡觀察涂層前后表面形貌[12]。

1.8 過濾材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)測試

采用紅外測試儀對4種過濾材料進(jìn)行紅外測試，觀察4種過濾材料紅外波譜圖，掃描范圍為4 000～500 cm-1。

1.9 過濾材料接觸角測試

在25 ℃條件下，用進(jìn)樣器取適量溶液，旋轉(zhuǎn)進(jìn)樣器針頭使水、酸、堿3種液滴垂直滴落在樣品上，穩(wěn)定后按切線擬合測量測試其靜態(tài)接觸角。

1.10 過濾材料透氣性能測試

參照ASTMD 737—2018《紡織品透氣性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，ISO 9237—1995《紡織品 織物透氣性的測定》，選取面積為25 cm2的試樣放入透氣量測試儀上，測試整理前后過濾材料的透氣性大小[11-12]。

1.11 過濾材料孔徑測試

參照GB/T 32361—2015《分離膜孔徑測試方法 泡點(diǎn)和平均流量法》，將4種不同整理的過濾材料裁剪為面積為100 cm2的圓形[13]，測得其孔徑大小。

1.12 過濾材料過濾效率測試

采用自動濾料測試儀對所有試樣進(jìn)行靜態(tài)過濾性能測試，樣布為直徑為15 cm的圓，流量為85 L/min，記錄4種過濾材料對6種粒徑顆粒(0.3、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 μm)的過濾效率。

2 結(jié)果與分析

2.1 耐磨性能分析

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米陶瓷涂層液處理的芳綸過濾材料耐磨性測試結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，芳綸纖維其自身耐磨性能就很好，未涂層的芳綸過濾材料被摩擦2 000次后，其質(zhì)量基本無變化，當(dāng)摩擦次數(shù)達(dá)到5 000時(shí)，其質(zhì)量會有少量減少。涂層后的芳綸過濾材料摩擦次數(shù)相同時(shí)，其質(zhì)量損失基本相同，且可忽略不計(jì)。整體而言，涂層后的芳綸過濾材料其耐磨性能會有提升，且耐磨性能優(yōu)異。同時(shí)納米陶瓷粉比表面積大，其吸附性能很強(qiáng)，因此可有效提高材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。

表1 不同摩擦次數(shù)時(shí)芳綸過濾材料的質(zhì)量差
Tab.1 Mass difference of aramid filter atdifferent friction timesg

過濾材料0次1 000次2 000次5 000次未涂層5.395.385.365.33PTFE涂層6.516.516.506.500.5%陶瓷粉涂層6.886.886.876.871.0%陶瓷粉涂層6.516.516.506.49

2.2 表面形貌分析

圖1為不同涂層劑下芳綸過濾材料的掃描電鏡照片?？芍?，未涂層芳綸過濾材料可很明顯地看到纖維之間的纏結(jié)，表面孔隙較多；涂層后，纖維表面形成了一層致密的膜狀物，有效地減少了纖維間的孔隙；且隨著陶瓷粉的加入，發(fā)泡液發(fā)泡效果會提升，泡沫涂層液更加均勻且穩(wěn)定，涂層后形成的薄膜效果更優(yōu)異。

圖1 涂層前后芳綸過濾材料掃描電鏡照片(×500)Fig.1 SEM images of aramid filter before and after coating(×500).(a)Uncoated aramid filter; (b) PTFE coating; (c) 0.5% ceramic powder coating; (d) 1.0% ceramic powder coating

2.3 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

圖2 涂層前后芳綸的紅外光譜圖Fig.2 Infrared specta of aramid filter before and after coating

涂層處理后，芳綸過濾材料在2 918 cm-1處的—CH2—反對稱伸縮峰會減弱甚至消失，這是因?yàn)橥繉雍笤谶^濾材料表面形成一層薄膜，削弱了其吸光度。PTFE涂層整理與未涂層過濾材料譜圖相比，在1 250 cm-1處出現(xiàn)—CF2—基團(tuán)的反對稱伸縮振動峰，表明聚四氟乙烯乳液涂覆在過濾材料表面。添加陶瓷粉與PTFE涂層整理的過濾材料相比，在1 180 cm-1處出現(xiàn)Si—O伸縮振動吸收峰，在778 cm-1處出現(xiàn)Si—O—Si的彎曲振動吸收峰，說明涂層后陶瓷粉粘附于過濾材料表面。隨著陶瓷粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，過濾材料紅外光譜中Si—O伸縮振動吸收峰越強(qiáng)，涂層后過濾材料表面的陶瓷粉含量越多。

2.4 接觸角分析

圖3～5分別示出4種過濾材料與水、酸、堿的接觸角。

圖3 不同整理過濾材料拒水接觸角Fig.3 Water repellent contact angles of different finishing samples. (a)Uncoated aramid filter; (b) PTFE coating; (c) 0.5% ceramic powder coating; (d) 1.0% ceramic powder coating

圖4 不同整理過濾材料的拒酸接觸角Fig.4 Acid-repellent contact angles of different finishing samples. (a)Uncoated aramid filter; (b) PTFE coating; (c) 0.5% ceramic powder coating; (d) 1.0% ceramic powder coating

圖5 不同整理過濾材料拒堿接觸角Fig.5 Alkali-repellent contact angles of different finishing samples. (a)Uncoated aramid filter; (b) PTFE coating; (c) 0.5% ceramic powder coating; (d) 1.0% ceramic powder coating

可知：未涂層芳綸過濾材料的拒水效果比較好，接觸角為124.5°，涂層整理后拒水效果有所改善；未涂層芳綸材料基本不拒酸堿，其拒酸接觸角為15.6°，拒堿接觸角為13.9°，酸堿液滴接觸過濾材料后幾乎立即滲透進(jìn)去，PTFE涂層后芳綸過濾材料的酸堿接觸角有明顯改善，與酸接觸角為122.5°，與堿接觸角為122.7°，這是因?yàn)橥繉雍笤谶^濾材料表面形成了一層致密的薄膜；添加納米陶瓷粉后，可提升涂層液發(fā)泡效果，使涂層效果更好，進(jìn)一步提高其拒酸堿性。由于涂層后拒水、拒酸堿性良好，濾袋在使用過程中可有效地減少糊袋，改善其清灰性及使用壽命。

2.5 透氣性能分析

表2示出涂層前后芳綸過濾材料透氣性?？梢钥闯觯季]過濾材料經(jīng)泡沫整理后，透氣性較原芳綸過濾材料會有所下降，這是因?yàn)榕菽硎菍⑴菽繉右和扛苍诜季]過濾材料表面，泡沫破裂后，整理液均勻地覆蓋在過濾布表面形成一層薄膜，使纖維之間的孔隙減少，透氣性下降。隨著陶瓷粉的添加量增加，過濾材料的透氣性會稍微下降，添加納米陶瓷粉后，其發(fā)泡效果更好，涂覆于芳綸過濾布時(shí)涂層更加致密，其孔隙會減少，因此，透氣性會降低，但可更好地提升其過濾效率。

表2 涂層前后芳綸過濾材料透氣性Tab.2 Air permeability of aramid filter before and after coating mm/s

2.6 孔徑分析

不同配比涂層液涂覆后的過濾材料其孔徑大小如表3所示?？芍?，芳綸過濾材料平均孔徑在23.4 μm左右，這是因?yàn)榉季]針刺過濾材料面密度較大，纖維之間相互纏結(jié)緊密。涂層后的芳綸過濾材料的孔徑會減小，且隨著陶瓷粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，芳綸過濾材料的孔徑會逐漸降低，涂層液在芳綸過濾材料表面形成一層致密的薄膜，可有效地減少過濾材料表面的孔徑大小。納米陶瓷粉可改善涂層液發(fā)泡效果，隨著陶瓷粉的加入其孔徑變小。孔徑越小，過濾材料對高溫氣體的過濾效率也越好。

表3 涂層前后孔徑測試結(jié)果Tab.3 Pore size test results before and after coating μm

2.7 過濾效率分析

圖6示出過濾材料對不同粒徑顆粒物的過濾效率。可知，對于不同粒徑顆粒物，過濾材料過濾效率不同，且過濾效率隨顆粒物粒徑的增大而提高。當(dāng)顆粒物粒徑在2 μm以上時(shí)，涂層后芳綸過濾材料的過濾效率在80%以上；涂層后過濾材料的過濾效率明顯比原過濾材料高，在粒徑為1 μm時(shí)，涂層后過濾材料過濾效率達(dá)到60%左右，而原樣只有39.1%；在顆粒物直徑達(dá)到10 μm時(shí)，涂層后過濾材料基本達(dá)到100%。且隨著少量陶瓷粉的加入其過濾效率有一定提升，充分說明了涂層整理可有效提升芳綸過濾材料過濾效率。

圖6 過濾材料對不同粒徑顆粒物的過濾效率Fig.6 Filtration efficiency of filter materials for particles of different particle sizes

3 結(jié) 論

1)未涂層的芳綸過濾材料的面密度低，纖維間距大且分布不均勻，透氣性好，平均孔徑大，過濾材料的過濾效率相對較低，且易吸收酸堿性液滴，容易造成糊袋。

2)聚四氟乙烯泡沫涂層后，芳綸過濾材料表面形成一層薄膜，可有效提高過濾材料耐磨性，減小孔徑，降低透氣性并提升過濾性能，且拒酸堿能力提升，有效減少糊袋，便于清灰增加其使用壽命。

3)添加納米陶瓷粉后可有效提升發(fā)泡效果，涂層后形成的薄膜更加致密而穩(wěn)定。隨著陶瓷粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，芳綸過濾材料的耐摩擦性、拒酸堿性、過濾性能都有一定提升。當(dāng)納米陶瓷粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，透氣量下降了168.9 mm/s；最大孔徑由62.6 μm減小到31.2 μm，平均孔徑為12.5 μm；其耐摩擦性優(yōu)異，摩擦5 000次后過濾材料表面基本無變化，且質(zhì)量基本不變；對2 μm以上顆粒物過濾效率達(dá)到80%以上，對10 μm以上顆粒物過濾效率基本達(dá)到100%。

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