毛顏波 柳靜獻(xiàn) 毛寧

(東北大學(xué)濾料檢測中心 沈陽110004)

*基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0203701)。

0 引言

近年來，大氣污染問題日益突出，工業(yè)生產(chǎn)中排放出的有毒有害氣體、顆粒物是大氣污染的主要源頭。袋式除塵技術(shù)是工業(yè)除塵的重要手段，在鋼鐵鑄造、冶金、垃圾焚燒以及電力等行業(yè)袋式除塵應(yīng)用廣泛[1-2]。濾料作為袋式除塵器的核心部分，其性能優(yōu)劣對除塵效果影響明顯[3-4]。機(jī)織布玻纖覆膜濾料是一種耐高溫過濾材料，一般應(yīng)用在130 ℃以上的高溫工況條件下，能耐260 ℃的高溫，瞬間溫度可耐280 ℃，由于其優(yōu)越的耐熱性能，被認(rèn)為是高溫工況下粉塵捕集的首選濾料[5]。其中玻纖覆膜濾料是在玻纖基布上經(jīng)過不同方式處理, 在基布上覆合一層聚四氟乙烯(PTFE)膜的高效過濾材料, 覆膜玻纖濾料包含了玻璃纖維的伸縮率低、耐高溫和聚四氟乙烯(PTFE)表面光滑、透氣性能好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)勢[6-7]。

現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用表明，機(jī)織布玻纖覆膜濾料耐酸性能、耐折性能及耐屈撓性相對較差。并且，玻璃纖維的微觀結(jié)構(gòu)也顯示出玻璃纖維形貌是圓柱形表面光滑且排列規(guī)則的棒狀結(jié)構(gòu)，因此耐折性能較差[8]。與濾料的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率相比較，玻纖濾料的耐折性能更值得關(guān)注，耐折性能的好壞對濾料使用壽命起著關(guān)鍵的作用[5,9]。嚴(yán)榮樓等[10]對玻纖過濾材料表面采用不同化學(xué)配方處理，結(jié)果表明，濾料表面采取TFB配方處理可以提高濾料耐折性能。許寧等[11]研究模擬了高溫工況下玻纖濾料老化拉伸性能，結(jié)果表明，玻纖濾料具有良好的耐熱性能，高溫老化對玻纖濾料拉伸性能影響不顯著。梁正海等[12]研究了在玻纖濾料表面用納米材料處理后，發(fā)現(xiàn)在濾料表面處理液中添加SiOx納米材料,對濾布的耐折性能有較為明顯的改善作用。因此，研究高溫對玻纖濾料耐折性能影響對其延長使用壽命、降低運(yùn)行成本有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品及制備

本文選取5種機(jī)織布玻纖覆膜濾料作為實(shí)驗(yàn)樣品。實(shí)測每平方米質(zhì)量為600～800 g，2#濾料實(shí)測單位面積質(zhì)量最大，并且透氣性較好。5種濾料的基本特征參數(shù)如表1所示。

表1 5種玻纖濾料基本特征參數(shù)

按《紙和紙板 試樣的采取及試樣縱橫向、正反面的測定》(GB/T 450—2008)規(guī)定取樣，把所取試樣放在符合《紙、紙板和紙漿試樣處理和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件》(GB/T 10739—2002)規(guī)定的大氣條件下處理后切取寬(15±0.1)mm、長度不小于140 mm的經(jīng)、緯向試樣至少各10條，并放在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下進(jìn)行測試。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)主要研究了不同溫度和不同加熱時(shí)間老化對機(jī)織布玻纖覆膜濾料耐折性能的影響。在固定加熱時(shí)間條件下，探究了在不同的高溫作用下，機(jī)織布玻纖覆膜濾料耐折性能的變化情況。在固定加熱溫度條件下，探究了在不同的加熱時(shí)間，機(jī)織布玻纖覆膜濾料耐折性能的變化情況，并對實(shí)驗(yàn)濾料進(jìn)行傅里葉紅外光譜分析，具體實(shí)驗(yàn)條件見表2。實(shí)驗(yàn)儀器為耐折度儀和Tensor27傅立葉變換紅外光譜儀。

表2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)樣品的測試和計(jì)算按《紙和紙板耐折度的測定(MIT耐折度儀法)》(GB/T 2679.5—1995)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)步驟為：將按《紙和紙板 試樣的采取及試樣縱橫向、正反面的測定》(GB/T 450—2008)制取的寬15 mm、長140 mm的實(shí)驗(yàn)樣品垂直夾于折疊頭兩夾具之間，測試選取的彈簧張力為14.72 N，將彈簧張力指針調(diào)至該數(shù)值進(jìn)行測試。耐折度測試的折疊角度為135°，開始測試直至試樣折斷為止，記下顯示屏所顯示的耐折次數(shù)。重復(fù)上面實(shí)驗(yàn)程序，經(jīng)緯向各測試10條試樣。通常用耐折度來衡量濾料的耐折性能，耐折度的計(jì)算公式如下：

N=log10L

(1)

Lave=(L1+L2+…+Ln)/n

(2)

Nave=10Lave

(3)

式中，N為耐折次數(shù)，L為耐折度，Nave為平均耐折次數(shù)，Lave為平均耐折度，L1、L2、…、Ln為試樣1、2、…、n的耐折度。

將不同條件高溫老化后的試樣進(jìn)行紅外光譜分析，并對得到的紅外光譜圖及數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。并探究耐折次數(shù)與玻纖官能團(tuán)所在頻段內(nèi)對應(yīng)的透光率的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1固定加熱時(shí)間，溫度對玻纖濾料耐折性能影響

設(shè)定高溫加熱時(shí)間為12 h，探究烘箱溫度對濾料耐折性能影響。由于玻纖濾料一般在130 ℃以上高溫工況下使用，并且瞬時(shí)可耐280 ℃，因此，分別調(diào)整加熱溫度為120 ℃、170 ℃、220 ℃和270 ℃，在各溫度下將試樣放置在烘箱12 h后，取出進(jìn)行耐折度測試，結(jié)果見圖1、圖2。

(a)耐折次數(shù)隨溫度變化

(b)耐折度隨溫度變化

(a)耐折次數(shù)隨溫度變化

(b)耐折度隨溫度變化

根據(jù)圖1和圖2可以看出，在加熱時(shí)間為12 h時(shí)，5種玻纖濾料的經(jīng)向耐折次數(shù)與緯向耐折次數(shù)都隨著溫度的升高而顯著降低，相應(yīng)，耐折度也隨之減少。其中，2#玻纖濾料具有較好的經(jīng)向耐折性能，當(dāng)加熱溫度從120 ℃升至270 ℃時(shí)，經(jīng)向耐折次數(shù)下降率為54.3%，耐折度降低0.34。1#玻纖濾料耐折度隨時(shí)間變化不明顯，相比耐折性能較差，加熱溫度為270 ℃時(shí)，其經(jīng)向和緯向耐折次數(shù)僅為789次和775次。3#濾料的緯向耐折性能相比其他4種濾料，具有優(yōu)越的耐折性能，加熱溫度為120 ℃，耐折次數(shù)可達(dá)35 042次，溫度升至270 ℃時(shí)，耐折次數(shù)下降率為48.2%。這說明，高溫作用會(huì)對玻纖濾料耐折性能產(chǎn)生影響，溫度越高，耐折次數(shù)下降越明顯。

2.2固定加熱溫度，不同加熱時(shí)間對玻纖濾料耐折性能影響

玻纖濾料的極限溫度可達(dá)270 ℃，并且溫度越高，耐折次數(shù)變化更為明顯，故將烘箱溫度設(shè)定為230 ℃，在加熱10 h、36 h、60 h和84 h后，進(jìn)行耐折度測試，結(jié)果見圖3、圖4。

從圖3和圖4可以看出，在230 ℃下，隨著玻纖濾料在烘箱中加熱的延長，濾料的經(jīng)向與緯向耐折次數(shù)呈下降趨勢，濾料耐折度顯著降低。在加熱時(shí)間為10 h時(shí)，經(jīng)向耐折次數(shù)排序?yàn)椋?#>5#>4#>3#>1#,5種濾料耐折次數(shù)相差不大，均在同一數(shù)量級(jí)，2#經(jīng)向耐折性能最好，但加熱84 h后耐折次數(shù)下降率也是最高，為79.3%。相比較，緯向耐折次數(shù)相差較大，3#濾料耐折次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他4種濾料，但其他4種濾料緯向耐折次數(shù)差別不大，5#濾料在這4種濾料中耐折性能最好，2#濾料的緯向耐折次數(shù)下降率仍最高，1#和2#兩種濾料耐折次數(shù)隨溫度變化最為明顯，加熱84 h后耐折次數(shù)下降率是12 h時(shí)的耐折次數(shù)的75%左右。這說明，在高溫氛圍下，玻纖濾料的耐折性能隨著作用時(shí)間的增長而降低，每種濾料的下降幅度存在差異。

(a)耐折次數(shù)隨時(shí)間變化

(b)耐折度隨時(shí)間變化

(a)耐折次數(shù)隨時(shí)間變化

(b)耐折度隨時(shí)間變化

2.3 高溫作用下玻纖濾料紅外光譜分析

通過紅外光譜圖，可以根據(jù)不同的特征峰判斷物質(zhì)具有的官能團(tuán)。圖5為不同溫度下5種玻纖濾料在900～1 200 cm-1頻段內(nèi)的紅外光譜圖。圖6為不同加熱時(shí)間下玻纖濾料在900～1 200 cm-1頻段內(nèi)的紅外光譜圖。從圖5和圖6可以看出，隨著溫度升高、加熱時(shí)間的增加，900～1 200 cm-1頻段的透射率有下降趨勢，且該頻段為玻璃纖維特征峰頻段。

圖5 5種玻纖濾料在不同溫度下900～1 200 cm-1頻段紅外光譜

圖6 5種玻纖濾料在不同加熱時(shí)間下900～1 200 cm-1紅外光譜

從紅外光譜圖可以看出：在900～1 200 cm-1有極強(qiáng)的吸收峰出現(xiàn)，可判斷其峰為玻璃纖維的特征峰頻段。在1 150～1 250 cm-1左右出現(xiàn)的振動(dòng)峰為CF2基團(tuán)反對稱伸縮振動(dòng)和伸縮對稱振動(dòng)，在2 350 cm-1出現(xiàn)的吸收峰為其倍頻峰?？膳袛酁榫鬯姆蚁?PTFE)的吸收振動(dòng)峰。隨著溫度升高，玻璃纖維的特征峰頻段伸縮振動(dòng)減弱、透射率降低，故高溫對玻璃纖維的分子結(jié)構(gòu)也有一定的破壞作用。

從圖5和圖6可以看出，不同溫度下，900～1 200 cm-1頻段的吸收峰變化明顯，即透射率隨溫度變化較為顯著。由于該吸收頻段為玻璃纖維的特征吸收頻段，故從該頻段中選取1 147 cm-1處作為研究點(diǎn)，探究耐折次數(shù)與透射率之間的關(guān)系，為了更好地進(jìn)行對比，將所有的光譜圖進(jìn)行歸一化處理。圖7為5#玻纖覆膜濾料的經(jīng)向與緯向耐折次數(shù)與在1 147 cm-1處經(jīng)歸一化后透射率的線性相關(guān)擬合直線圖。

從圖7線性擬合直線可以看出，5#玻纖覆膜濾料的經(jīng)向和緯向耐折次數(shù)與在1 147 cm-1處的透射率具有明顯線性相關(guān)性，即隨著耐折次數(shù)的減少，透射率也有下降的趨勢。其他4種玻纖覆膜濾料與5#玻纖覆膜濾料有相似的線性擬合關(guān)系。紅外光譜中900～1 200 cm-1頻段內(nèi)每處的耐折次數(shù)與透射率的線性擬合關(guān)系同1 147 cm-1處的一致。這說明，高溫作用對玻璃纖維分子結(jié)構(gòu)有破壞，導(dǎo)致玻纖官能團(tuán)透射率降低，宏觀表現(xiàn)為玻纖濾料性能下降。

(a)經(jīng)向

(b)緯向

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高溫作用下，機(jī)織布玻纖覆膜濾料耐折性能下降明顯。

(1)在120～270 ℃，加熱時(shí)間為12 h條件下，隨著加熱溫度的升高，5種機(jī)織布玻纖覆膜濾料的經(jīng)向和緯向耐折次數(shù)及耐折度呈顯著下降趨勢。其中，2#濾料耐折性能隨溫度升高變化最為明顯，5種濾料緯向耐折性能均好于經(jīng)向。

(2)230 ℃條件下，隨著高溫作用的時(shí)間延長，5種機(jī)織布玻纖覆膜濾料的耐折性能下降明顯。例如，5種濾料加熱84 h較加熱10 h經(jīng)向耐折次數(shù)下降率均超過50%。3#濾料緯向耐折性能最好，且下降率最低。

(3)通過對紅外光譜分析可知，隨著溫度升高和作用時(shí)間的延長，玻璃纖維特征峰頻段所對應(yīng)的透射率呈下降趨勢，即耐折次數(shù)與透射率擬合關(guān)系呈線性正相關(guān)性。這說明，高溫對玻璃纖維的分子結(jié)構(gòu)有破壞，導(dǎo)致耐折性能下降。

(4)實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該考慮高溫條件對機(jī)織布玻纖覆膜濾料耐折性能的影響，防止工作溫度過高，并對濾料進(jìn)行相應(yīng)處理，提高其自身性能。