趙國(guó)棟，孫 哲，楊 乾，馬曉燕，蘇未寅，惠嵐峰

(天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457)

機(jī)油濾清器能夠保證機(jī)油清潔，避免發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[1].隨著節(jié)能和環(huán)保要求的不斷提升，以及汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)機(jī)油濾清器更換里程數(shù)的要求逐漸提高，即對(duì)機(jī)油濾紙納污容量的要求越來(lái)越高[2].但是，國(guó)內(nèi)機(jī)油濾紙絕大部分被進(jìn)口產(chǎn)品占據(jù)，國(guó)產(chǎn)濾紙所占的市場(chǎng)份額很少，且普遍存在納污容量偏低、使用壽命偏短的缺陷.

機(jī)油濾紙的納污容量取決于濾紙內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)，影響濾紙空隙結(jié)構(gòu)的因素包括所用纖維原料的類型[3]、纖維原料的打漿度以及纖維間的配抄比例[4].其中機(jī)油濾紙常用的纖維原料有植物纖維[5](針葉木、闊葉木、麻類、棉短絨以及絲光化的針葉木纖維)、合成纖維[6](聚酯纖維、芳綸纖維和聚丙烯纖維)、無(wú)機(jī)纖維(玻璃纖維和硅酸鹽纖維)；纖維原料的打漿度和配抄比例根據(jù)濾紙所需過(guò)濾性能的要求而定.

本文首先針對(duì)幾種不同的針葉木纖維原料，通過(guò)纖維分析以及單獨(dú)成紙后物理性能的分析，篩選出性能優(yōu)異的針葉木纖維原料，然后對(duì)所選原料進(jìn)行輕微打漿處理[7]，接著在所選針葉木纖維的基礎(chǔ)上，配抄絲光化纖維、聚酯纖維以及玻璃纖維，通過(guò)分析濾紙?jiān)埖耐笟舛?、勻度以及孔徑性能，確定了不同纖維間的配抄比例，制備得機(jī)油濾紙?jiān)?，最后將所得濾紙?jiān)堖M(jìn)行浸漬固化處理，得到自制機(jī)油濾紙，并與用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的市售商品機(jī)油濾紙進(jìn)行了比較.

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

FHP、北極光、阿拉巴馬以及玫瑰河 4種不同品牌的針葉木纖維(以下簡(jiǎn)稱針1、針2、針3、針4)、玻璃棉、市售機(jī)油濾紙(用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī))，山東萬(wàn)豪紙業(yè)有限公司提供；絲光漿，實(shí)驗(yàn)室自制(選用銀星牌針葉木纖維，處理?xiàng)l件為氫氧化鈉濃度5mol/L、溫度為室溫、時(shí)間 60min，僅采用該絲光漿抄造定量155g/m2的機(jī)油濾紙?jiān)?，該原紙的透氣度?50L/(m2·s))；聚酯(PET)纖維，纖度 1.5、長(zhǎng)度6mm，山東濱州龍峰化纖制品有限公司提供；聚氧化乙烯(PEO，平均相對(duì)分子質(zhì)量 400萬(wàn))，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；碳粉，購(gòu)于鑫耐金屬材料有限公司.

2505型 Valley打漿機(jī)，日本 KPK株式會(huì)社；0701N014型PFI磨漿機(jī)，RK-ZA-KWT型快速紙頁(yè)成型器，奧地利 PTI公司；JH-GZQ型平板干燥器，東莞貝克檢測(cè)設(shè)備有限公司；Fiber Tester 912型纖維分析儀、051970243型厚度測(cè)定儀、991739型抗張強(qiáng)度測(cè)定儀、969920型耐破強(qiáng)度測(cè)定儀、9596-01型挺度測(cè)定儀，瑞典 L&W 公司；YG461E型透氣度測(cè)定儀，中國(guó)寧波紡織廠；Porolux 100型毛細(xì)流孔徑儀，比利時(shí) PorometerNV公司；JSM-IT300LV型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；TU-1810型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 針葉木纖維原料的選擇

4種針葉木纖維單獨(dú)疏解后，用PFI磨漿機(jī)分別打漿至15 °SR，然后將磨好的濕漿裝入漿袋，用洗衣機(jī)甩干后，裝入塑封袋內(nèi)放入冰箱，在 4℃條件下保存 24h，進(jìn)行水分平衡；接著取一部分纖維用于纖維分析，剩余纖維疏解后，分別抄造定量 155g/m2的機(jī)油濾紙?jiān)?；原紙?jīng)平板干燥后，放入符合 GB/T 10739—2002《紙、紙板和紙漿試樣處理和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件》要求的恒溫恒濕室(溫度(23±1)℃、相對(duì)濕度(50±2)%)中 4h后，檢測(cè)其性能，并選出一種性能最佳的針葉木纖維作為機(jī)油濾紙的原料[8].

1.2.2 機(jī)油濾紙?jiān)埖某旒靶阅軝z測(cè)

取一定比例的絲光漿與上述選出的最佳針葉木纖維混合疏解，按照工廠濾紙?jiān)埖亩恳?，采用快速紙?yè)成型器抄造155g/m2的濾紙?jiān)?；原紙?jīng)平板干燥后，放入恒溫恒濕室 4h，測(cè)量其性能，確定出絲光漿取代針1纖維的比例；在絲光漿取代針1纖維40%的條件下，繼續(xù)添加一定比例的 PET纖維取代針葉木纖維，進(jìn)行機(jī)油濾紙?jiān)埖某煲约靶阅軝z測(cè)，確定出PET纖維的取代比例；在上述確定的3種纖維的配比下，添加 1%的玻璃棉(所得濾紙?jiān)埖淖畲罂讖健?0μm)以及 0.1%的 PEO[9]，抄造定量155g/m2的濾紙?jiān)?，檢測(cè)其性能.

1.2.3 機(jī)油濾紙?jiān)埖慕n固化及性能檢測(cè)

通過(guò)對(duì)浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和上膠量關(guān)系的探究，確定將上述所得濾紙?jiān)埥n于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 7.2%的熱固性酚醛樹(shù)脂甲醇溶液中 10s，使得原紙的上膠量為25%(所得濾紙的總定量在 194g/m2左右)，取出濾紙，先放入80℃烘箱中干燥，再放入160℃烘箱中固化11min，最后檢測(cè)濾紙的性能[10].

1.2.4 機(jī)油濾紙過(guò)濾性能的測(cè)試

參照J(rèn)B/T 5089.3—2010《內(nèi)燃機(jī)·紙質(zhì)濾芯機(jī)油濾清器·第 3部分：試驗(yàn)方法》中的計(jì)重法測(cè)量機(jī)油濾紙的過(guò)濾效率和納污容量.將 450、600、1000、2500目的碳粉配制成一系列濃度的懸浮液，測(cè)其吸光度，擬合濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線；將 4種碳粉分別配制成質(zhì)量濃度為 0.5g/L的懸浮液 1L，在 40℃超聲分散器中分散 10min，同時(shí)將機(jī)油濾紙裁成直徑4cm 的小圓片，放在砂芯漏斗上，組裝好抽濾裝置，倒入懸浮液開(kāi)始抽濾；當(dāng)真空泵表上顯示的真空度在初始真空度下增加 0.07MPa時(shí)停止抽濾.通過(guò)測(cè)量過(guò)濾后懸浮液的吸光度得到過(guò)濾后懸浮液的質(zhì)量濃度，代入式(1)計(jì)算過(guò)濾效率(指含雜的濾料通過(guò)濾紙時(shí)，被截留的顆粒數(shù)占原有顆粒數(shù)的百分比).通過(guò)稱量過(guò)濾前后機(jī)油濾紙的質(zhì)量，算出差值，得出機(jī)油濾紙的納污容量.

式中：η為過(guò)濾效率；ρ0為過(guò)濾前懸浮液的質(zhì)量濃度，g/L；ρ1為過(guò)濾后懸浮液的質(zhì)量濃度，g/L.

2 結(jié)果與討論

2.1 針葉木纖維原料對(duì)濾紙?jiān)埿阅艿挠绊?/h3>

針葉木纖維原料的纖維特性見(jiàn)表1.從表1可以看出：針 1、針 3纖維的長(zhǎng)度較長(zhǎng)、寬度較寬，但是針1纖維中細(xì)小纖維含量比針3纖維的低、扭結(jié)指數(shù)比針3纖維的大，說(shuō)明針1纖維比針3纖維更加柔軟；針2和針4纖維的長(zhǎng)度、寬度以及細(xì)小纖維含量都接近，但是針4纖維的扭結(jié)指數(shù)大，說(shuō)明針4纖維比針2纖維更加柔軟.

表1 纖維原料的特性Tab.1 Characteristics of fiber raw materials

4種針葉木纖維所得濾紙?jiān)埖哪推浦笖?shù)和透氣度結(jié)果如圖1所示.由圖1可知：針1纖維成紙的耐破指數(shù)居中，且與針2和針3纖維成紙的耐破指數(shù)相差不大；針 1纖維成紙的透氣度最大，且遠(yuǎn)大于其他纖維成紙的透氣度.這是因?yàn)樵埬推浦笖?shù)的大小主要取決于纖維間的結(jié)合強(qiáng)度以及纖維自身的長(zhǎng)度.針 1纖維的扭結(jié)指數(shù)較大，細(xì)小纖維含量較少，纖維結(jié)合成紙時(shí)纖維間的接觸面積減少，所得濾紙?jiān)埥Y(jié)構(gòu)疏松、透氣度最大、結(jié)合強(qiáng)度較差；針 1纖維長(zhǎng)度最大，使得濾紙?jiān)埬推浦笖?shù)適中.綜合考慮 4種針葉木纖維自身特性以及抄造所得濾紙?jiān)埖哪推浦笖?shù)和透氣度，選擇針1纖維抄造濾紙?jiān)?

圖1 針葉木纖維種類對(duì)原紙耐破指數(shù)和透氣度的影響Fig.1 Effect of different kinds of softwood fiber on bursting index and air permeability of base paper

2.2 濾紙?jiān)埖某旒靶阅軝z測(cè)

2.2.1 絲光漿取代針 1纖維的比例對(duì)濾紙?jiān)埿阅艿挠绊?/p>

單獨(dú)采用針 1纖維制備的機(jī)油濾紙?jiān)埖耐笟舛忍?，難以滿足高納污容量的要求，因此在原紙定量 155g/m2不變的條件下，添加絲光漿取代部分針 1纖維混抄濾紙?jiān)?，探究絲光漿的取代比例對(duì)濾紙?jiān)埿阅艿挠绊?，結(jié)果如圖2所示.

圖2 絲光漿取代針1纖維的比例對(duì)原紙性能的影響Fig.2 Effect of proportion of mercerized pulp instead of softwood fiber 1 on properties of base paper

由圖2可知：隨著絲光漿取代量的增加，濾紙?jiān)埖耐笟舛扰c最大孔徑、平均孔徑不斷增大；緊度和抗張指數(shù)、耐破指數(shù)以及勻度不斷減小.原因是絲光化纖維中充當(dāng)填充物的細(xì)小纖維的含量減少，纖維表面變得光滑，纖維形狀由扁平帶狀變成光滑柱狀，而且長(zhǎng)度變得更加均一化[11].絲光化纖維取代針葉木纖維交織成紙時(shí)，纖維間的接觸面積變小，結(jié)合力減弱，導(dǎo)致原紙透氣度、孔徑增大，緊度、抗張指數(shù)和耐破指數(shù)減小，同時(shí)絲光化纖維的卷曲、扭結(jié)指數(shù)變大，纖維更加柔軟，容易絮聚成團(tuán)，隨著絲光漿取代量的增加會(huì)導(dǎo)致濾紙勻度下降[12].當(dāng)絲光漿取代量為40%時(shí)，原紙的勻度和透氣度較好，因此確定絲光漿取代針1纖維的比例為40%.

2.2.2 PET纖維取代針 1纖維的比例對(duì)濾紙?jiān)埿阅艿挠绊?/p>

在上述確定的絲光漿取代量 40%的條件下，繼續(xù)添加 PET纖維來(lái)取代針 1纖維，抄造定量155g/m2的濾紙?jiān)?，探究PET纖維的取代量對(duì)濾紙?jiān)埿阅艿挠绊懀Y(jié)果如圖3所示.

圖3 PET纖維取代針1纖維的比例對(duì)原紙性能的影響Fig.3 Effect of proportion of PET fiber instead of softwood fiber 1 on properties of base paper

由圖3可知：隨著PET纖維取代量的增加，濾紙?jiān)埖耐笟舛纫约白畲蟆⑵骄讖讲粩嘣龃?；緊度和抗張指數(shù)、耐破指數(shù)以及勻度不斷減小.這是因?yàn)镻ET纖維挺直、光滑，纖維表面沒(méi)有羥基無(wú)法與植物纖維形成氫鍵結(jié)合，導(dǎo)致成紙結(jié)構(gòu)疏松，透氣度、孔徑增大，抗張指數(shù)和耐破指數(shù)、緊度降低；同時(shí) PET纖維表面沒(méi)有親水性基團(tuán)，PET纖維的密度大于水，在水中容易沉淀，發(fā)生纏繞、絮聚成團(tuán)，隨著漿料中PET纖維的不斷增加，導(dǎo)致濾紙?jiān)埖膭蚨认陆礫13].當(dāng) PET纖維的取代量為 40%時(shí)，原紙勻度較好，最大孔徑為 72.3μm，略大于工廠對(duì)于最大孔徑的要求(≤70μm)，透氣度為 577L/(m2·s)，遠(yuǎn)大于工廠對(duì)于透氣度的要求((400±50)L/(m2·s))，而且濾紙?jiān)埖淖畲罂讖娇梢酝ㄟ^(guò)添加部分玻璃棉來(lái)降低，因此確定 PET纖維取代針1纖維的比例為 40%.此時(shí)針 1纖維與絲光化纖維以及 PET纖維的配抄比例為20%、40%、40%.

2.3 原紙浸漬前后的形貌分析

原紙浸漬前后的掃描電鏡結(jié)果如圖4所示.由圖4可知：原紙中纖維的表面比較光滑，多種纖維相互交錯(cuò)呈現(xiàn)出豐富的孔隙結(jié)構(gòu)；浸漬后的濾紙纖維表面包覆著大量的酚醛樹(shù)脂，纖維表面變得有些粗糙，同時(shí)纖維間也有部分酚醛樹(shù)脂交織成膜，但濾紙仍然呈現(xiàn)出較清晰的孔隙結(jié)構(gòu).原因是酚醛樹(shù)脂是一種熱固性樹(shù)脂，在溫度至 85℃時(shí)，達(dá)到凝膠點(diǎn)，開(kāi)始凝結(jié)交聯(lián)，形成三維結(jié)構(gòu).此三維結(jié)構(gòu)主要是將纖維間的交錯(cuò)點(diǎn)進(jìn)行黏合，起到固定和增強(qiáng)的作用，而基本不會(huì)堵塞纖維間交織形成的空隙結(jié)構(gòu)，浸漬后的濾紙仍然可以保持優(yōu)良的過(guò)濾性能[14].

圖4 原紙浸漬前后的掃描電鏡圖Fig.4 Scanning electron microscopy of base paper before and after impregnation

2.4 自制機(jī)油濾紙與商品機(jī)油濾紙的比較

自制濾紙與商品濾紙的性能見(jiàn)表2，其中接觸角以水為介質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，用于反映濾紙的憎水性.由表2可知，自制機(jī)油濾紙和商品機(jī)油濾紙相比：定量幾乎相同，松厚度略提高 5%、耐破指數(shù)提高 21%、透氣度提高30%、接觸角提高20%；最大孔徑和平均孔徑分別略高 5%和 2%(稍差于商品機(jī)油濾紙)、挺度略低6%.

表2 自制濾紙與商品濾紙的性能Tab.2 Performance of lab-made filter paper and commercial filter paper

自制濾紙和商品濾紙的熱重曲線如圖5所示.由圖5可知：自制機(jī)油濾紙和商品機(jī)油濾紙的分解溫度分別為 322.26℃和 319.3℃，達(dá)到終止溫度時(shí)，殘?zhí)苛糠謩e為 35.48%和 30.16%.自制機(jī)油濾紙的分解溫度和殘?zhí)苛烤哂谏唐窓C(jī)油濾紙.

圖5 自制濾紙和商品濾紙的熱重曲線Fig.5 Thermogravimetric curves of lab-made filter paper and commercial filter paper

兩種紙樣的熱分解具體可分為4個(gè)階段：第一階段溫度從38℃到120℃，此階段主要為水分的蒸發(fā)，TG曲線失重速率較大；第二階段溫度從 121℃到260℃，此階段為預(yù)炭化，纖維化學(xué)組分部分開(kāi)始發(fā)生變化，少量的不穩(wěn)定組分開(kāi)始分解為低分子化合物，TG曲線失重速率變得很??；第三階段溫度從261℃到 495℃，此階段為炭化，纖維素等劇烈分解，不斷脫除易揮發(fā)物質(zhì)，留下碳素殘?jiān)琓G曲線陡峭、失重速率急增；第四階段溫度從 496℃到 587℃，為穩(wěn)定階段，酚醛樹(shù)脂在高溫?zé)峤膺^(guò)程中生成質(zhì)地堅(jiān)實(shí)、耐熱的玻璃狀炭體，TG曲線失重速率明顯減小[15].

自制機(jī)油濾紙與商品機(jī)油濾紙的過(guò)濾效率與納污容量見(jiàn)表3.

表3 自制濾紙與商品濾紙的過(guò)濾效率與納污容量Tab.3 Filtration efficiency and contaminant capacity of lab-made filter paper and commercial filter paper

隨著碳粉目數(shù)的增大，機(jī)油濾紙的過(guò)濾效率和納污容量都在減小，而且自制機(jī)油濾紙對(duì)4種碳粉的過(guò)濾效率均小于商品機(jī)油濾紙，但差距較小，平均值僅為 5%左右；自制機(jī)油濾紙對(duì) 4種碳粉的納污容量均大于商品機(jī)油濾紙，差距較大，平均值為 23%左右.原因是碳粉目數(shù)大，碳粉粒徑則小，過(guò)濾時(shí)，會(huì)有更多的小顆粒碳粉穿過(guò)機(jī)油濾紙，使得濾紙所攔截的碳粉質(zhì)量減小，過(guò)濾效率減?。贿^(guò)濾相同濃度的碳粉懸浮液時(shí)，小顆粒的碳粉體積較小，則其微粒數(shù)量就多，過(guò)濾時(shí)吸附在濾材上的小顆粒碳粉的數(shù)量就多，而且小顆粒的碳粉對(duì)于阻力提升的影響更大[16]，所以過(guò)濾小顆粒碳粉時(shí)的納污容量就小.

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)纖維分析以及抄片后濾紙?jiān)埖男阅軝z測(cè)，選擇采用 FHP針葉木纖維抄造濾紙?jiān)?為了提高機(jī)油濾紙的納污容量，添加絲光漿、PET纖維以部分取代 FHP纖維抄造機(jī)油濾紙?jiān)垼Y(jié)合濾紙?jiān)埖耐笟舛?、勻度以及孔徑性能，確定FHP針葉木纖維與絲光化纖維以及 PET纖維的配抄比例為 20%、40%、40%.

(2)自制機(jī)油濾紙和商品機(jī)油濾紙相比，平均納污容量高 23%、透氣度高 30%、耐破指數(shù)高 21%、接觸角高 20%、耐溫性略高，只是挺度略低 6%、平均過(guò)濾效率略低5%左右.