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        煙氣凈化用針刺濾料耐腐蝕性能研究*

        2021-10-19 05:17:32陳香云張永鋒余梅芳王紫諾郭詠琪
        產(chǎn)業(yè)用紡織品 2021年7期
        關(guān)鍵詞:酸處理面密度美斯

        劉 娜 陳香云 張永鋒 余梅芳 王紫諾 郭詠琪

        1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)輕工與紡織學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010080;

        2. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010051

        隨著大氣污染治理的深入,治理的難度在逐漸加大。近年,為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn),政府部門對(duì)大氣污染物的排放量提出了嚴(yán)格的要求。濾料作為工業(yè)除塵的重要材料,適用于捕集細(xì)小、干燥的非纖維性粉塵。含塵氣體經(jīng)纖維織物的過(guò)濾作用后,較細(xì)小的粉塵在通過(guò)濾料時(shí)被攔截,最終氣體得到凈化[1]。因此,濾料作為控制細(xì)微粉塵排放的一種材料,已經(jīng)被應(yīng)用到水泥、鋼鐵、廢棄物焚燒等各行業(yè)中。

        但由于實(shí)際工況環(huán)境苛刻復(fù)雜,排出的SO2等有害氣體有腐蝕作用[2],這使得大部分濾料在濕度高和腐蝕強(qiáng)的環(huán)境中不能保持其基本性能。因此,為滿足實(shí)際使用需求,一方面需開(kāi)發(fā)出高性能纖維濾料,另一方面可基于濾料的基本性能對(duì)濾料進(jìn)行燒毛、軋光、浸漬、涂層、覆膜等后整理,改善濾料的使用性能。如:Xu等[3]基于高性能聚醚醚酮(PEEK)纖維制備出PEEK非織造布過(guò)濾器,能在硫酸、氫氧化鈉和250 ℃的高溫條件下表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性;廖俠等[4]研究了濾料的厚度、面密度對(duì)透氣性的影響,發(fā)現(xiàn)隨著面密度的增加,濾料的透氣性在下降;崔鑫等[5]研究發(fā)現(xiàn)燒毛、軋光等后整理會(huì)使PPS濾料透氣性降低,但對(duì)濾料強(qiáng)力的影響有限;Han[6]探究發(fā)現(xiàn)涂層、覆膜等后整理會(huì)使濾料的透氣性和孔徑均有所下降,其中PTFE涂層后濾料的斷裂強(qiáng)力提高,但覆膜后濾料的力學(xué)性能變化不大;Yu[7]對(duì)PPS濾料進(jìn)行后處理后發(fā)現(xiàn),濾料厚度減小、質(zhì)量增加且表面結(jié)構(gòu)變得更致密;關(guān)欣等[8]采用聚四氟乙烯乳液對(duì)聚酰亞胺纖維(P84)/超細(xì)玻璃纖維復(fù)合針刺濾料進(jìn)行了表面改性,濾料力學(xué)性能提高。

        本文將研究8種濾料經(jīng)聚四氟乙烯覆膜前后的面密度、厚度及透氣性的變化,對(duì)比硫酸水溶液(pH值=5)、氫氧化鈉水溶液(pH值=9)和去離子水處理后濾料斷裂強(qiáng)力的變化,研究濾料覆膜前后的耐酸堿腐蝕性能的優(yōu)劣。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 材料

        8種濾料分別為玻璃纖維濾料(為便于區(qū)別,覆膜前稱為玻璃纖維針刺濾料、覆膜后稱為玻璃纖維覆膜濾料),玄武巖纖維濾料(覆膜前稱為玄武巖纖維針刺濾料、覆膜后稱為玄武巖纖維覆膜濾料),氟美斯(即玻璃纖維/P84纖維)濾料(覆膜前稱為氟美斯針刺濾料、覆膜后稱為氟美斯覆膜濾料),玄武巖纖維與氟美斯(質(zhì)量比5∶5)復(fù)合濾料(覆膜前稱為玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合針刺濾料、覆膜后稱為玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合覆膜濾料),聚苯硫醚(PPS)纖維濾料(覆膜前稱為PPS纖維針刺濾料、覆膜后稱為PPS纖維覆膜濾料),亞克力(即丙烯腈系纖維)濾料(覆膜前稱為亞克力針刺濾料、覆膜后稱為亞克力覆膜濾料),美塔斯(即芳綸纖維)濾料(覆膜前稱為美塔斯針刺濾料、覆膜后稱為美塔斯覆膜濾料),滌綸濾料(覆膜前稱為滌綸針刺濾料、覆膜后稱為滌綸覆膜濾料),皆由河北鋒淼環(huán)保設(shè)備有限公司提供。

        1.2 儀器

        AGS-X 100KN型精密電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(島津公司)、YG(B)461E型全自動(dòng)織物透氣性能測(cè)試儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)、YG(B)141D型數(shù)字式織物厚度儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)、GZX-9146 MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海博迅實(shí)業(yè)有限公司)、FA2004型分析天平(上海衡平儀器儀表廠)、ZB01B型圓盤(pán)取樣器(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)。

        1.3 測(cè)試

        1.3.1 面密度

        參考GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分:?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量的測(cè)定》和GB/T 4669—2008《紡織品 機(jī)織物 單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測(cè)定》進(jìn)行面密度的測(cè)試。取面積均為100 cm2的圓形試樣5塊,使用分析天平稱取質(zhì)量,結(jié)果取平均值。

        1.3.2 厚度

        根據(jù)GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分:厚度的測(cè)定》進(jìn)行厚度的測(cè)試。設(shè)定施加的壓力為100 cN,壓腳面積為2 000 mm2。每塊試樣分別測(cè)試10個(gè)不同位置,結(jié)果取平均值,精度精確至0.01 mm。

        1.3.3 透氣率

        根據(jù)GB/T 24218.15—2018《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第15部分:透氣性的測(cè)定》進(jìn)行透氣率的測(cè)試。設(shè)定預(yù)調(diào)溫度為(20±2) ℃,預(yù)調(diào)濕度為(65±2)%,壓差為200 Pa,試驗(yàn)圓臺(tái)面積為20 cm2。每種試樣測(cè)量5次,結(jié)果取平均值。

        1.3.4 耐化學(xué)腐蝕性能

        參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第3部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》,先將每種試樣分別放入等體積的硫酸水溶液(pH值=5)、氫氧化鈉水溶液(pH=9)和去離子水中,處理24 h后取出洗凈,直接放入烘箱內(nèi),以2 ℃/min的速率升溫至200 ℃,保溫40 min后取出,放入恒溫恒濕室內(nèi)調(diào)濕24 h;再設(shè)置試樣的夾持距離為20 cm,拉伸速度為100 mm/min,進(jìn)行斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 面密度、厚度及透氣率

        8種濾料覆膜前后的面密度、厚度及透氣率歸納于表1中。

        表1 濾料基本特征參數(shù)

        從表1可以看出:

        (1)8種濾料覆膜后的面密度值略有上下浮動(dòng),增幅在-8.8%~8.0%之間,說(shuō)明聚四氟乙烯覆膜對(duì)濾料面密度的影響較小。

        (2)8種濾料覆膜后的厚度稍有變化,增量在-0.21~0.84 mm,總體來(lái)說(shuō)使用聚四氟乙烯覆膜厚度變化不大。

        (3)8種濾料覆膜后的透氣率較覆膜前均減小。覆膜濾料的透氣率主要由膜的孔徑和覆膜工藝決定。膜的孔徑越小,則濾料的透氣率越小,濾料對(duì)細(xì)微粉塵的阻擋和攔截等效果越好。

        2.2 耐化學(xué)腐蝕性能

        2.2.1 玻璃纖維濾料

        覆膜前后的玻璃纖維濾料的拉伸曲線如圖1所示。1#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為892 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為940 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為840 N;2#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 377 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 417 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 405 N??梢?jiàn):玻璃纖維覆膜濾料的斷裂強(qiáng)力較未覆膜的玻璃纖維針刺濾料有所提高,且玻璃纖維覆膜濾料的耐酸堿性能較玻璃纖維針刺濾料都有所加強(qiáng);覆膜前后的玻璃纖維濾料斷裂伸長(zhǎng)率都在12%以內(nèi),說(shuō)明覆膜前后的玻璃纖維濾料的尺寸穩(wěn)定性都較好,都屬易斷裂型濾料[9]。

        圖1 覆膜前后的玻璃纖維濾料的拉伸曲線

        2.2.2 玄武巖纖維濾料

        覆膜前后的玄武巖纖維濾料的拉伸曲線如圖2所示。

        圖2 覆膜前后的玄武巖纖維濾料的拉伸曲線

        3#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 454 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 558 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 233 N;4#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 971 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 406 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 540 N??梢?jiàn):經(jīng)酸堿處理后,玄武巖纖維覆膜濾料的斷裂強(qiáng)力較未覆膜的玄武巖纖維針刺濾料有所提高,說(shuō)明覆膜后濾料的耐酸堿性能有所加強(qiáng);3#和4#濾料經(jīng)酸處理后的斷裂強(qiáng)力值大于經(jīng)堿處理后的斷裂強(qiáng)力值,這是因?yàn)樾鋷r纖維經(jīng)酸性溶液處理后,Si元素含量?jī)H小幅下降,但經(jīng)堿性溶液處理后,玄武巖纖維網(wǎng)絡(luò)骨架中的Si—O—Si與OH-發(fā)生取代反應(yīng),Si元素被溶解,骨架間的其他成分與結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,進(jìn)而導(dǎo)致纖維網(wǎng)絡(luò)骨架的破壞與斷裂[10-11]。

        2.2.3 氟美斯濾料

        覆膜前后的氟美斯濾料的拉伸曲線如圖3所示。5#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 386 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 438 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 269 N;6#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 230 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 112 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 124 N??梢?jiàn):氟美斯覆膜濾料的斷裂強(qiáng)力比未覆膜的氟美斯針刺濾料低,說(shuō)明覆膜后氟美斯濾料耐酸堿腐蝕性能有所降低;經(jīng)堿處理后的氟美斯濾料的斷裂強(qiáng)力值比經(jīng)酸處理后的斷裂強(qiáng)力值小,這與氟美斯濾料主要由玻璃纖維和P84纖維制成有關(guān),玻璃纖維的主要成分是二氧化硅和氧化鋁等,其中的二氧化硅與氫氧化鈉溶液會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成Na2SiO3,導(dǎo)致玻璃纖維結(jié)構(gòu)被破壞,故氟美斯濾料斷裂強(qiáng)力損失較大。

        圖3 覆膜前后的氟美斯濾料的拉伸曲線

        2.2.4 玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合濾料

        覆膜前后的玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合濾料的拉伸曲線如圖4所示。7#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為644 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為651 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為804 N;8#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 138 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 016 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 037 N??梢?jiàn):玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合覆膜濾料的斷裂強(qiáng)力較未覆膜的玄武巖與氟美斯復(fù)合針刺濾料有明顯提高,且覆膜后的耐酸堿腐蝕性能都有所加強(qiáng);7#和8#濾料斷裂強(qiáng)力較玄武巖纖維濾料、氟美斯濾料都要低,這主要與玄武巖纖維和氟美斯復(fù)合后的濾料結(jié)構(gòu)較松散,內(nèi)應(yīng)力降低有關(guān);8#濾料的斷裂伸長(zhǎng)率較7#濾料有所提高,說(shuō)明覆膜后的玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合濾料克服了玄武巖纖維濾料和氟美斯濾料的脆性,柔韌性有所提高。

        圖4 覆膜前后的玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合濾料的拉伸曲線

        2.2.5 PPS濾料

        覆膜前后的PPS濾料的拉伸曲線如圖5所示。9#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為838 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為823 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為865 N;10#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為827 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為824 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為851 N??梢?jiàn):PPS覆膜濾料與未覆膜的PPS針刺濾料受硫酸溶液和氫氧化鈉溶液的影響較小,且斷裂伸長(zhǎng)率都較大。

        圖5 覆膜前后的PPS濾料的拉伸曲線

        2.2.6 亞克力濾料

        覆膜前后的亞克力濾料的拉伸曲線如圖6所示。11#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為568 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為526 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為522 N;12#濾料經(jīng)pH=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為441 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為435 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為403 N??梢?jiàn):11#濾料的斷裂強(qiáng)力高于12#濾料,說(shuō)明經(jīng)聚四氟乙烯覆膜后,亞克力濾料的耐酸堿腐蝕性能有所下降;亞克力濾料經(jīng)酸處理后的斷裂強(qiáng)力值大于經(jīng)堿處理后的斷裂強(qiáng)力值,主要是因?yàn)閬喛肆Ψ肿由系摹狢N經(jīng)堿處理后轉(zhuǎn)化為羧基或羧酸鹽,具有了水溶性,故纖維遭到破壞,強(qiáng)力下降。

        圖6 覆膜前后的亞克力濾料的拉伸曲線

        2.2.7 美塔斯濾料

        覆膜前后的美塔斯濾料的拉伸曲線如圖7所示。

        圖7 覆膜前后的美塔斯濾料的拉伸曲線

        圖7中:13#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為627 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為557 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為496 N;14#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為900 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為865 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為815 N??梢?jiàn):14#濾料的斷裂強(qiáng)力明顯高于13#濾料,說(shuō)明經(jīng)聚四氟乙烯覆膜后,濾料的斷裂強(qiáng)力提高,耐酸堿腐蝕性能加強(qiáng);美塔斯濾料對(duì)于酸及大部分有機(jī)物具有較好的耐腐蝕性能,適用于高溫?zé)煹乐校秃蜓趸铮?3#濾料的斷裂伸長(zhǎng)率高于14#濾料,即未覆膜的美塔斯濾料柔韌性較好。

        2.2.8 滌綸濾料

        覆膜前后的滌綸濾料的拉伸曲線如圖8所示。15#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 240 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 315 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 113 N;16#濾料經(jīng)pH值=5的酸處理后斷裂強(qiáng)力為1 708 N,經(jīng)去離子水處理后斷裂強(qiáng)力為1 533 N,經(jīng)pH值=9的堿處理后斷裂強(qiáng)力為1 444 N??梢?jiàn):16#濾料的強(qiáng)力明顯高于15#濾料,說(shuō)明經(jīng)聚四氟乙烯覆膜后,濾料強(qiáng)力提高,耐酸堿腐蝕性能加強(qiáng);去離子水處理后的15#濾料的拉伸曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰,且第二個(gè)峰的峰值明顯比第一個(gè)峰的峰值大,原因與拉伸過(guò)程中濾料達(dá)到第一個(gè)峰值后會(huì)繼續(xù)向中間收縮,濾料取向度提高,故峰值進(jìn)一步變大。

        圖8 覆膜前后的滌綸濾料的拉伸曲線

        3 結(jié)論

        (1)經(jīng)聚四氟乙烯覆膜后,8種濾料的面密度變化幅度在-8.8%~8.0%之間,厚度變化值在-0.21~0.84 mm,覆膜工藝對(duì)濾料面密度和厚度的影響不大。

        (2)8種濾料覆膜后,濾料透氣率減小,這有利于提高濾料對(duì)細(xì)微粉塵的過(guò)濾攔截效果。

        (3)實(shí)際工況中,大量的有害氣體會(huì)腐蝕濾料,進(jìn)而直接影響濾料的使用壽命。覆膜后,如玻璃纖維覆膜濾料、玄武巖纖維覆膜濾料、玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合覆膜濾料、美塔斯覆膜濾料、滌綸覆膜濾料的耐酸堿性能均優(yōu)于其未覆膜濾料,但氟美斯覆膜濾料和亞克力覆膜濾料則表現(xiàn)出與它們相反的耐酸堿性能。PPS纖維濾料覆膜前后耐酸堿性能變化不大。此外,在覆膜濾料中,玻璃纖維覆膜濾料和PPS纖維覆膜濾料的耐酸性劣于耐堿性,其他覆膜濾料的耐酸性均優(yōu)于耐堿性;在未覆膜濾料中,玄武巖纖維與氟美斯復(fù)合針刺濾料、PPS纖維針刺濾料耐酸性劣于耐堿性,其他未覆膜濾料的耐酸性均優(yōu)于耐堿性。

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