水刺工艺在工业除尘滤料上的应用和发展趋势

翁美玲 张孝南 侯伟丽

(1.东华大学纺织学院，上海，201620;2.中国纺织科学研究院江南分院，绍兴，312071; 3.上海博格工业用布有限公司，上海，200030)

水刺工艺在工业除尘滤料上的应用和发展趋势

翁美玲1张孝南2侯伟丽3

(1.东华大学纺织学院，上海，201620;2.中国纺织科学研究院江南分院，绍兴，312071; 3.上海博格工业用布有限公司，上海，200030)

阐述了工业除尘滤料的发展与现状，分析了应用水刺加固工艺制造工业除尘滤料的特点和优势。对用水刺和针刺工艺加固的工业除尘滤料的性能进行测试和比较，提出了水刺工艺应用于工业除尘滤料生产时需要注意的要点，预测水刺工艺在工业除尘滤料行业将有良好发展前景。

水刺工艺，工业除尘滤料，性能，发展趋势

当今社会工业生产的飞速发展在给人们带来许多方便的同时，也带来了严重的环境问题。空气中含有大量的有害气体和微细粒子，对人类的呼吸系统、免疫功能、心血管系统和中枢神经系统等造成了严重的危害［1］。减少空气中微细粒子的排放对于保护环境、保障人们的身心健康是至关重要的［2］。袋式除尘器是治理大气污染的高效除尘设备之一，其最大优点就是除尘效率高［3］。现阶段工业除尘滤料生产中的纤网加固工艺以针刺为主。水刺工艺与之相比，在纤网的缠结效果，以及最终产品的强力、过滤效率等方面具有较大的优势，但由于技术和设备等方面的限制，发展尚未成熟。随着水刺技术的进步和对滤料性能要求的不断提高，水刺工艺将在工业除尘滤料行业得到更加广泛的应用。

1 除尘滤料的发展与现状

经过30年的快速发展，我国已成为世界第二大经济体，同时也步入重工业化时期。一些资源、能源消耗性产业(如黑色或有色金属冶炼、化学、水泥、电力等工业)的发展促进了经济和社会的繁荣，但也对我国能源、资源、环境的可持续发展造成了严重威胁。这些重工业排放的大气污染物主要为高温烟气、粉尘、SOX和NOX等。在治理大气污染方面，目前主要有湿法除尘、电除尘、袋式除尘三种方法［4］。湿法除尘和电除尘在除尘效率、一次性投资费用、设备维护等方面都不及袋式除尘，今后将会逐渐淡出工业除尘市场。袋式除尘器是烟尘、粉尘，尤其是PM10以下的微细颗粒物的克星，是治理大气污染的高效除尘设备。袋式除尘器的除尘效率在实验室测试中高达99.999 9%，在实际工程应用中也能达到99.99%，过滤后排放的烟尘、粉尘的浓度能够达到10 mg/m3以下，基本上可以实现零排放［5］。袋式除尘器的分级效率也很高，对 PM10、PM5、PM2.5、PM1 等微细颗粒物的捕集率在90%以上。由于目前袋式除尘器的除尘效率最高，因此在国内近40个行业中，尤其是在十几个高污染行业中大显身手，取得了很好的治理效果和环境效益。高温烟气排放控制技术已由电除尘技术逐步转变到以袋式除尘技术为主［6］。

袋式除尘器的关键材料是滤料［7］，滤料性能的优劣在很大程度上决定了袋式除尘器的使用效果。我国早期使用的滤料有白素布、毛呢类织物等，直至20世纪50～60年代，我国在专业除尘滤料使用和生产方面仍属空白;70年代以后，我国的滤料和袋式除尘技术开始同步发展并迅速向世界先进水平靠拢，开发了多种合成纤维机织滤料［8］;80年代初，随着非织造技术的发展，我国研制成功了合成纤维针刺毡;之后，芳砜纶等纤维研制成功，进而开发出相应的耐高温针刺滤料产品;90年代后期，我国又开发出了聚四氟乙烯(PTFE)微孔覆膜滤料，实现了由表层过滤向表面过滤的跨越，达到高效、低阻的效果［9］。非织造技术在滤料行业的大规模应用，得益于针刺加固工艺的发展和技术进步。针刺技术工艺流程短、设备简单、生产速度高，对所用原料的品种、粗细、长短要求低，适应面广，且其产品呈现纤维杂乱排列的三维结构，将袋式除尘器的除尘效率提高了一个数量级。

近几年来，基于全球范围内严峻的环境和资源形势，以及贯彻党和国家提出的关于建设“资源节约型、环境友好型”两型社会的迫切性，环保部门对火力发电、钢铁、水泥和垃圾焚烧等行业的高温烟气的除尘要求越来越严格，自2010年起排尘浓度标准已由原来的200 mg/m3提高到30～50 mg/m3。综上，高温滤料行业如果仅仅满足于现有滤料的使用性能，将脚步停留在传统的生产工艺上，势必被市场所抛弃，并将被其他“更小损伤、更短流程、更低能耗、更高性能”的工艺和技术取代。因此，在针刺工艺基础上发展起来的水刺工艺已经开始登上工业除尘滤料的舞台，并正在不断发展和进步。

2 水刺工艺的特点和优势

水刺工艺是20世纪70年代中期由美国杜邦和奇考比公司研究开发的，近十几年来在全球得到了快速发展［10］。水刺法在工艺上有一个新的突破，是以柔性高压水流在纤网中由上至下连续喷射并通过托网帘的反射作用而使纤维之间相互缠绕成布的［11］。水刺工艺自20世纪90年代进入中国以来发展迅猛，目前已有100多条生产线。一直以来，由于受到水刺压力的限制，水刺缠结的纤网面密度一般在200 g/m2以下，否则制成的非织造布极易分层，因此国内水刺生产线制造的产品绝大部分应用于革基布和卫生材料领域。近几年，随着国际上水刺技术不断进步，突破了水刺压力的瓶颈，水刺非织造布面密度范围已提高到300～600 g/m2，开始进入工业滤料领域［12］。

水刺法与针刺法一样，作为滤料的加固方式，除均匀度外，几乎影响着非织造滤料的所有指标，如厚度、透气度、阻力、剥离率和毡面平整度等。两者的基本特点都是通过将纤网中纤维缠结的方法制成非织造布，但是两者之间又有较大的区别，水刺工艺的优势具体体现在以下方面:

(1)针刺是刚与柔(刺针和纤网)的结合，而水刺是柔与柔(水射流和纤网)的结合，水刺工艺避免了在针刺工艺中存在的带有倒钩的尖锐刺针反复穿透纤网并切断、破坏纤维甚至基布长丝的现象，所以水刺产品的表面致密、光滑、无针孔，拉伸强力提高，避免了针孔漏灰现象［13］。

(2)根据实际生产经验以及性能测试，在相同的原料、结构、面密度等条件下，水刺加固比针刺加固能获得更加良好的缠结效果，其生产出的工业除尘滤料的强力和过滤精度更高。因此，在保证强力和过滤效率基础上，采用水刺工艺加固的滤料其面密度可降低20%左右，因而在使用一些高性能、高价格纤维材料时，可大大降低原料成本。

(3)水刺工艺通过高压水流(目前最高可达45 MPa)对纤网的表面进行喷射达到加固目的，当滤料迎尘面为玻璃纤维、膜裂法PTFE纤维时，具有良好的开纤作用，形成超细表面，从而提高过滤精度。

(4)水刺生产线可以通过配备独立的梳理设备，输出一层纤网(如用特殊纤维原料)，并用高压水刺工艺将其覆在经预针刺的非织造毡上，形成均匀致密、表面光滑的非织造复合滤料，增加了产品设计的灵活性。

(5)水刺滤料的表面致密、毛羽较少，一般条件下已经具备极高的过滤效率，可以省去常规针刺滤料生产流程中烧毛、PTFE乳液浸渍等后整理工序。流程缩短可提高生产效率、减少设备投入，从而有效地降低生产成本。

(6)水刺加固工艺扩大了纤维原料的选择范围。由于没有针刺工艺中带钩刺的刺针的往复作用，一些原本耐温、耐化学性能较好，但不适用于针刺加固工艺而在工业除尘滤料行业得不到广泛应用的纤维，如刚度较大的不锈钢纤维、芳纶(针刺加固过程中极易损耗刺针)，易脆损的玻璃纤维(受针刺作用针刺毡强力等性能损伤较大)，将从此可在工业除尘领域大展拳脚。

需注意的是，水刺加固工艺虽以表面致密、适应纤维原料范围广、纤维损伤小等优点而占据优势，但是由于高速水射流在触碰纤网开始，便受其阻力作用，穿透能量和速度迅速下降，不能像针刺工艺那样带动纤维穿透整个纤网，因此在加工面密度较大的纤网时容易产生分层现象，需要加大水刺压力或先制成针刺预刺毡再经水刺加工［14］。

3 水刺工艺在滤料行业中的应用进展

目前国内已经引进3条水刺滤料生产线，且都为德国Fleissner公司的水刺设备，正在洽谈的生产线还有多条。

上海博格工业用布有限公司是国内第一家引进可生产高密度纤网的水刺滤料生产设备的厂家，其水刺生产线自2010年7月份投入使用以来，已经相继开发并生产出几十种新型水刺滤料，其产品在力学性能、过滤效率等方面都有较强的优势。

笔者在博格公司的配合支持下，进行了新型水刺滤料的开发和生产试验，并对产品各方面性能进行了测试，与同条件下的针刺滤料进行对比(表1)。

由表1可知，采用不同加固工艺生产的聚苯硫醚(PPS)/PTFE复合滤料，在厚度、透气度、断裂强度方面都有较为明显的差异。用水刺工艺生产的滤料，厚度薄，透气性较差，断裂强度有所提高，伸长率降低。主要是过滤效率提高，还可以省去乳液浸渍等表面后处理工序。笔者认为，过滤效率的大幅提高很有可能是PTFE纤维分裂成超细纤维的缘故。

表1 PPS/PTFE复合水刺与针刺滤料性能对比

图1和图2分别为采用水刺加固工艺生产的PPS/PTFE复合滤料的迎尘面和截面的电镜照片。由图可明显看出:较细而没有分裂现象的纤维为PPS纤维;PTFE纤维分裂得更细，还有些破碎，但由于水刺作用，与其他纤维缠结在一起。从外观看，就是PTFE的细碎纤维经水刺作用后被嵌在布面上，从而防止了纤维的脱落。水刺工艺利用了PTFE纤维良好特性，且解决了PTFE纤维不易缠结的问题，还发掘出膜裂法PTFE能够开纤形成超细纤维的特点。

4 应用水刺工艺生产滤料的注意点

笔者经过广泛的调研和现场试验，结合实际生产经验，对水刺工艺应用于滤料的生产过程提出以下注意点。

(1)工业除尘滤料面密度要求在300～600 g/m2，最高达800 g/m2，对于水刺工艺属于超厚型产品，因此对水刺生产设备的配置有较高的要求。一般要求高压水刺头实际压力在28 MPa以上，水刺头配备5个以上。特别需要指出的是，为保证以后长期稳定生产，水刺头压力配置应以高于35 MPa为宜。

图1 水刺PPS/PTFE复合滤料的迎尘面

图2 水刺PPS/PTFE复合滤料的截面形态

(2)水刺生产线根据不同的生产要求和设备配置，可以分为离线生产和在线生产两种方式，区别在于水刺生产线的前段是否配置预针刺设备。离线生产方式是将预针刺甚至主针刺加固后并卷绕成卷的非织造毡，经过退卷工序，再次进行水刺加固的生产方式，具有产品设计灵活、滤料不易分层的优点;但需注意的是预针刺工艺的调节，针刺压力以低为宜，密度以小为宜，否则容易造成布面不平整。在线生产方式是经预针刺的非织造毡未经卷绕，直接进行水刺加固，比较适合快速生产。水刺生产线还可以通过配置独立的梳理设备，再输出一层纤网(可根据要求选择不同滤料)，用高压水刺工艺将其覆在经预针刺的非织造毡上，该生产方式可获得平整表面、提高强力的效果。如用特殊原料作为迎尘面，还可提高产品使用性能和附加值。

(3)工业除尘滤料的品质要求可以通过调整水刺头的压力及分配、水刺头数量、抽吸风量和选择不同的托网帘等方式来获得。由于水量很大，抽吸系统配置及工艺调节非常重要;由于水刺压力较大，为保证产品质量的稳定和生产过程的稳定，对针板、网帘、滚筒等配件的要求很高，不同于一般人造革基布和卫生材料等水刺产品的生产，运行成本会提高。

(4)在生产工业除尘滤料时，水刺工艺对纤维线密度有一定要求。一般针刺工艺适用的2.4 dtex左右的纤维对水刺工艺来说太粗，在水刺加工过程中会由于纤维初始模量较大而影响缠结效果，造成滤料产品强力不够甚至纤网分层的现象。一般水刺工艺使用的纤维线密度最好在1.67 dtex以下，越细缠结效果越好。如果纤维的回潮率太低，特别是如回潮率为零的聚丙烯类纤维，选择水刺工艺并不适合。如果能够开纤成超细纤维(如膜裂法PTFE、玻璃纤维)，形成高效除尘滤料，水刺法工艺则是理想的选择。水刺工艺比针刺工艺在纤网缠结效果、产品强力和过滤效率等方面具有较大的优势，随着水刺技术的进步和对滤料性能要求的不断提高，水刺工艺将在工业除尘滤料行业得到越来越广泛的应用。

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Application and development tendency of spunlace technology in industrial dust removal filter

Weng Meiling1，Zhang Xiaonan2，Hou Weili3
(1.College of Textiles，Donghua University; 2.Jiannan Branch of China Textile Academy;3.Shanghai BG Industrial Fabric Co.，Ltd.)

The development and situation of industrial dust removal filter were introduced，and the advantages and property of spunlace process on industrial dust removal filters were analyzed.The characteristics of the industrial filter media which be made by spunlace and needle-punching technique were tested and compared，and it was pointed out the attention on use spunlace process，and it forecast that the spunlace technique would be used better on industrial dust removal sector.

spunlace technique，industrial dust removal filter，property，developing trend

TS174.8

A

1004－7093(2011)11－0038－05

2011－08－29

翁美玲，女，1986年生，在读硕士研究生。主要从事水刺耐高温工业除尘滤料的生产工艺及产品性能的研究。