玄武岩基/玄武岩+轶纶复合针刺滤材的开发研究

何艳芬　陈雪善

摘要：滤料满足在较高温度工况条件下使用，能实现更好的节能环保。而能在300℃及以上高温工况条件下使用，是现有袋式除尘滤料的技术瓶颈。本文以玄武岩长丝格子布为基布，玄武岩短纤和轶纶（聚酰亚胺）短切纤维按一定比例共混纤维为滤料短纤原材，通过针刺加固工艺及浸渍定型后处理，开发出新型超耐高温复合滤材。滤料经300℃高温处理后，剥离强度、迎面层拉伸强度保持率达95%左右，尺寸稳定，具备在300℃高温条件下长期使用的要求。同时滤料具备较好的透气性、对粒径7um及以上的微颗粒物的过滤效率达95%及以上、容尘率接近100%。

关键词：玄武岩纤维；聚酰亚胺；轶纶；复合滤材

大气污染是环境污染的一个重要方面，近年来中国对烟气排放标准越来越严格。如何更加有效地减少烟尘和有害气体的排放、节能减排，是环保领域一个重要的研究课题。袋式除尘是烟气除尘的主要手段之一，而滤料是袋式除尘技术的核心，随着烟气排放标准越来越严格以及烟气除尘环境的复杂化，对滤料的耐高温性及在高温条件下的性能保持性提出了更高要求，而现有市面滤料的最高耐温性一般在260℃左右，能够在300℃及以上高温条件下长期使用是国内袋式除尘滤料的一个技术瓶颈。为此开发研究具有更高耐温性且较好除尘效率的滤料具有非常重要的现实意义和市场前景。

玄武岩纤维相比玻璃纤维具有更好的耐高温水解性及耐酸腐蚀性，轶纶（聚酰亚胺）纤维热分解温度可达570℃，在300℃下能保持较好的力学性能，本文将采用高强高性能新型玄武岩纤维网格布为滤料基布，滤料迎面层和底层为短切轶纶纤维和短切玄武岩纤维针刺毡，通过针刺、定型等加工工艺，研究开发新型超耐高温玄武岩基/玄武岩+轶纶纤维复合滤材。

1.实验

1.1实验材料与仪器

实验材料：滤料基布为玄武岩长丝网格布（威尔克工业纺织（嘉兴）有限公司，纤度330 dtex，平方米质量200 g/m2，经纬密为20根/10cm），迎面层和底层采用短切轶纶纤维（长春高琦聚酰亚胺材料有限公司，纤度2.22 dtex，长度64 mm）和短切玄武岩纤维（江苏天龙玄武岩科技有限公司，直径11um），按1：2克重比均匀混合。PIW-15水性聚酰亚胺树脂（慧智科技（中国）有限公司）。

实验仪器：S-4800扫描电子显微镜（日本日立公司）、HORIABA EX-250 X射线光电子能谱仪（日本株式会社堀场地制作所）、ZFT-2626-Ⅲ过滤效率测试仪（桐乡市赛弗环保科技有限公司）、针刺热轧联合试验机组（常熟市伟成非织造成套设备有限公司）、YG026C织物拉伸强度仪（常州市第一纺织设备有限公司）、容尘率测试仪（浙江朝晖过滤技术股份有限公司）。

1.2实验方法

1.2.1玄武岩基/玄武岩+轶纶复合针刺滤材试制

采用针刺小样试验机组，采用玄武岩长丝网格布为滤材为滤材基布，迎面层和底层采用短切轶纶纤维和短切玄武岩纤维针刺毡，试制滤材，其工艺流程如下：

由于玄武岩纤维为无机纤维，开松梳理时玄武岩纤维与机械金属之间易摩擦产生静电，故玄武岩与轶纶纤维均匀混合后进行加湿保湿处理。

1.2.2浸渍定型

普通滤材所用后处理剂是以丙烯酸树脂為主要成分的浸渍剂，而丙烯酸树脂的耐高温性较差，温度到达200℃时就开始出现碳化。本实验滤料所用纤维原料是表面光洁的圆柱实心的短切玄武岩纤维，为此选用耐高温性较好的水性聚酰亚胺树脂为浸渍定型剂。

浸渍定型剂中无需加入有机硅油而具有较好的渗透性，为了确定最佳粘结效果的后处理浸渍剂浓度，实验配置了树脂固含量为2%、1%、0.5%的后处理浸渍剂，对滤料进行浸渍烘干定型，分析并确定选择最佳的浸渍剂浓度。

滤料经过不同固含量的浸渍剂浸渍处理后，在190℃高温的天然气燃烧烘干环境中经过8 min的烘干定型。

1.3滤料结构与性能测试分析

1.3.1玄武岩纤维形态结构观察

采用扫描电子显微镜对玄武岩纤维的表面形态及横截面形态进行观察分析。

1.3.2强度测试

参照GB/T 3923.1-2013《纺织品织物拉伸性能》，对滤料迎面层与基层的剥离强度、迎面层针刺毡的拉伸断裂强度进行测试，分析不同固含量比例浸渍剂对滤料定型处理的效果。

剥离强度：采用织物拉伸强度仪测试其剥离强度。试样规格：15 cm×5 cm，每个规格试样不少于4块。

迎面层拉伸强度：将滤材片的底层针刺毡与基布分开，再将基布层与迎面层分开，用织物拉伸强度仪测试迎面针刺毡拉伸断裂强力。试样规格：15 cm×5 cm，每个规格试样不少于4块。

1.3.3耐高温性测试

依据GB/T 6719-2009《袋式除尘技术要求》、HJ/T 324-2006（（环境保护产品技术要求袋式除尘器用滤料》对滤料的过滤效率等进行测试，同时委托第三方专业检测机构——上海标检产品检测有限公司对滤料的耐高温性进行了检测分析，检测报告编号：ST185717。

a）拉伸强力和断裂伸长率

根据GB/T 3923.1-2013《纺织品织物拉伸性能第1部分断裂强力和断裂伸长率的测定》，测试300℃持续处理3 h候前后迎面针刺毡拉伸断裂强度。样品宽度：50 mm。

b）剥离强度

根据FZ/T 80007.1-2006（（使用粘合衬服装剥离强力测试方法》，测试300℃持续处理3 h候前后迎面层针刺毡与基布的剥离强度。样品宽度2.54 cm（1英寸）。

c）热收缩性测试

将经过2%树脂固含量浸渍定型的滤料，剪切成尺寸为5 cm×15 cm试样，在宽度方向平行划上横线，精确测量其长度并记录，然后将滤材片放人马弗炉中在320℃高温下进行热处理3 h，觀察其尺寸变化情况，根据公式D0=（L0-L1）/L1计算热收缩率。

1.3.4过滤性能测试分析

a）透气性能

用织物透气测试仪分别测试滤料试样的透气性能，压差200 Pa。试样规格：20 cmX 20 cm，试样不少于3块。

b）阻力及过滤效率

用过滤效率测试仪测试迎面针刺毡片的阻力和过滤效率，测试条件：风速15 cm/s，阻力30 Pa。试样规格：20 cmX 20 cm，每个规格试样不少于4块。

c）容尘率

用容尘率测试仪测试迎面针刺毡片的容尘率，测试条件：风速30 cm/s，粉尘：325目的滑石粉，初始阻130 Pa，结束阻力3 000 Pa。试样规格20 cm×20 cm，每个规格试样不少于4块。

2.结果与讨论

2.1玄武岩纤维表面形态观察

采用扫描电子显微镜对玄武岩纤维的表面形态及横截面形态进行观察分析。如图1所示，未改性的玄武岩纤维纵向表面光洁，横截面为圆形。

2.2表面改性后玄武岩纤维光电子能谱图

图2为玄武岩纤维经过KH550表面改性处理后的XPS分析图。

由图2可知，玄武岩纤维经过偶联处理后，其表面的硅元素和偶联剂中的硅元素通过化学作用生成了新的Si-O-Si键，在纤维表面形成薄膜并覆盖。偶联剂一端亲无机，一端亲有机，能够在无机玄武岩纤维与有机基料之间架起桥梁，改善两者之间结合性。

2.3浸渍定型处理后滤料表面形貌观察

采用扫描电子显微镜（SEM）对经过不同固含量浸渍后处理剂定型处理的滤料进行表面形貌观察，如图3所示。

从滤料电镜照片可以看出，在浸渍剂树脂固含量为2%时，对滤料纤维起到了较好的粘结效果。

2.4复合滤材强度分析

图4为固含量对滤料迎面层与基层剥离强度的影响，图5为固含量对滤料迎面层拉伸强度的影响。从图4、图5可以看出，滤材的剥离强度和迎面层拉伸强度随着固含量的增加有所增加，固含量2%时，剥离强度和拉伸强度处于最佳值。

結合滤料表面观察和滤料的剥离强度及迎面层拉伸强度情况，选取后处理浸渍剂树脂固含量为2%。

2.5复合滤材耐高温性分析

2.5.1拉伸强力和断裂伸长率

表1为滤料迎面层针刺毡断裂强度测试数据，如表1所示，滤料经过300℃、3 h持续高温处理后，迎面层针刺毡断裂强度保持率在92%及以上。

2.5.2剥离强度

表2为滤料迎面层和基层剥离强度测试数据。如表2所示，滤料经过300℃、3 h持续高温处理后，迎面层针刺毡与基布的剥离强度保持率达91.5%及以上。

2.5.3热收缩性

表3为滤料高温收缩性测试数据。如表3所示，滤材经过320℃高温3 h处理后，滤材平均尺寸变化率低于1%，说明在高温条件下，滤材的尺寸稳定性保持较好。

2.6过滤性能

2.6.1透气性能

表4为滤料透气量透气率测试数据。如表4所示，复合滤料具有较好的透气性能。

2.6.2复合滤料过滤效率及容尘率

滤料对颗粒直径7.0～10.0um的颗粒物的过滤效率达到96%。对325目的滑石粉容尘量为358g/m2，容尘率99.99%，容尘率几乎是100%，效果较好。

3.结论

以玄武岩纤维方格布为基布、玄武岩短切纤维与轶纶短纤按一定克重比例混合作为滤料上层针刺毡的纤维原材、经水性聚酰亚胺树脂浸渍定型处理开发的新型耐高温针刺复合滤料具备在300℃及以上高温工况条件下长期使用要求，该滤料具有较好的透气性能，对粒径7um及以上的微颗粒物的過滤效率达到96%及以上，容尘率几乎100%。