耐高溫空氣過濾材料的發(fā)展現(xiàn)狀

王 璐 于 斌 祝成炎 施淑波 劉北壬

(1.浙江理工大學(xué)，杭州，310018; 2.杭州路先非織造股份有限公司，杭州，310011)

耐高溫空氣過濾材料的發(fā)展現(xiàn)狀

王 璐1于 斌1祝成炎1施淑波2劉北壬2

(1.浙江理工大學(xué)，杭州，310018; 2.杭州路先非織造股份有限公司，杭州，310011)

介紹了耐高溫空氣過濾材料的發(fā)展概況及其特點。重點列舉了玻璃纖維、芳綸、PTFE覆膜、P84和PPS等新型過濾材料的性能、研發(fā)或生產(chǎn)狀況，并探討了今后耐高溫空氣過濾材料的發(fā)展前景。

耐高溫空氣過濾材料，性能，研究現(xiàn)狀，發(fā)展方向

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，對耐高溫空氣過濾材料的研究受到了國內(nèi)外研究人員的關(guān)注，目前耐高溫空氣過濾材料已被廣泛地應(yīng)用于汽車行業(yè)、制藥工業(yè)、環(huán)保業(yè)、核工業(yè)及軍事領(lǐng)域等［1］。非織造耐高溫空氣過濾材料作為一種新型的過濾材料，較機織和針織過濾材料有更優(yōu)良的過濾性能，并具有高產(chǎn)量、低成本、易在生產(chǎn)線上進行深加工處理且能與其他過濾材料復(fù)合等優(yōu)勢，因此在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

1 耐高溫空氣過濾材料概況

2009年我國提出了紡織工業(yè)調(diào)整和振興計劃，重點提到了加快產(chǎn)業(yè)用紡織品的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，加快推進針刺、水刺、紡粘等先進工藝和高性能纖維在環(huán)保過濾用紡織材料生產(chǎn)上的應(yīng)用，新材料比重由20%提高到50%。現(xiàn)階段，空氣過濾材料約占過濾材料市場的三分之一［2］，是過濾材料領(lǐng)域中增長速度最快的產(chǎn)品之一，其中一些非織造空氣過濾材料具有耐高溫和高效過濾的性能，廣泛應(yīng)用于高溫?zé)煔膺^濾領(lǐng)域。

國外從20世紀70～80年代開始就已經(jīng)致力于耐高溫空氣過濾材料的研究，研制出一些性能優(yōu)越的纖維過濾材料。如美國Gore公司［3］生產(chǎn)的Gore-Tex聚四氟乙烯(PTFE)覆膜過濾材料，能非常高效地收集亞微米級粒子。90年代初，美國杜邦公司對PTFE纖維與玻璃纖維復(fù)合針刺氈進行研究，成功地開發(fā)出商品名為Tefaire的復(fù)合針刺氈［4］。美國唐納森公司研發(fā)的褶皺過濾材料，過濾面積比普通過濾材料大許多倍，是這一時期空氣過濾材料發(fā)展的又一項重要成果。而后，Gore［5］對褶皺過濾材料進行了進一步的研究，生產(chǎn)出了寬褶距覆膜褶皺過濾材料，大大降低了粒子的附著率。近年來國外高效空氣過濾材料的研究發(fā)展迅速。德國科德寶公司推出了三維非織造表面微孔類過濾材料，該材料具有創(chuàng)新性的三維結(jié)構(gòu)、類似透氣薄膜微孔的表面和較高的過濾效率。杜邦公司推出的Teflon纖維［6］過濾材料以其較好的耐高溫、耐酸堿、抗老化、防日曬和耐磨性得到了用戶的好評。日本東麗公司的聚苯硫醚(PPS)纖維具有耐酸、耐高溫、耐熱濕分解的特點，用其制成的過濾塵袋特別適用于含有化學(xué)腐蝕性煙塵的過濾，使用壽命相當長。BASF公司開發(fā)的耐高溫纖維Basoilf［7］是嘧胺樹脂系耐燃高熱穩(wěn)定性的有機纖維，有突出的耐化學(xué)藥品性和耐高溫性。2004年俄羅斯研制出的新型耐高溫非織造布采用進口含氟制劑噴灑和含氟制劑涂覆兩種方法，將產(chǎn)品的使用壽命從循環(huán)3.5萬次提高到6.5萬次［8］。2009年在德國世界過濾與分離技術(shù)設(shè)備工業(yè)展覽會上，德國Kermel公司推出了Kermel纖維過濾材料［9］，該纖維具有芳香族聚酰胺結(jié)構(gòu)，其制成的過濾材料可以承受220℃以上的連續(xù)高溫，耐溫最高可達240℃，可以用于鋼鐵和水泥等行業(yè)。

我國對耐高溫空氣過濾材料的研究起步較晚，20世紀60～70年代主要以引進國外技術(shù)為主，80年代后期開始自行設(shè)計生產(chǎn)。進入21世紀以后，空氣過濾技術(shù)發(fā)展迅速，開發(fā)出許多耐高溫空氣過濾材料，如PPS纖維［10］和芳綸過濾材料。我國耐高溫過濾材料用纖維過去主要是從日本、歐洲和美國等地進口，現(xiàn)在已開始生產(chǎn)。中國煙臺氨綸集團于2004年實現(xiàn)間位芳綸的工業(yè)化生產(chǎn)，目前年生產(chǎn)能力達到4 300 t，位居全球第二，僅次于美國杜邦公司。上海市紡織科學(xué)研究院和上海市合成纖維研究所共同開發(fā)的芳砜綸［11］目前已實現(xiàn)了年產(chǎn)1 000 t的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，該纖維具有良好的耐熱性、抗熱氧老化的穩(wěn)定性和耐酸性，非常適用于制作耐高溫過濾材料。遼寧撫順市工業(yè)用布廠與營口玻璃纖維有限公司在玻璃纖維氈的基礎(chǔ)上研制并開發(fā)了聚乙烯(PE)與玻璃纖維的復(fù)合產(chǎn)品［12］，可以承受260℃的高溫。中國還開發(fā)了兩種新的過濾材料。一種是用連續(xù)束狀玻璃纖維和束狀PTFE纖維混合織造的復(fù)合過濾材料［13］，具有耐高溫、耐腐蝕、使用壽命長等特點;另一種是用短切無堿玻璃纖維與聚酰亞胺(P84)、PPS纖維混合的復(fù)合針刺過濾材料［14］，具有三維微孔結(jié)構(gòu)，在耐高溫的同時拉伸性能尤為突出，該過濾材料是高爐煤氣凈化中使用量比較大的一個品種。

21世紀亞洲非織造過濾材料市場擴展迅速。加入WTO后，我國非織造布行業(yè)與世界非織造布行業(yè)聯(lián)系更加緊密，也迎來了機遇和挑戰(zhàn)。目前歐洲最大的過濾材料生產(chǎn)廠德國BWF公司已經(jīng)進駐中國市場，美國的一些公司也準備在我國建立獨資或合資的過濾材料生產(chǎn)企業(yè)，中國已成為世界過濾材料商最看好的國家之一。因此，我國的耐高溫空氣過濾材料行業(yè)迫切需要提高生產(chǎn)技術(shù)水平，提升產(chǎn)品的綜合實力，以促進行業(yè)迅速發(fā)展。

2 耐高溫空氣過濾材料特點

2.1 耐高溫

目前高溫?zé)煔膺^濾采取先冷卻再除塵的方式，一般高溫?zé)煔饨?jīng)空氣冷卻器冷卻至250℃以下，但仍屬于高溫?zé)煔猓?5］，需使用耐高溫的過濾材料，且對非織造過濾材料的要求較高。出于成本和使用壽命上的考慮，要求耐高溫過濾材料的耐溫范圍在200℃以上，還要求具有持續(xù)耐高溫的性能。

2.2 機械強度高

過濾材料在高溫條件下需具有足夠大的機械強度，以利于提高過濾材料在生產(chǎn)和使用上的穩(wěn)定性。一般工業(yè)高溫?zé)煔膺^濾材料用纖維的斷裂強度較高，至少不小于0.5 N/tex。高強度的過濾材料經(jīng)折疊后所制作的過濾器材具有較強的抗沖擊力，增加了有效過濾面積，從而提高其過濾性能，具有很大的實際意義。

2.3 具有功能性

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化水平的不斷提高，許多特定行業(yè)和領(lǐng)域?qū)δ透邷乜諝膺^濾材料的功能性也提出了很高的要求。多功能、高效的耐高溫空氣過濾材料具有很強的針對性，例如對于不同的使用場合要求具有耐腐蝕、抗靜電、阻燃、抗菌等功能中的一種或幾種功能。隨著需求量的不斷增加和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，耐高溫空氣過濾材料具有多種不同功能是今后一個重要的發(fā)展方向。

2.4 工藝適用性好

空氣過濾材料用于空氣過濾器時，有的需被折疊成具有曲折表面的褶皺過濾材料。褶皺過濾材料的透氣性好，過濾面積和容塵量大，且抗拉伸和抗斷裂能力強。目前的褶皺過濾材料大多采用表面處理纖維過濾材料和覆膜過濾材料。耐高溫過濾材料用于褶皺過濾材料可發(fā)揮其本身的優(yōu)勢，且可提高過濾器的綜合性能。

3 各類耐高溫空氣過濾材料的發(fā)展

隨著人們對空氣環(huán)境質(zhì)量的要求逐漸提高，對過濾材料用纖維的要求也相應(yīng)提高，國際高效空氣過濾材料市場出現(xiàn)了許多性能和適用性都很好的材料，表1列出了幾種空氣過濾材料用纖維及其性能。

3.1 玻璃纖維過濾材料

玻璃纖維及其復(fù)合材料一直被認為是優(yōu)質(zhì)的耐高溫、防腐過濾材料，是處理高含濕量、高溫和有腐蝕性化學(xué)成分煙氣的較理想的過濾材料。目前玻璃纖維過濾材料的一個發(fā)展趨勢是與其他材料進行復(fù)合，改善其性能，延長使用壽命。

表1 空氣過濾材料用纖維的性能［16］

近年來國內(nèi)外對玻璃纖維過濾材料進行了深入的研究，取得了一定的成果［17］。美國杜邦公司開發(fā)的玻璃纖維針刺氈，過濾效率可達到99.9%以上，耐高溫，耐腐蝕性能強，使用壽命長;奧地利一家公司開發(fā)的玻璃纖維針刺氈可長期在260℃左右的高溫下使用，使用壽命在兩年以上，是脈沖噴吹除塵和反吹風(fēng)除塵的優(yōu)質(zhì)過濾材料;美國約翰斯·曼維爾公司提出新的無硼玻璃配方并獲得專利［18］，據(jù)稱該配方特別適合于制造凈化室HEPA過濾器用的微纖維。我國用玻璃纖維作為過濾材料的研究起步較晚，針對玻璃纖維的特性并克服其脆性，南京玻璃纖維研究院共研制成功四代玻璃纖維表面處理和配方工藝，取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟效果。

在利用玻璃纖維復(fù)合進行過濾材料研制方面也有較大進展［19］。20世紀90年代初美國杜邦公司通過將PTFE纖維與玻璃纖維混合后針刺到純PTFE纖網(wǎng)上的方法制得商品名為Tefaire的復(fù)合針刺氈;日本一家公司在玻璃纖維氈或玻璃纖維織物上貼合經(jīng)過特殊處理的PTFE薄膜，增加了材料的使用壽命;我國南京玻璃纖維研究院成功研制了玻璃纖維涂覆PTFE的覆膜過濾材料及玻璃纖維與特種化纖混合的針刺過濾材料，取得了不錯的效果;由我國研制開發(fā)的玻璃纖維與P84纖維復(fù)合的針刺氈是一種新型耐高溫過濾材料，也得到了很好的應(yīng)用。

3.2 芳綸過濾材料

20世紀60年代初杜邦公司首先開發(fā)出Nomex纖維。我國在1981年和1985年先后通過了對芳綸14和芳綸1414的鑒定。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國對芳綸及其制品的需求量快速增長［20］，目前國產(chǎn)芳綸(特別是間位芳綸)的主要產(chǎn)地在山東、廣東、上海和四川等地，國產(chǎn)能力已達萬噸級水平，而芳綸非織造過濾材料也隨著纖維原料的發(fā)展而迅速崛起。

芳綸是一種高強高模［21］、低密度和高耐磨的有機合成材料，屬芳香族聚酰胺纖維，具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。1974年美國貿(mào)易聯(lián)合會FTC將其命名為“Aramid fiber”［6］，分子結(jié)構(gòu)中至少有 85% 的酰胺鍵(—CONH—)直接把兩個苯環(huán)連接起來。芳綸是世界上發(fā)展最快的高科技纖維之一，具有非常好的耐高溫性能，可以承受204℃的持續(xù)高溫，且能在高溫下保持其優(yōu)越的物理性能和尺寸穩(wěn)定性，常應(yīng)用于高溫干熱的過濾系統(tǒng)中;在室溫條件下，芳綸的抗彎能力非常好，幾乎和聚酯纖維相當;芳綸能耐受大部分酸、堿的化學(xué)作用，還不受特殊粉末和氣體的影響，有非常好的適用性。以芳綸為主體原料開發(fā)的芳綸非織造材料可以作為高效的空氣過濾材料。利用纖維本身的耐高溫、耐酸堿腐蝕等性能，并經(jīng)過針刺、水刺等處理，芳綸非織造材料具有過濾精度高、流量大、耐腐蝕等特點，可以滿足特殊情況下的過濾需求。

3.3 PTFE過濾材料

美國Gore公司在20世紀70年代首先研制出了膨體聚四氟乙烯(ePTFE)覆膜過濾材料，近年又逐步開發(fā)出了一系列具有特殊功能的覆膜過濾材料產(chǎn)品。PTFE用于功能性覆膜是今后的一個重要發(fā)展方向。PTFE是一種結(jié)構(gòu)完全對稱的中性高分子化合物［3］，該特殊的結(jié)構(gòu)使其具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和絕緣性等，且PTFE膜的表面張力很低，具有很好的不粘性和拒水性，但其撕裂強度、耐腐蝕性和拉伸性能比其他纖維差，通過強化處理可得以改善，使用期限達3～5年。

覆膜過濾材料的優(yōu)越性可以概括為:①覆膜過濾材料是微孔結(jié)構(gòu)，表面無直通孔，可實現(xiàn)表面過濾，除塵效率可達99.999%［22］;②覆膜過濾材料表面孔隙率高，阻力小;③容易清灰。由于具有出眾的耐化學(xué)性和良好的過濾性能，PTFE目前已廣泛應(yīng)用于空氣過濾領(lǐng)域。如用PTFE纖維制成針刺過濾氈的基布，與玻璃纖維或PPS短纖維混合作纖維過濾面層［13］;用PTFE懸浮狀乳液浸漬過濾材料本體、涂覆在過濾材料表面和用水刺等方法與其他過濾材料復(fù)合。上述應(yīng)用都能使過濾材料的強度、耐腐蝕性、耐酸堿性及耐磨性有較大的提高，增強材料的過濾性能，并大大延長其使用壽命。

3.4 P84過濾材料

P84纖維的截面呈三葉瓣形［14］，纖維表面積系數(shù)較高，與圓形或豆形截面的纖維相比，具有較大的比表面積，有利于捕集塵粒。P84纖維特殊的截面形態(tài)，使得粉塵大多被集中到過濾材料的表面，較難滲透到過濾材料的內(nèi)部，故不易堵塞孔隙，運行阻力降低，因此P84纖維對粉塵的捕集能力遠高于一般的纖維。P84過濾材料的集塵效率要比同樣線密度的其他纖維制得的過濾材料高一個數(shù)量級，因此混有P84纖維的過濾材料將會大大改善使用性能。P84纖維作為一種耐高溫合成纖維，能連續(xù)暴露在240℃環(huán)境中，最高工作溫度可達260℃，還能承受304℃的瞬時高溫，但是當溫度低于200℃時，P84過濾材料的過濾效率低于PTFE過濾材料［23］。由于是非熱塑性纖維，其耐受脈沖清灰的磨損能力比較強，可用在要求耐磨性好的過濾器中。P84過濾材料在沒有化學(xué)品或水分存在的環(huán)境中工作得最好，對常見的有機溶劑具有很強的抵抗能力，但是在酸、堿環(huán)境中易被腐蝕。P84過濾材料因其具有突出的耐高低溫性、難燃性、電絕緣性和耐輻照性，受到了國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。目前P84過濾材料已廣泛地應(yīng)用于高溫?zé)煔膺^濾，并取得了很好的效果。

3.5 PPS過濾材料

PPS纖維是一種耐高溫合成纖維。PPS纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)簡單，其耐溫性和化學(xué)穩(wěn)定性較好;PPS纖維的幾何形狀互相對稱，且高度線性，因此熔點極高;PPS纖維耐熱性能良好，不會在熔點軟化［24］，相反會更堅硬;PPS纖維具有高性能纖維所具備的良好的阻燃性、耐化學(xué)性以及尺寸穩(wěn)定性，能連續(xù)耐受190℃的溫度，并抵抗多種化學(xué)腐蝕;PPS纖維不會水解，因此可在高溫、潮濕和有化學(xué)物質(zhì)的條件下使用。PPS過濾材料的典型用途是用于脈沖袋式過濾器中，能滿足垃圾焚燒、燃煤鍋爐等特殊領(lǐng)域的過濾過程中過濾材料需耐熱性能好、耐化學(xué)腐蝕和耐水解等要求。在某些領(lǐng)域也可用PPS纖維取代其他合成纖維，用于制作在高溫、存在化學(xué)品或潮濕環(huán)境下使用的過濾材料。

國外主要有四家生產(chǎn)PPS纖維的廠家［25］，日本的東麗公司和東洋紡公司、美國的nT公司以及法國的Nexis公司。日本東麗和東洋紡公司生產(chǎn)的PPS纖維使用本國樹脂;而美國nT和法國Nexis公司生產(chǎn)的PPS纖維都使用德國產(chǎn)的樹脂。我國過去主要使用日本產(chǎn)的PPS纖維，美國nT公司的PPS纖維2007年開始進人中國，法國Nexis公司與我國有過接觸。近年來，我國PPS纖維生產(chǎn)也開始起步，遼寧營口耐斯特環(huán)?？萍加邢薰尽⒔K張家港瑞泰新中環(huán)保有限公司和東邦特種纖維有限公司已有批量生產(chǎn)，浙江海寧新能紡織有限公司2008年也開始生產(chǎn)PPS纖維。

4 展望

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，工業(yè)化水平不斷提高，人們的環(huán)保意識也逐漸加強，全世界對過濾材料的需求逐年上升，對空氣凈化行業(yè)也提出了更高的要求，在空氣過濾領(lǐng)域非織造過濾材料已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)紡織過濾材料，耐高溫空氣過濾材料迎來了迅速發(fā)展的時代。

(1)覆膜過濾材料的快速發(fā)展給非織造空氣過濾材料注入了新鮮血液，在實際應(yīng)用中取得了不俗的成績，憑借其獨特的優(yōu)異性能，得到了國內(nèi)外的空前關(guān)注，在今后空氣過濾材料市場中覆膜過濾材料的比重將會不斷增加。

(2)高性能纖維的應(yīng)用使得空氣過濾材料在性能和適用范圍上有了很大的飛躍。由于一般的過濾材料受到耐溫等性能的限制，需對過濾材料進行處理，增加了成本。高性能纖維的應(yīng)用有利于生產(chǎn)耐高溫、耐腐蝕、抗拉伸度高、使用壽命長的過濾材料，也減少了繁瑣的后處理工序。

(3)隨著各種新型耐高溫空氣過濾材料的出現(xiàn)，帶來了一系列成本和生產(chǎn)方面的問題，如纖維和過濾材料的生產(chǎn)需耗費大量的資源和資金，所以今后不僅要關(guān)注過濾材料的高效，還要將降低成本和環(huán)境問題作為一個重要的研發(fā)內(nèi)容。

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Research on high temperature resistance air filter media

Wang Lu1，Yu Bin1，Zhu Chengyan1，Shi Shubo2and Liu Beiren2
(1.Zhejiang Sci-Tech University;2.Hangzhou Advanced Nonwoven Co.，Ltd.)

The development status and the characteristics of high temperature resistance air filter media were introduced.The performances and research situation of novel filter media made of various materials，such as glass fiber，aramid fiber，PTFE membrane，P84 and PPS were summarized.The development trend of high temperature resistance filter media was also discussed in the paper.

high temperature resistance air filter media，performance，present situation of research，development trend

TS106.62

A

1004－7093(2010)03－0001－05

2009－11－03

王璐，女，1987年生，在讀碩士研究生。主要研究方向是非織造過濾材料。