玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料的研發(fā)

費(fèi)建信，顧益飛

（上海博格工業(yè)用布有限公司，上海 201302）

引言

以資源、能源消耗性為主的重化工（電力、建材、冶金、化工等）工業(yè)近年來迅速發(fā)展，隨之帶來的環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重。

以煤炭為例，假設(shè)煤炭產(chǎn)量中的50%用于發(fā)電供熱的煤炭鍋爐，按生煙量7000Nm3/t標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算，發(fā)電供熱的煤炭鍋爐產(chǎn)生煙氣量為121.17億kNm3，按平均煙塵排放濃度150mg/Nm3計(jì)算，年煙塵排放量達(dá)到1817.55萬噸。如果這些煙塵未經(jīng)處理都排向大氣，給環(huán)境帶來的污染可想而知。而工業(yè)排放的其他污染物（如水泥生產(chǎn)、鋼鐵冶煉、垃圾焚燒等）也給地球帶來了壓迫感。為徹底解決工業(yè)煙塵對大氣環(huán)境的污染，人類發(fā)明了袋式除塵器以及能截留細(xì)微粉塵顆粒的覆膜濾料，但其相對較高的運(yùn)行阻力不利于節(jié)能。因此研發(fā)出過濾精度高、價格合理的新產(chǎn)品是當(dāng)前除塵市場的迫切需求。

1 玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料

玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料是采用高強(qiáng)度的無堿玻纖機(jī)織布為基材，以PPS、PTFE混紡作為纖維網(wǎng)層，進(jìn)行水刺使纖網(wǎng)初步得到固結(jié)，然后采用寬幅、高均勻度和平整度的梳理機(jī)梳出纖維面層，利用高壓水射流對纖網(wǎng)進(jìn)行沖擊，使PTFE纖維原纖化，如同一層附于織物表面的PTFE薄膜。形成三維容塵立體結(jié)構(gòu)，最后對制成的玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺過濾材料進(jìn)行烘干、熱定型或者浸漬處理等后處理工藝，使濾料的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、抗結(jié)露、過濾效率、尺寸穩(wěn)定性、收縮率和濾料強(qiáng)度等性能顯著提高，以達(dá)到在電廠煙氣凈化袋式除塵器中除塵的技術(shù)要求。與覆膜濾料相比，其具有價格低、耐溫更高等特殊優(yōu)點(diǎn)。

2 玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料的原料

2.1 玻璃纖維濾布

玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料采用的是連續(xù)玻纖濾布作為基材。

玻璃纖維是一種無機(jī)非金屬材料，耐高溫，不燃，抗腐，抗拉強(qiáng)度高，電絕緣性好。但脆性大、耐磨性和耐折性差，利用針刺對纖維的損傷都很大。

玻纖濾布按照織造方式，主要品種可分為：斜紋、破斜紋、緯二重等不同組織。本產(chǎn)品玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料的基材采用的是緯二重的方式。

2.2 PPS纖維

PPS纖維截面形狀通常為圓形（見圖1），但日本東洋紡也生產(chǎn)商品名為Procon的三葉形聚苯硫醚纖維（見圖2）。

圖1 PPS纖維圓柱形截面

圖2 PPS纖維三葉形截面

PPS纖維是由苯撐結(jié)構(gòu)單元組成，具有高的結(jié)晶度，經(jīng)固化交聯(lián)，具有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能和不水解性。其在170℃以下不溶于任何溶劑。只有在190℃以上才部分地溶解在氯代芳香烴溶劑（二苯醚、氯化萘、聯(lián)苯、氯化聯(lián)苯等）及雜環(huán)化合物中。在無機(jī)酸中，除強(qiáng)氧化性酸外，不受其它酸腐蝕。PPS纖維在溫度至200℃的范圍內(nèi)能經(jīng)受多種酸、堿、鹽和其它化工介質(zhì)的腐蝕，其耐蝕性能僅次于PTFE纖維。同時它還具有良好的電絕緣性、尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能。

2.3 PTFE纖維

PTFE纖維的分子量大，分子表面幾乎全部為氟原子覆蓋。PTFE纖維是耐化學(xué)腐蝕性最好的纖維，可耐各種強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的腐蝕；可耐260℃的高溫，在高溫條件下的阻燃性，電絕緣性都很好；摩擦系數(shù)較低，不沾性、耐磨性、抗水解、抗氧化性也都很好；寬溫度范圍內(nèi)，機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異，并且使用壽命長。研究表明PTFE經(jīng)高速高壓的水射流沖擊后可分裂成更細(xì)小的纖維，用其制成的過濾產(chǎn)品有突出的過濾性能。

3 玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料的工藝

玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料采用水刺面層包裹玻纖濾布，使玻纖的性能優(yōu)勢達(dá)到最大化，克服了玻纖不耐磨、不耐折的缺點(diǎn)。

濾料迎塵面選用性能優(yōu)異的PTFE纖維，以柔性高壓水流取代刺針在纖網(wǎng)中由上至下連續(xù)噴射并通過托網(wǎng)簾的反射作用使纖維相互纏繞成布。同時高壓水會對表面的PTFE纖維進(jìn)行開纖，形成更加微細(xì)的PTFE纖維層，提高了過濾精度?？商娲材V料適應(yīng)PM2.5的排放標(biāo)準(zhǔn)，并使過濾材料的失效周期延長。

采用玻纖機(jī)織布作為濾料的骨架層，增加了濾料的抗拉伸強(qiáng)度，提高了濾料的尺寸穩(wěn)定性及使用溫度，極大地延長了濾料的使用壽命和過濾效果。

濾料底層選用粗旦PPS纖維為原料。利用粗旦PPS纖維制成的水刺纖網(wǎng)，可在不影響阻力的前提下提高產(chǎn)品的耐磨性。

通過以上步驟產(chǎn)生的空調(diào)系統(tǒng)，需要進(jìn)行三種驗(yàn)證。第一，主要設(shè)備額定流量的匹配；第二，末端溫度滿足預(yù)設(shè)值；第三，動力設(shè)備壓頭達(dá)到要求。滿足以上要求，可視為空調(diào)系統(tǒng)合理。

將PPS和PTFE的纖網(wǎng)利用高壓水刺，使其貼合在玻纖濾布表面。產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈明顯梯次結(jié)構(gòu)，有效解決了過濾效率和阻力之間的矛盾，降低了濾料被堵塞的可能性，可明顯提高過濾精度，減小過濾阻力，提高過濾風(fēng)速。

制成后的濾料采用特氟隆聚四氟乙烯乳液整體浸漬處理，能提高濾料的抗氧化、耐腐蝕、耐溫能力，增強(qiáng)濾料的憎水性，延長了濾料的使用壽命，同時提高了濾料的過濾精度，并可以抗結(jié)露。

4 產(chǎn)品的性能

對PPS針刺氈、PPS覆膜針刺氈、玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺氈進(jìn)行性能對比。

4.1 阻力性能對比（見圖3）

圖3 產(chǎn)品的阻力情況對比

由圖3可知，3種產(chǎn)品的初始阻力情況對比結(jié)果為：PPS針刺＜玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺＜PPS覆膜針刺，玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料產(chǎn)品的阻力之所以會略微大于針刺產(chǎn)品，是因?yàn)橥ㄟ^高速高壓的水射流加固后纖維被細(xì)化，纖維與纖維間的空隙變小，使得初始阻力要大于針刺產(chǎn)品。

4.2 過濾性能對比（見圖4）

圖4 產(chǎn)品過濾精度的比較

從圖4可以看出，玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料的過濾精度要高于PPS針刺濾料的過濾精度。由于玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺產(chǎn)品采用的是表層過濾，它的過濾效率要比采用深層過濾的PPS針刺產(chǎn)品要高。從圖4中還可看出，玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料的過濾精度在相對于2微米顆粒時幾乎達(dá)到了針刺覆膜產(chǎn)品的過濾精度。這是因?yàn)樵摬牧咸厥獾娜S立體結(jié)構(gòu)及水射流細(xì)化纖維的結(jié)果。

PPS針刺氈和玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺氈的過濾性能測試結(jié)果見表1；潔凈濾料1000Pa噴吹30次后見圖5；老化后1000Pa噴吹2h的結(jié)果見表2、圖6； 老化后1800Pa噴吹2h結(jié)果見表3、圖7。

表1 過濾性能測試

圖5 潔凈濾料1000Pa噴吹30次

表2 老化后1000Pa噴吹2h

圖6 老化后1000Pa噴吹2h

表3 老化后1800Pa噴吹2h

圖7 老化后1800Pa噴吹2h

從以上圖、表可知：PPS針刺氈經(jīng)過30個噴吹周期的實(shí)驗(yàn)時間比玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料少2261s，PPS針刺氈排放濃度比玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料高出1.33mg/m3。在老化階段10,000次清灰中，PPS針刺氈的最終阻力比新型PPS水刺濾料高出159Pa。在1000Pa定壓噴吹2h中，PPS針刺氈比玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料的清灰次數(shù)要高出59次，平均清灰周期要短56s。玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料的循環(huán)次數(shù)為19次，平均清灰間隔為379s，粉塵排放濃度為0.054mg/m3。其阻力在清灰之后基本上沒有增加，即濾料的殘余阻力會相對比較穩(wěn)定。

5 產(chǎn)品的應(yīng)用

5.1 燃煤鍋爐

燃煤鍋爐排放的煙氣，溫度一般都較高并具有腐蝕性，氣體中所含的油霧、細(xì)微顆粒物等黏性物易附著在濾料表面造成濾料的堵塞，使除塵器的阻力上升，濾袋磨損。因此具有耐高溫、耐腐蝕的表面過濾產(chǎn)品“玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料”能很好地應(yīng)用于燃煤鍋爐。

5.2 垃圾焚燒

垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣具有以下特點(diǎn)：

（1）在燃燒中一些碳?xì)浠衔镆矔伤虼藷煔獾暮瑵窳恳草^大，一般為煙氣總量的23%～30%；

（2）由于垃圾成分復(fù)雜，燃燒后產(chǎn)生的煙塵中的有毒、有害成分也較復(fù)雜，其中包含一些微量重金屬，如汞、鎘、鉛、鉬、鉻、鎳、銅等；

（3）與燃煤鍋爐不同，垃圾焚燒煙氣除含有O2、SOX、CO2、NOX等外，還含有HCl、HF等酸性氣體，以及水蒸汽和烴類（THC）；

（4）煙塵的粒徑較小、黏度較高。

從以上特點(diǎn)可以看出，生活垃圾焚燒煙氣凈化袋式除塵器濾料的選擇具有很大的難度。由于垃圾焚燒煙氣成分復(fù)雜，一般濾料難以在該行業(yè)中使用，所以垃圾焚燒爐袋式除塵器采用的濾料主要有PPS濾料、P84濾料、玻璃纖維膨體紗及覆膜濾料、玻璃纖維針刺氈、PTFE纖維復(fù)合濾料和GORE-TEX等品種，以及PTFE纖維或者PTFE覆膜濾料。其中使用比較廣泛的是PPS濾料和P84濾料，尤其在國外的垃圾焚燒爐袋式除塵器中，這兩種濾料的使用量較大。所以性能比PPS更加優(yōu)越的玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料更加適合垃圾焚燒行業(yè)的使用。

6 發(fā)展前景

2013年發(fā)生的嚴(yán)重灰霾天氣已經(jīng)成為許多地區(qū)的重大民生問題。隨著全球?qū)Νh(huán)保的日趨重視，各國都不斷提高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)保除塵非織造過濾行業(yè)也隨之進(jìn)入高峰發(fā)展期，目前國內(nèi)行業(yè)的平均增長速度已是GDP的3倍左右。由于玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料具有過濾精度高、阻力小、使用壽命長等特點(diǎn)，煙氣過濾效果可達(dá)到歐美發(fā)達(dá)國家PM2.5排放標(biāo)準(zhǔn)，也是適應(yīng)我國煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)從PM10提高到PM2.5的更新?lián)Q代產(chǎn)品。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況和生產(chǎn)情況來看，玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺濾料的過濾效率、強(qiáng)度、透氣等性能都優(yōu)于針刺過濾材料，且玻纖/PPS、PTFE復(fù)合水刺氈的生產(chǎn)速度快、產(chǎn)量大、能源消耗少，可直接為廠家節(jié)約成本。因此該項(xiàng)目產(chǎn)品在各方面都有著極大的優(yōu)勢，同時與國外高檔的濾材技術(shù)指標(biāo)接軌，填補(bǔ)了國內(nèi)生產(chǎn)復(fù)合過濾材料的空白，對打破發(fā)達(dá)國家的技術(shù)壟斷和產(chǎn)業(yè)壟斷，提升我國環(huán)保過濾材料行業(yè)整體技術(shù)水平也具有重要意義。

我國工業(yè)用布中的除塵過濾材料今后的高速發(fā)展將會更加嚴(yán)格，該技術(shù)新產(chǎn)品將擁有非常廣闊的應(yīng)用前景，同時由于該技術(shù)的科技含量高，與其相關(guān)的設(shè)備儀器的科技含量也需隨之提高，從而必將也會帶動相關(guān)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化、科技化發(fā)展。