聚結(jié)濾芯的結(jié)構(gòu)和材料分析

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(1.中國人民解放軍總后勤部油料研究所， 北京　102300； 2.中國科學院化學研究所， 工程塑料院重點實驗室、北京分子科學國家實驗室， 北京　100190)

引言

隨著國防領空安全的不斷加強和民用航空工業(yè)的不斷發(fā)展，噴氣燃料作為飛機的主要能源，對其性能要求也越來越高。噴氣燃料除了其本身的理化性能要符合要求外，燃料的潔凈度也是一個必須嚴格控制的指標[1]。保證噴氣燃料的潔凈度主要通過控制燃料中的污染物含量。燃料中的污染物分為水分和固體雜質(zhì)。相對于固體雜質(zhì)，噴氣燃料中水污染造成的危害更加嚴重。水污染會腐蝕發(fā)動機部件、滋生微生物細菌、水中的腐蝕性物質(zhì)會造成元件破壞以及加速燃料氧化等[2-5]。甚至燃料中的水污染含量并不多時，也能造成這一系列的危害。目前噴氣燃料主要通過過濾分離器清除其中的水分和固體雜質(zhì)。過濾分離器是由聚結(jié)濾芯和分離濾芯兩種搭配組成，通過過濾、聚結(jié)和分離的方法保證航空燃料的清潔度，其中聚結(jié)濾芯是過濾分離器的核心部分。聚結(jié)濾芯的性能好壞對整個過濾分離器的過濾分離效果有很大影響。

1　聚結(jié)分離過程

油水的聚結(jié)分離就是噴氣燃料及其攜帶的固體顆粒和水分從過濾分離器進口流入聚結(jié)濾芯的內(nèi)部，聚結(jié)濾芯兼有過濾固體顆粒和聚結(jié)水滴的兩種功效，其中固體顆粒被過濾層阻擋在聚結(jié)濾芯的內(nèi)部，實現(xiàn)固、液分離；小水滴被破乳層和聚結(jié)層聚結(jié)成大水滴后，被分離濾芯阻擋在其外部，依靠重力沉降在底部，實現(xiàn)油、水分離；潔凈的噴氣燃料經(jīng)分離濾芯從出口流出。

有效聚結(jié)分離過程的簡單示意圖如圖1所示。

(1) 水滴的接近過程。含水的燃料接近聚結(jié)材料。此過程可以通過攔截、沉淀、擴散、靜電吸引、慣性碰撞和范德華力等方式實現(xiàn)。對于較小水滴，擴散作用為主要影響因素，隨著水滴尺寸的增加，擴散作用減弱，攔截作用增強；

(2) 水滴粘附聚結(jié)過程。燃料中水滴附著在聚結(jié)材料上或已附著在纖維上的水滴上。水滴與聚結(jié)纖維接觸時，它們之間滯留有油膜，水滴必須從纖維上將油膜置換并使纖維濕潤，才能實現(xiàn)水滴在纖維上的粘附過程。粘附聚結(jié)過程中除了水滴與纖維之間的潤濕粘附，還存在水滴之間的碰撞粘附。通常發(fā)生兩個或幾個水滴間的碰撞聚結(jié)時，需要適當?shù)淖饔昧Σ拍軐崿F(xiàn)。作用力小時，水滴之間碰觸變形，界面膜不破裂，此時聚結(jié)是不能發(fā)生的。作用力過大時，界面膜破碎，水滴碰撞后會出現(xiàn)液滴破碎。液滴破碎將會增加乳液穩(wěn)定性，增大油水分離難度，是最應該避免發(fā)生的現(xiàn)象；

(3) 水滴釋放脫離過程。增大的水滴聚結(jié)到一定尺寸后將從纖維表面釋放。水滴碰撞聚集后以水線的形式穿過聚結(jié)纖維床，到達纖維床出口表面后在液體曳力的作用下，聚結(jié)的大尺寸水滴從聚結(jié)床表面脫離釋放。

圖1　聚結(jié)脫水基本過程

2　聚結(jié)濾芯結(jié)構(gòu)和材料分析

聚結(jié)濾芯一般都為圓柱結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖2所示。從內(nèi)到外分別是金屬網(wǎng)、濾紙過濾層、中心管、纖維層以及脫水棉套等。纖維層的組成主要分為破乳層、內(nèi)聚結(jié)層和外聚結(jié)層等，其作用是對燃料中的微量水分進行破乳-聚結(jié)，是整個濾芯的核心部分，也是需要重點分析的部分。本研究剖析的聚結(jié)濾芯是符合API/IP l581最新檢驗標準，其截面圖如圖3所示。從圖中可以看出聚結(jié)濾芯的纖維層主要由三種不同纖維組成，各層厚度也有明顯區(qū)別，為了進一步分析濾芯的纖維組成，分別從中心管外層剪下一段濾芯纖維材料，如圖4所示。從左到右分別為由中心管開始的從里到外濾芯逐層組成材料的宏觀圖片，其標號如圖4所示。F1、F2和F3層屬于濾芯的纖維層，F(xiàn)4層為纏繞網(wǎng)，F(xiàn)5層為無紡布纖維層，F(xiàn)6層是脫水棉套。從圖中可以看出3種纖維層的厚度從里到外逐漸增加，F(xiàn)1和F3層纖維為黃色，F(xiàn)2層纖維為淡黃色。

1.金屬網(wǎng)　2.中心管　3.脫水棉套　4.外聚結(jié)尾 5.內(nèi)聚結(jié)尾　6.破乳層　7.過濾層圖2　聚結(jié)濾芯結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　聚結(jié)濾芯的截面圖

圖4　聚結(jié)濾芯的各層材料宏觀圖片

2.1　纖維絲直徑

纖維直徑的大小是影響聚結(jié)分離效率的主要因素。纖維絲徑越小，孔徑越小，接觸面積就越大，水滴附著在纖維上的幾率也就越大，但纖維過細或孔徑過小會導致液體流動阻力加強，壓差增大，縮短了濾芯使用壽命。采用Hitachi S-4800掃描電子顯微鏡對不同纖維層試樣進行了形貌觀察。圖5～圖7分別為F1、F2和F3纖維層的掃描圖片。從圖5～圖7中可以看出F1、F2和F3纖維層的直徑變化是粗—細—粗。從圖5可以看出F1層纖維上均勻沉積著納米顆粒，顆粒大小較一致，在200 nm左右，該層纖維在聚結(jié)分離過程中的作用為破乳，纖維表面的顆粒物質(zhì)可能利于油中水滴的破乳過程。F2層纖維直徑明顯減小，屬于超細纖維層，該層纖維兼具破乳和聚結(jié)作用。從圖7中可以看出F3層纖維表面較光滑平整，而且F3纖維層較厚，該層纖維應屬于聚結(jié)纖維層。

圖5　F1纖維層SEM圖片

圖6　F2纖維層SEM圖片

圖7　F3纖維層SEM圖片

2.2　材料成分

采用紅外光譜儀對聚結(jié)濾芯中F1、F2和F3纖維層成分進行了分析，各層纖維紅外光譜結(jié)果如圖8所示。 通過和標準光譜對比， 得出這三種纖維都是玻璃纖維。 從圖4中可以看出3種玻璃纖維的顏色不同，黃色玻璃纖維中可能存在較多的粘結(jié)劑。

圖8　不同纖維層紅外光譜圖

2.3　接觸角分析

纖維的表面性能也是影響濾芯聚結(jié)分離效果的重要因素之一。采用接觸角測試儀分別對3種纖維的兩側(cè)接觸角進行了測試，測試結(jié)果如表1所示。表中纖維內(nèi)側(cè)表示靠近中心管一側(cè)， 外側(cè)表示遠離中心管一層。從測試結(jié)果可以看出，聚結(jié)濾芯中的三種玻璃纖維表面都表現(xiàn)為疏水性能，為單一疏水性結(jié)構(gòu)。

表1　各纖維層表面接觸角　單位：度

3　討論分析

3.1　結(jié)構(gòu)分析

結(jié)合宏觀截面圖和SEM微觀掃描圖結(jié)果，表2給出了聚結(jié)濾芯的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。從表中可以看出F1層纖維厚度很薄，纖維直徑是三種纖維中最粗的，約為10 μm，這層纖維位于最靠近中心管位置，屬于破乳層。F2層纖維平均直徑約為1.5 μm，層厚在3 mm，這層纖維也是破乳層， 同時也兼具了一定的初步聚結(jié)效果。F3層纖維直徑和厚度進一步增大，分別為5 μm和5 mm，該層纖維的主要作用是聚結(jié)水滴， 在聚結(jié)濾芯設計過程中聚結(jié)層纖維要具有一定厚度，否則在液體快速流過聚結(jié)濾芯時，水滴有可能來不及聚結(jié)成大尺寸的液滴，而隨液體流過了濾芯，那么將大大降低聚結(jié)濾芯的分離效率。

表2　聚結(jié)濾芯主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2　材料分析

通過前面的研究結(jié)果可以得出聚結(jié)濾芯主要通過不同直徑和厚度的玻璃纖維層組合達到破乳和聚結(jié)的作用。大多數(shù)研究表明[6-8]，破乳層的纖維直徑越細，比表面越大，能促進破乳效果。在以往國內(nèi)外的聚結(jié)濾芯設計中也都是將類似于F2層的超細纖維作為破乳層，緊靠中心管纏繞。因此為了了解本研究剖析的聚結(jié)濾芯在靠近中心管位置先纏繞1層粗纖維層的原因，對F1層的纖維材料做了進一步分析。

如圖9所示，從F1層纖維高倍SEM圖中(圖5b)可以看出這層纖維表面沉積了大量的納米顆粒，通過對納米顆粒進行EDS能譜分析得出這些納米顆粒主要成分和玻璃纖維類似，主要也是二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鈉等。Shin課題組[9,10]研究了在玻璃纖維中加入納米聚苯乙烯纖維，研究指出納米纖維的加入提高了捕獲效率，但是也引起了壓差的增大，因此納米纖維的含量不是越高越好。由此推測F1層纖維在聚結(jié)濾芯中為破乳層纖維，其纖維表面上的納米顆粒在改善破乳效果方面和添加納米纖維的作用一樣，纖維上均勻的納米顆粒增大了纖維的比表面積，在油水混合物流經(jīng)纖維層時，突起的納米顆粒可以增加捕獲水滴的幾率。此外沉積納米顆粒和添加納米纖維不同是：加入納米纖維時纖維層的孔徑明顯減小，因此導致液體通過纖維層時阻力會明顯增大；而在纖維上沉積納米顆粒時，對纖維層孔徑的減小并不明顯，對壓差增大的影響也就能相應減小。Park[11]等人利用化學氣相沉積法在玻璃纖維表面沉積碳納米管，將這種玻璃纖維作為空氣過濾材料，實驗結(jié)果顯示，碳納米管的沉積有效地提高了濾芯過濾納米和微米顆粒的效果， 而壓差并沒有增大。雖然目前沒有具體文獻研究過這種表面沉積納米顆粒的玻璃纖維作為油水分離材料時對聚結(jié)分離效率的影響，但可以推論，這種在表面沉積納米顆粒的纖維材料應該可以作為新型有效聚結(jié)濾芯破乳層材料，對此結(jié)論后續(xù)還將做進一步的驗證。

圖9　F1層纖維上顆粒EDS能譜圖

4　結(jié)論

聚結(jié)濾芯是過濾分離器實現(xiàn)對噴氣燃料脫水的關鍵，聚結(jié)濾芯的結(jié)構(gòu)和材料組成是影響其性能的主要因素。本研究剖析的聚結(jié)濾芯主要是由不同直徑和厚度的玻璃纖維層構(gòu)成，功能分為破乳層和聚結(jié)層，從破乳層到聚結(jié)層玻璃纖維直徑變化是粗—細—粗，厚度是逐漸增加。其中破乳層采用沉積納米顆粒的玻璃纖維，這為聚結(jié)濾芯材料的選擇提供了新的思路。

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