工業(yè)除塵濾料高溫拉伸性能研究

國(guó)家紡織品服裝服飾產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心， 廣東 廣州 511447

隨著我國(guó)工業(yè)化程度的不斷提高，企業(yè)排放的工業(yè)煙氣中的顆粒物對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越大。近年來(lái)，國(guó)家環(huán)保部門重點(diǎn)推廣袋式除塵技術(shù)的應(yīng)用，而工業(yè)除塵濾料是袋式除塵器的核心部件，其性能直接影響整套袋式過(guò)濾系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。在進(jìn)行工業(yè)煙氣除塵時(shí)，工業(yè)煙氣的溫度往往在50 ℃以上，有的甚至達(dá)到100 ℃以上。工業(yè)除塵濾料長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境中過(guò)濾煙氣中的顆粒物，同時(shí)受到風(fēng)力載荷的拉伸作用。目前，工業(yè)除塵濾料的拉伸斷裂試驗(yàn)在室溫環(huán)境中進(jìn)行，或者采用烘箱對(duì)樣品進(jìn)行規(guī)定時(shí)間的高溫預(yù)處理，然后在室溫環(huán)境中進(jìn)行拉伸斷裂試驗(yàn)[1-2]，但此時(shí)熱作用和拉伸作用是分開(kāi)進(jìn)行的，不能完全模擬工業(yè)除塵濾料在高溫環(huán)境中承受拉伸的實(shí)際應(yīng)用情況。工業(yè)除塵濾料的高溫拉伸蠕變是指濾料長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境中，在恒定拉伸載荷(其遠(yuǎn)小于濾料的拉伸斷裂強(qiáng)力)的作用下發(fā)生緩慢伸長(zhǎng)，甚至斷裂的現(xiàn)象。高溫拉伸蠕變性能可以全面表征工業(yè)除塵濾料在高溫環(huán)境中的變形狀況。

與濾料在室溫環(huán)境中進(jìn)行拉伸試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱“室溫拉伸試驗(yàn)”)、濾料經(jīng)高溫預(yù)處理再在室溫環(huán)境中進(jìn)行拉伸試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱“高溫預(yù)處理+室溫拉伸試驗(yàn)”)相比，濾料在高溫環(huán)境中進(jìn)行拉伸試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱“高溫拉伸試驗(yàn)”)更接近工業(yè)除塵濾料的實(shí)際工況，在工業(yè)除塵濾料高溫拉伸性能的評(píng)價(jià)方面更具有優(yōu)勢(shì)，利于更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)工業(yè)除塵濾料在高溫工況中的拉伸性能。

本文通過(guò)高溫拉伸斷裂試驗(yàn)研究工業(yè)除塵濾料的高溫拉伸斷裂性能，并且與室溫拉伸斷裂試驗(yàn)結(jié)果、高溫預(yù)處理+室溫拉伸斷裂試驗(yàn)結(jié)果比較，分析熱作用和拉伸作用同時(shí)發(fā)生對(duì)工業(yè)除塵濾料拉伸斷裂性能的影響；同時(shí)，通過(guò)高溫拉伸蠕變?cè)囼?yàn)研究拉伸蠕變載荷對(duì)工業(yè)除塵濾料高溫拉伸蠕變性能的影響，以期為濾料的使用評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐，為濾料使用壽命的預(yù)測(cè)提供幫助。

1 試樣及測(cè)試儀器

1.1 試樣

耐高溫工業(yè)除塵濾料：針刺非織造氈，面密度為500 g/m2，在壓強(qiáng)為0.5 kPa時(shí)測(cè)得其厚度為1.679 mm。

1.2 測(cè)試儀器

(1) 電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(圖1)，用于對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行高溫及室溫條件下的拉伸斷裂試驗(yàn)和高溫拉伸蠕變?cè)囼?yàn)。采用美國(guó)英斯特朗(Instron)公司生產(chǎn)的型號(hào)為Instron 5699-E2的電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，其為等速伸長(zhǎng)型(CRE)，主要部件包括加載系統(tǒng)、夾持系統(tǒng)、高溫環(huán)境箱等。

圖1 Instron 5699-E2電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)

(2) 烘箱(圖2)，用于對(duì)試樣進(jìn)行高溫預(yù)處理。采用德國(guó)美墨爾特(Memmert)公司生產(chǎn)的型號(hào)為UF110-B0的烘箱，其使用溫度范圍為室溫至250 ℃。

圖2 UF110-B0烘箱

2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容主要包括兩個(gè)部分：高溫/室溫拉伸斷裂試驗(yàn)和高溫拉伸蠕變?cè)囼?yàn)。

2.1 高溫/室溫拉伸斷裂試驗(yàn)

測(cè)量試樣的拉伸斷裂強(qiáng)力和拉伸斷裂伸長(zhǎng)率，其試驗(yàn)內(nèi)容主要包括：(1)在室溫(20 ℃)環(huán)境中對(duì)試樣進(jìn)行拉伸斷裂試驗(yàn)；(2)首先對(duì)試樣進(jìn)行高溫預(yù)處理，即將試樣置于100 ℃烘箱中24 h后冷卻至室溫，再在室溫(20 ℃)環(huán)境中進(jìn)行拉伸斷裂試驗(yàn)；(3)在不同高溫(100、150、200、250 ℃)環(huán)境中對(duì)試樣進(jìn)行拉伸斷裂試驗(yàn)。根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算獲得試樣在高溫環(huán)境中的拉伸斷裂強(qiáng)力損失率和試樣經(jīng)高溫預(yù)處理后的拉伸斷裂強(qiáng)力損失率，對(duì)試樣的高溫拉伸斷裂性能與試樣經(jīng)高溫預(yù)處理后的拉伸斷裂性能進(jìn)行對(duì)比。

2.2 高溫拉伸蠕變?cè)囼?yàn)

測(cè)量試樣的高溫拉伸蠕變性能，采用蠕變曲線及數(shù)據(jù)表示。試驗(yàn)參數(shù)：蠕變時(shí)間1 800 s，試驗(yàn)溫度100 ℃，蠕變載荷50、 100、 150、 200 N。

3 結(jié)果和討論

3.1 高溫/室溫拉伸斷裂試驗(yàn)

高溫(100 ℃)拉伸斷裂試驗(yàn)結(jié)束后的試樣形態(tài)如圖3所示。

圖3 高溫(100 ℃)拉伸斷裂試驗(yàn)后的試樣形態(tài)

從圖3可以看出，試樣中間部位的寬度變窄，被電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上的夾持器夾持部位的寬度保持不變，試樣寬度轉(zhuǎn)變區(qū)域的應(yīng)力較集中，因此試樣在此處發(fā)生斷裂的情況較多。

試驗(yàn)溫度與試樣拉伸斷裂強(qiáng)力的關(guān)系如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)溫度與試樣拉伸斷裂強(qiáng)力的關(guān)系

從圖4可以看出，隨著試驗(yàn)溫度升高，試樣的縱、橫向拉伸斷裂強(qiáng)力均呈線性下降趨勢(shì)。溫度升高，導(dǎo)致纖維分子熱運(yùn)動(dòng)加劇及分子鏈間的滑移程度加大，因此工業(yè)除塵濾料的拉伸斷裂強(qiáng)力下降。當(dāng)試驗(yàn)溫度從100 ℃升到200 ℃時(shí)，試樣的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力從1 052.84 N/(5 cm)下降至833.23 N/(5 cm)，下降了20.9%；試樣的橫向拉伸斷裂強(qiáng)力從1 128.30 N/(5 cm)下降至953.47 N/(5 cm)，下降了15.5%。

對(duì)試樣在不同試驗(yàn)溫度下的縱、橫向拉伸斷裂強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到：

試樣縱向拉伸斷裂強(qiáng)力的線性擬合方程

y=1 269.140 9-2.288 80x

(1)

試樣橫向拉伸斷裂強(qiáng)力的線性擬合方程

y=1 303.741-1.914 74x

(2)

從上述兩個(gè)線性擬合方程，可以看出它們的斜率不同，方程(1)的斜率(2.288 80)大于方程(2)的斜率(1.914 74)。由此可見(jiàn)，隨著試驗(yàn)溫度升高，試樣的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力的下降速度較橫向快。在各個(gè)試驗(yàn)溫度下，試樣的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力均低于橫向，并且隨著試驗(yàn)溫度升高，縱、橫向拉伸斷裂強(qiáng)力的差異增大，這與方程(1)和(2)的斜率一致。

試驗(yàn)溫度與試樣拉伸斷裂伸長(zhǎng)率的關(guān)系如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)溫度與試樣拉伸斷裂伸長(zhǎng)率的關(guān)系

從圖5可以看出，隨著試驗(yàn)溫度不斷升高，試樣的拉伸斷裂伸長(zhǎng)率首先逐漸增大，在試驗(yàn)溫度為150 ℃時(shí)達(dá)到最大，然后逐漸減小。分析其原因，當(dāng)試驗(yàn)溫度在150 ℃以下時(shí)，濾料大分子結(jié)構(gòu)中的分子鏈移動(dòng)對(duì)伸長(zhǎng)率的增大起主要作用；當(dāng)試驗(yàn)溫度超過(guò)150 ℃后，濾料大分子結(jié)構(gòu)中的分子鏈移動(dòng)對(duì)伸長(zhǎng)率的增大作用，小于此時(shí)濾料強(qiáng)力下降導(dǎo)致的伸長(zhǎng)率下降作用。

比較圖4和圖5的曲線形狀，可以看出隨著試驗(yàn)溫度升高，試樣拉伸斷裂伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)并不同于其拉伸斷裂強(qiáng)力的線性下降趨勢(shì)，而是呈現(xiàn)出先增后降的拋物線變化趨勢(shì)。

不同試驗(yàn)方法(試驗(yàn)溫度分別為室溫、100 ℃高溫、100 ℃高溫預(yù)處理+室溫)得到的試樣拉伸斷裂強(qiáng)力對(duì)比如圖6所示。

圖6 不同試驗(yàn)方法得到的試樣拉伸斷裂強(qiáng)力

以試樣的室溫拉伸斷裂強(qiáng)力為基準(zhǔn)，對(duì)試樣的100 ℃高溫拉伸斷裂強(qiáng)力做比較，其縱向拉伸斷裂強(qiáng)力保持率為77.8%，即拉伸斷裂強(qiáng)力損失率為22.2%；其橫向拉伸斷裂強(qiáng)力保持率為82.0%，即拉伸斷裂強(qiáng)力損失率為18.0%。由此可見(jiàn)，高溫拉伸斷裂試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У乇碚鳒囟壬邔?duì)工業(yè)除塵濾料拉伸斷裂強(qiáng)力的影響。

同樣地，以試樣的室溫拉伸斷裂強(qiáng)力為基準(zhǔn)，對(duì)試樣的100 ℃高溫預(yù)處理+室溫拉伸斷裂強(qiáng)力做比較，其縱向拉伸斷裂強(qiáng)力保持率為99.6%，即拉伸斷裂強(qiáng)力損失率為0.4%；其橫向拉伸斷裂強(qiáng)力保持率為100.3%，即拉伸斷裂強(qiáng)力未損失且略增加。由此可見(jiàn)，高溫預(yù)處理對(duì)試樣拉伸斷裂強(qiáng)力的影響很小，對(duì)試樣進(jìn)行100 ℃高溫預(yù)處理再在室溫環(huán)境中進(jìn)行拉伸斷裂試驗(yàn)，不能有效地表征高溫對(duì)濾料拉伸斷裂強(qiáng)力的影響。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在溫度和拉伸載荷同時(shí)作用的情況下，工業(yè)除塵濾料的拉伸斷裂強(qiáng)力下降較快，濾料會(huì)更快地發(fā)生破壞；采用高溫對(duì)工業(yè)除塵濾料進(jìn)行預(yù)處理后再冷卻至室溫進(jìn)行拉伸斷裂試驗(yàn)，無(wú)法真實(shí)反映工業(yè)除塵濾料在實(shí)際工況中受到的高溫?zé)嶙饔煤洼d荷作用。因此，對(duì)于長(zhǎng)期應(yīng)用于高溫環(huán)境的工業(yè)除塵濾料而言，高溫拉伸試驗(yàn)更合理。

3.2 高溫拉伸蠕變?cè)囼?yàn)

高溫拉伸蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)束后的試樣形態(tài)如圖7所示。

圖7 高溫拉伸蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)束后的試樣形態(tài)

從圖7可以看出，高溫拉伸蠕變?cè)囼?yàn)后，試樣發(fā)生了不可回復(fù)的塑性變形，其隨著拉伸蠕變載荷提高而增加，當(dāng)拉伸蠕變載荷為150、 200 N時(shí)，蠕變伸長(zhǎng)明顯，試樣中間部位的寬度明顯變窄，表明濾料發(fā)生了較明顯的塑性變形。

試樣高溫拉伸蠕變曲線如圖8所示，可以看出，在達(dá)到恒定的蠕變載荷之前，隨著蠕變載荷增大，試樣的伸長(zhǎng)快速增加。當(dāng)蠕變載荷分別為100、 200 N時(shí)，達(dá)到恒定的蠕變載荷時(shí)，試樣的伸長(zhǎng)分別為13.451、 31.891 mm，后者比前者增加137.1%。當(dāng)蠕變載荷分別為50、 100、 150、 200 N時(shí)，試樣的蠕變伸長(zhǎng)分別為1.350、 1.113、 1.179、 0.889 mm。也就是說(shuō)，在四種蠕變載荷下，試樣的蠕變伸長(zhǎng)在0.800～1.400 mm。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在達(dá)到恒定的蠕變載荷前，隨著蠕變載荷增大，試樣的伸長(zhǎng)大幅增加(達(dá)兩倍以上)，而試樣的蠕變伸長(zhǎng)則呈逐漸減小趨勢(shì)。

圖8 試樣高溫拉伸蠕變曲線(試驗(yàn)溫度100 ℃)

4 結(jié)論

(1) 在100 ℃高溫拉伸斷裂試驗(yàn)中，溫度和載荷同時(shí)作用，試樣的拉伸斷裂強(qiáng)力下降幅度較大，以室溫拉伸斷裂強(qiáng)力為基準(zhǔn)做比較，試樣的縱、橫向拉伸斷裂強(qiáng)力損失率分別為22.2%、 18.0%；在100 ℃高溫預(yù)處理+室溫拉伸斷裂試驗(yàn)中，溫度作用和載荷作用不同時(shí)發(fā)生，同樣以室溫拉伸斷裂強(qiáng)力為基準(zhǔn)做比較，試樣的縱、橫向拉伸強(qiáng)力損失率基本可以忽略不計(jì)，因此無(wú)法表征溫度升高對(duì)工業(yè)除塵濾料拉伸斷裂強(qiáng)力的影響。由此表明，對(duì)于長(zhǎng)期應(yīng)用于高溫環(huán)境的工業(yè)除塵濾料，高溫拉伸斷裂試驗(yàn)更合理，它能夠更好地模擬工業(yè)除塵濾料的實(shí)際工況，而高溫預(yù)處理+室溫拉伸斷裂試驗(yàn)則無(wú)法有效表征工業(yè)除塵濾料在實(shí)際工況中經(jīng)受的高溫對(duì)其拉伸斷裂性能的影響。

(2) 經(jīng)高溫拉伸蠕變?cè)囼?yàn)后，試樣呈現(xiàn)出不可回復(fù)的塑性變形，其隨著蠕變載荷增大而增加。當(dāng)蠕變載荷較大時(shí)，試樣中間部位的寬度明顯變窄，表明工業(yè)除塵濾料發(fā)生了較明顯的塑性變形，這會(huì)影響工業(yè)除塵濾料的過(guò)濾性能和使用壽命。

(3) 在高溫拉伸蠕變?cè)囼?yàn)中，隨著蠕變載荷不斷增大，在達(dá)到恒定的蠕變載荷前，試樣的伸長(zhǎng)大幅增加(達(dá)兩倍以上)，而試樣的蠕變伸長(zhǎng)則呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。