煙氣凈化用濾料表面改性及其性能

劉娜 陳香云 張永鋒 呂文靜 焦志穎

摘 要：為改善過濾材料的使用性能，滿足焦化廠除塵工況的使用要求，選用聚四氟乙烯乳液對(duì)玄武巖針刺濾料（X）、氟美斯針刺濾料（F）、玄武巖與氟美斯復(fù)合針刺濾料（XF）進(jìn)行表面改性，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)濾料改性前后的熱學(xué)性能、耐氧化性能、抗靜電性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：3種濾料表面改性前后均為放熱反應(yīng)，表面改性前后熱分解外推起始溫度均在350℃左右，焦?fàn)t煙氣平均溫度在230℃，均高于使用溫度，符合使用要求;經(jīng)氧化劑處理，3種濾料表面改性后斷裂強(qiáng)力損失率均值較小，說明抗氧化性能改善;表面改性前X濾料的感應(yīng)靜電等級(jí)為A級(jí)、F濾料的感應(yīng)靜電等級(jí)為A級(jí)、XF濾料的感應(yīng)靜電等級(jí)為C級(jí)，表面改性后X濾料、F濾料、XF濾料的感應(yīng)靜電等級(jí)均為B級(jí)。

關(guān)鍵詞：針刺濾料;表面改性濾料;表面改性;熱學(xué)性能;耐氧化性能;抗靜電性能

中圖分類號(hào)：TS176

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2022）01-0162-07

Abstract： In order to enhance the properties of filter material and meet the requirements of dust removal in coking plant， this study uses PTFE emulsion to modify the surface of basalt needle-punched filter material （X）， the FMS needle-punched filter material （F）， the basalt and FMS needle-punched filter material （XF）. According to relevant standards， thermal properties， oxidation resistance and antistatic properties of the filter material before and after the modification are tested. The results show that three kinds of filter materials are all exothermic reactions before and after surface modification. The extrapolated initial temperatures of thermal decomposition before and after surface modification are about 350℃， the average temperature of coke oven flue gas is 230℃， all higher than the operating temperature， which meets the requirements for use. After oxidant treatment， the average loss rate of breaking strength of three filter materials is small after surface modification， indicating that the oxidation resistance has been improved. Before surface modification， the induction electrostatic level is A for X filter material， A for F filter material， C for XF filter material， and B for X filter material， F filter material， and XF filter material after surface modification.

Key words： needle-punched filter material; surface modified filter material; surface modification; thermal properties; oxidation resistance; antistatic properties

隨著工業(yè)的日益進(jìn)步，為控制工業(yè)煙氣細(xì)顆粒物，實(shí)現(xiàn)超低排放，布袋除塵器在鋼鐵行業(yè)、水泥行業(yè)、垃圾焚燒等工業(yè)領(lǐng)域的使用占比為90%及以上，應(yīng)用極為廣泛[1-2]。作為工業(yè)除塵器的核心材料，濾料對(duì)打贏污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)發(fā)揮著舉足輕重的作用。目前，關(guān)于濾料的研究主要圍繞濾料材質(zhì)、織物結(jié)構(gòu)、表面處理技術(shù)3個(gè)方面。根據(jù)使用環(huán)境的溫度可選擇不同材質(zhì)的單一濾料或者復(fù)合濾料。對(duì)于滌綸濾料、聚苯硫醚濾料、玄武巖濾料的性能研究較多[3-8]，對(duì)于氟美斯濾料[9]、玄武巖與氟美斯復(fù)合濾料的研究相對(duì)較少。濾料的結(jié)構(gòu)可分為機(jī)織濾料和非織造濾料，由于針刺濾料呈立體結(jié)構(gòu)，孔徑小、阻力低，是發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的濾料[10-11]。但是，實(shí)際工況環(huán)境苛刻復(fù)雜，大部分濾料在溫度高、濕度高和腐蝕強(qiáng)的條件下不能保持其基本性能[12]，直接影響濾料的應(yīng)用范圍和使用壽命。因此，為滿足不同使用環(huán)境對(duì)濾料提出的差別化與功能化的要求，從提高濾料捕集效率、增加強(qiáng)度、延長使用壽命、降低生產(chǎn)成本的角度出發(fā)，探索分析不同種類濾料的后整理工藝和性能差異[13-14]。后整理方式包括拉幅定型、燒毛、熱熔延壓、浸漬、涂層、覆膜，前3種方式可改善濾料的表面平整度，利于清灰，提高收塵率。后3者是現(xiàn)今應(yīng)用較為廣泛的后處理方式，采用浸潤劑對(duì)濾料進(jìn)行處理，或是在整理液中加入發(fā)泡劑形成一定質(zhì)量的泡沫施加到濾料表面，亦或是通過在纖維的表面以及纖維與纖維之間形成不連續(xù)的薄膜，改善濾料氈體的結(jié)構(gòu)[15-17]。采用不同后處理方式對(duì)濾料進(jìn)行處理，可有效提高濾料的實(shí)際應(yīng)用性能，滿足使用需求。

本文運(yùn)用聚四氟乙烯乳液改性玄武巖針刺濾料（X）、氟美斯針刺濾料（F）、玄武巖與氟美斯復(fù)合針刺濾料（XF），探究改性對(duì)不同種類濾料的熱學(xué)性能、耐氧化性能和抗靜電性能等方面的影響，實(shí)現(xiàn)濾料的合理開發(fā)和利用，促進(jìn)綠色長久發(fā)展，對(duì)保護(hù)環(huán)境方面具有十分重要的實(shí)際應(yīng)用意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所需材料與儀器設(shè)備如表1、表2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 試樣準(zhǔn)備

將濾布裁剪成 25cm×5cm 試樣后，使用超聲波清洗器對(duì)試樣進(jìn)行清洗，電功率為 300 W，頻率 40 kHz，超聲清洗時(shí)間為 10 min。

1.2.2 整理液制備

將硅烷偶聯(lián)劑加入盛有 20 mL 去離子水的燒杯中，并取一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 PTFE 乳液倒入燒杯，加入聚乙烯醇、聚乙二醇固體粉末（質(zhì)量比為 12∶1∶1），去離子水配制整理液總體積為 200 mL，將盛有整理液的燒杯放置在磁力攪拌器中 1000r/min，攪拌 1h，溫度 80℃。

1.2.3 表面改性整理

把準(zhǔn)備好的濾布放入整理液中，將燒杯放入恒溫水浴鍋中，浸漬 3 h后取出并去除多余整理液，同時(shí)進(jìn)行熱壓處理，溫度 200℃，時(shí)間 10 s，壓力 0.3～0.4MPa。

1.3 性能測(cè)試與表征

1.3.1 熱學(xué)性能測(cè)試

使用 STA 449F5 熱重分析儀進(jìn)行 TG-DTG 測(cè)試。將濾料剪成粉末狀，稱取一定量的樣品置于坩堝內(nèi)。測(cè)試條件：從室溫至 1400℃，在空氣氣氛下，氣體流量 40 mL/min，升溫速率 10℃/min。

1.3.2 耐氧化性能測(cè)試

根據(jù)濾料的基本性質(zhì)，模擬工況溫度，分別設(shè)置不同時(shí)間、采取氧化劑氧化的方法對(duì)濾料進(jìn)行處理，以斷裂強(qiáng)力損失率表示抗氧化性能的優(yōu)劣。參照 GB/T 24218.3-2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測(cè)定（條樣法）》，使用 YG（B）026SH 型電子織物強(qiáng)力機(jī)測(cè)試濾料的斷裂強(qiáng)力。測(cè)試條件：樣品的加持距離為 20cm，拉伸速度為 100mm/min，測(cè)試次數(shù) 3 次。

1.3.3 抗靜電性能測(cè)試

參照 GB/T 12703-2008《紡織品 靜電性能的評(píng)定 第1部分：靜電壓半衰期》，使用 YG（B）324E 型織物感應(yīng)式靜電測(cè)試儀進(jìn)行靜電壓半衰期測(cè)試。將濾料裁剪為尺寸 45mm×45mm 的試樣，其與針形電極的間距 20mm;測(cè)試探頭與試樣間的測(cè)量距離 15mm;電源電壓 220 V/50Hz，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速 1500 r/min，放電時(shí)間 30 s，溫度 （20±2）℃，相對(duì)濕度 30%～40%，環(huán)境風(fēng)速 0.1 m/s 以下。測(cè)量次數(shù) 3 次。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性前后針刺濾料的熱學(xué)性能對(duì)比

2.1.1 X濾料

表面改性前和表面改性后X濾料的 TG-DTG 曲線，如圖 1所示。從室溫開始分別至 60、73℃，有一段微量的初失重，殘余物率為 98.76%、99.30%，溫度至 200℃ 幾乎沒有質(zhì)量和能量的變化。試樣在此期間的失重主要是由于吸附水分的釋放、試樣內(nèi)殘留溶劑的揮發(fā)。逐漸升溫，外推起始溫度分別為 364、356℃，殘余物率 94.97%、95.84%，此時(shí)纖維的高分子鏈段開始出現(xiàn)斷裂，隨后失重速率加快，溫度達(dá)到 423℃ 和 421℃ 出現(xiàn) DTG 極小值點(diǎn)，達(dá)到最大失重速率并伴隨明顯的吸收峰。外延終止溫度分別為 495、492℃，試樣殘余物率分別為 83.77%、86.27%。800℃ 試樣殘余物率分別為 83.07%、85.81%，1100℃試樣殘余物率分別為 83.42%、85.82%。

2.1.2 F濾料

表面改性前和表面改性后 F 濾料的 TG-DTG 曲線，如圖 2所示。隨著溫度升高，試樣的質(zhì)量幾乎保持不變，表面改性前和表面改性后試樣在 200℃ 時(shí)殘余物率分別為 99.69%、99.68%，這是由于樣品中殘留的一些水分會(huì)隨著溫度的升高慢慢蒸發(fā)，所以 TG 曲線的前段會(huì)出現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，曲線斜率的大小與樣品中殘留水分的多少有關(guān);隨溫度進(jìn)一步升高，下降速率最快，最大失重速率溫度分別為 419、421℃，此時(shí)試樣殘余物率分別為 94.16%、89.00%;隨著溫度的繼續(xù)升高，分解過程持續(xù)一段時(shí)間，當(dāng)升高到外延終止溫度分別為 532、533℃，樣品質(zhì)量的下降速度變緩，逐漸趨近于水平，試樣殘余物率分別為 87.83%、78.95%。800℃試樣殘余物率分別為 87.20%、77.91%，1100℃試樣殘余物率分別為 86.91%、77.53%。

2.1.3 XF濾料

表面改性前和表面改性后 XF 濾料的 TG-DTG 曲線，如圖 3所示。隨溫度升高，試樣的質(zhì)量幾乎保持不變，表面改性前和表面改性后試樣在 200℃ 時(shí)殘余物率分別為 99.34%、99.38%，這是由于樣品中殘留的一些水分會(huì)隨著溫度的升高慢慢蒸發(fā)，所以 TG 曲線的前段會(huì)出現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，曲線斜率的大小與樣品中殘留水分的多少有關(guān);隨溫度進(jìn)一步升高，下降速率最快，最大失重速率溫度分別為 421、420℃，此時(shí)試樣殘余物率為 87.50%、88.51%。隨著溫度的繼續(xù)升高，由圖3（a）所示，表面改性前 XF 濾料在549、661℃，反應(yīng)速率有變化。分解過程持續(xù)一段時(shí)間后，樣品質(zhì)量的下降速度變緩，逐漸趨近水平。800℃試樣殘余物率分別為 69.04%、77.17%，1100℃試樣殘余物率分別為 68.49%、76.71%。

在濾料的實(shí)際應(yīng)用中，焦化煙氣的平均溫度在230℃，但由于實(shí)際工況存在溫度波動(dòng)的情況，會(huì)對(duì)濾料造成短時(shí)間的高溫沖擊，這就要求濾料具有更好的耐溫穩(wěn)定性，否則會(huì)直接影響濾料的使用壽命。3種濾料的 TG-DTG 特征參數(shù)如表 3 所示。表面改性前后X濾料的熱分解外推起始溫度分別為364、356℃;表面改性前后F濾料的外推起始溫度分別為351、356℃;表面改性前后XF濾料的外推起始溫度分別為355、351℃，熱分解外推起始溫度均高于使用溫度，符合使用要求。表面改性前后X濾料最大失重速率溫度分別為423、421℃。表面改性前后F濾料最大失重速率溫度分別為419、421℃。表面改性前后XF濾料最大失重速率溫度分別為421、420℃?？傮w來說，表面改性對(duì)3種濾料的特征參數(shù)影響不大，進(jìn)一步說明表面改性前后濾料的熱轉(zhuǎn)變過程較為穩(wěn)定。

2.2 改性前后針刺濾料的耐氧化性能對(duì)比

采用高錳酸鉀（質(zhì)量濃度 2 g/L）作為氧化劑對(duì)濾料進(jìn)行氧化處理，分別處理 0、2、4h和6h，烘干測(cè)得斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率，如表 4 所示。表面改性前 X 濾料未經(jīng)處理時(shí)的斷裂強(qiáng)力 875.68 N，處理 2h 的強(qiáng)力損失率為 3.20%;處理 4h 的強(qiáng)力損失率為9.25%;處理 6h 的強(qiáng)力損失率為 14.38%。表面改性后 X 濾料未經(jīng)處理時(shí)的斷裂強(qiáng)力876.34 N，處理 2h 的強(qiáng)力損失率為 2.27%;處理 4h 的強(qiáng)力損失率為 8.11%;處理 6h 的強(qiáng)力損失率為 10.46%。表面改性前F濾料未經(jīng)處理時(shí)的斷裂強(qiáng)力 716.53N，處理 2h 的強(qiáng)力損失率為 8.95%;處理 4h 的強(qiáng)力損失率為 16.06%;處理 6h 的強(qiáng)力損失率為 24.88%。表面改性后F濾料未經(jīng)處理時(shí)的斷裂強(qiáng)力 822.81N，處理 2h 的強(qiáng)力損失率為 6.69%;處理4h 的強(qiáng)力損失率為 15.32%;處理 6h 的強(qiáng)力損失率為 22.91%。表面改性前 XF 濾料未經(jīng)處理時(shí)的斷裂強(qiáng)力 640.65N，處理 2h 的強(qiáng)力損失率為 29.56%;處理 4h 的強(qiáng)力損失率為 30.76%;處理 6h 的強(qiáng)力損失率為 31.19%。表面改性后 XF 濾料未經(jīng)處理時(shí)的斷裂強(qiáng)力791.20 N，處理 2h 的強(qiáng)力損失率為 26.73%;處理 4h 的強(qiáng)力損失率為 28.77%;處理 6h 的強(qiáng)力損失率為 30.81%。3種濾料表面改性后斷裂強(qiáng)力損失率較小，說明耐氧化性能增強(qiáng)。主要因?yàn)橐皇墙?jīng)過熱壓后濾料的結(jié)構(gòu)可能發(fā)生了變化，二是表面改性后纖維之間的粘連會(huì)導(dǎo)致未經(jīng)氧化處理樣品的強(qiáng)力本身增加。

2.3 改性前后針刺濾料的抗靜電性能對(duì)比

3種濾料半衰期結(jié)果如表 5 所示。根據(jù)衰減周期時(shí)間評(píng)定靜電等級(jí)，半衰期衰減時(shí)間小于等于 2.0 s為 A 級(jí)，小于等于 5.0 s為 B 級(jí)，小于等于 15.0 s為 C 級(jí)。表面改性前 X 濾料的衰減周期為 1.98 s，表面改性前 F 濾料的衰減周期為 1.68 s，兩者感應(yīng)靜電等級(jí)為 A 級(jí)，表面改性后 X 濾料的衰減周期為 2.48 s、表面改性后 F 濾料的衰減周期為 3.48 s、表面改性后 XF 濾料的衰減周期為 4.05 s，

三者的感應(yīng)靜電等級(jí)為 B 級(jí)，表面改性前 XF 濾料的衰減周期為 14.47 s，感應(yīng)靜電等級(jí)為 C 級(jí)。對(duì)于 X 濾料和 F 濾料來說，表面改性前抗靜電性能好，而表面改性后 XF 濾料的抗靜電性能好，但不如 X 或者 F 單一濾料品種的抗靜電性能。

3 結(jié) 論

選用 PTFE 乳液對(duì) X 濾料、F 濾料、XF 濾料進(jìn)行了表面改性處理并分別對(duì)濾料改性前后的熱學(xué)性能、耐氧化性能、抗靜電性能進(jìn)行了測(cè)試，分析得到的主要結(jié)論如下：

a）3種濾料表面改性前后的熱反應(yīng)均為放熱反應(yīng)且熱重分析譜圖基本相似，保持相對(duì)平衡-質(zhì)量下降-保持相對(duì)平衡，3種濾料表面改性前后熱分解外推起始溫度均在 350℃ 左右，高于焦?fàn)t煙氣的平均溫度，符合使用要求。

b）經(jīng)氧化劑處理，表面改性前 X 濾料的強(qiáng)力損失率均值 8.94%，表面改性后 X 濾料的強(qiáng)力損失率均值 6.95%，表面改性前 F 濾料的強(qiáng)力損失率均值 16.63%，表面改性后 F 濾料的強(qiáng)力損失率均值 14.97%，表面改性前 XF 濾料的強(qiáng)力損失率均值 30.50%，表面改性后 XF 濾料的強(qiáng)力損失率均值 28.77%，3種濾料表面改性后斷裂強(qiáng)力損失率均值較小，說明抗氧化性能有所改善。

c）對(duì)于抗靜電性能來說，表面改性前 X 濾料，表面改性前 F 濾料的感應(yīng)靜電等級(jí)為 A 級(jí)，表面改性后 X 濾料、表面改性后 F 濾料、表面改性后 XF 濾料的感應(yīng)靜電等級(jí)為 B 級(jí)，表面改性前 XF 濾料的感應(yīng)靜電等級(jí)為 C 級(jí)。

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