PTFE高温热压覆膜滤料的发展现状.doc

PTFE高温热压覆膜滤料的发展现状2010年第2期产业用纺织品综述玻璃纤维/髓高温热压覆膜滤料的发展现状陈亏高晶俞建勇马一(1.东华大学纺织学院,上海,201620;2.东华大学现代纺织研究院,上海,20o051;3.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室,上海,201620;4.江苏闳业机械有限公司,盐城,224043)摘要:叙述了高温烟气过滤材料的研究现状,分析了玻璃纤维/聚四氟乙烯(FE)覆膜滤料的表面过滤机理和与传统滤料相比其所具有的诸多优点.介绍了玻璃纤维/PTFE高温热压覆膜滤料的生产工艺,指出高温热压复合工艺是玻璃纤维/PTFE覆膜滤料品质的保证.关键词:玻璃纤维,聚四氟乙烯薄膜,覆膜滤料,发展现状,热压复合工艺中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:10047093(2010)020001050引言目前,我国已经从工业化的初期阶段进入到工业化的中期阶段,经济增长推动了第二产业中的水泥,钢铁,电解铝,电力等工业的发展.第二产业在发展的同时,也给环境带来了巨大的负担.据不完全统计,由于环境遭到破坏使我国经济付出的代价占了国内生产总值中的5%一12%,环境污染已经成为阻碍中国崛起为世界经济强国的负面因素,而空气污染是环境污染的一个重要方面,因此对空气污染的控制非常重要.开发和应用高性能滤料,尤其是适合于以上工业生产高温工况作业的耐高温滤料是有效缓解这一巨大环境压力的重要措施.1高温烟气过滤材料的研究现状目前,高温烟气过滤材料主要有耐高温针刺滤料和耐高温覆膜滤料两种,耐高温覆膜滤料由于比耐高温针刺滤料具有更高的过滤效率而成为主要开发的耐高温滤料.由玻璃纤维织物表面复合膨江苏省科技成果转化项目(BA2008080)收稿日期:20090915作者简介:陈亏,男,1986年生,在读硕士研究生.主要研究课题是PTFE热压覆膜滤料工艺.化微孔聚四氟乙烯薄膜(eFFFE)制成的玻璃纤维/PTFE高温热压覆膜滤料是高性能高效滤料,根据玻璃纤维支撑体形态不同可将其分为连续玻璃纤维机织物高温热压覆膜滤料,膨体纱高温热压覆膜滤料和玻璃纤维针刺毡高温热压覆膜滤料.该类覆膜滤料综合了玻璃纤维和FFFE薄膜的优点,具有耐高温,除尘效率高和使用寿命长的优良特性.目前,国内小批量生产该类覆膜滤料的厂家较多,覆膜设备大都依靠进口,不具备设备自主开发能力,而国外也只有Gore公司,Donaldson公司等少数几家公司具有自主覆膜设备用于自己公司的产品制备,能够批量生产此类覆膜滤料.覆膜滤料的生产工艺主要包括两种,一种是黏结剂法复合技术,采用黏结剂将微孔膜粘附于基布上,这项技术的缺点是当温度高于150(2后,黏结剂容易熔化而从微孔中渗出,因此影响滤料的过滤效果;另一种是采用国际上通用的高温热压复合技术,用高温热压复合技术制备的覆膜滤料实际使用效果非常好,完全能够达到国家环保局发布的袋式除尘器用覆膜滤料技术要求.国内拥有高温热压复合法技术的厂家不多,特别是能用这种技术生产耐高温覆膜滤料的厂家更是很少.上海大宫新材料有限公司,南京玻璃纤维研究设计院以及江苏省阜宁工业用布厂等生产的覆膜滤料全部是采用国际上通用的最先进的高温热压技术复合制成的,都是引进国外的技术;而江苏闳业机械有限公司则采用自主研发一1一综述产业用纺织品总第233斯的高温热压设备来生产高温热压覆膜滤料.美国Donaldson公司具有生产玻璃纤维/PTFE高温热压覆膜滤料的技术,从1981年开始该公司开发和生产了商品名为Tetratex的覆膜滤料,产品由Donaldson设备制造,其薄膜孔径0.077m,薄膜厚度5250m,运行过滤阻力小于1250Pa,滤料除尘出J口烟气排放浓度l2.5mg/m,使用寿命4年.主要产品有283.5和623.7g/m的玻璃纤维机织布表面覆FFFE薄膜的Tetratex滤料.美国Gore公司生产的Gore.Tex覆膜滤料的使用寿命为16个月至3年,运行过滤阻力9802000Pa,滤料除尘出口烟气排放浓度小于20mg/m.,覆膜牢度不小于0.03MPa,其性能指标在工业电厂锅炉应用领域具有世界先进水平.国内玻璃纤维/PTFE高温热压覆膜滤料的指标一般是运行过滤阻力2000Pa500Pa,透气率3050m/(m?min),使用寿命2年,覆膜牢度不小于0.025MPa,连续工作温度260,瞬间工作温度300c(=.由上述国内外玻璃纤维/PTFE高温热压覆膜滤料的指标参数可见,目前国内高温热压覆膜滤料产品的制备和性能开发不具有国际竞争力,国内生产厂商在该项技术上尚处于被动地位,尤其是生产高性能耐高温覆膜滤料的装备产业化技术由欧美等发达国家所垄断,这种状态严重制约了我国高性能耐高温滤料的发展,同时也使我国环境污染实施解决的进程受阻.,江苏闳业机械有限公司经过近几年的研发,通过对高温热压覆膜工艺的加热系统,压力系统,张力系统等关键技术的攻关,研制了新型高温热压覆膜联合装备,能够生产除尘效率高,使用时间长的耐高温玻璃纤维/PTFE覆膜滤料,已达到国际先进水平,现已进入产业化生产阶段.其玻璃纤维/PTFE高温热压覆膜滤料与美国Gore,德国Ultrafilter产品主要性能比较见表1.表1中覆膜滤料的基布都是玻璃纤维机织平纹布.江苏闳业机械有限公司的覆膜滤料的基材和膜材都是国产原料,国内加工的.2基材的使用玻璃纤维是一种传统的滤料,根据制造工艺和一2一表1江苏闳业和国外公司的玻璃纤._/PTrE高温热压覆膜滤料主要性能比较项目江苏闳业美国Gore德国Ultrafdter工艺参数的不同,玻璃纤维具有从亚微米到微米级的直径范围.玻璃纤维具有高强低伸,耐高温,耐腐蚀等优点,在制作滤料的准备基材过程中外形不会发生变化,保持固有的长度和圆柱形,不发生天然纤维类似的润胀或帚化现象.玻璃纤维基布主要包括:玻璃纤维机织布,玻璃纤维膨体纱布和玻璃纤维针刺毡布等.图1是玻璃纤维机织布放大50倍的照片.图1玻璃纤维基布(50)3膜材的使用FE是一种高强材料,具有优良的耐化学腐2010年第2期产业用纺织品综述蚀性能,在硫酸,氢氧化钠及原子工业中的强腐蚀剂五氟化铀中都不会腐蚀,并能耐高温耐寒,在一200250oC可长期使用,还有很好的电绝缘性和表面光滑的特性.1969年美国Gore公司发现PTFE薄膜可经横向拉伸,在纵向产生原纤化结构而成为一种强力多孔材料(eFFFE),由于其由许多非常细小的纤维组成,纤维之间的孔径在微米级(一般在0.53m之间,最小孔径可做到0.02m),孔隙率非常高.纤维间的孔隙能使空气透过,原纤结构的作用则类似超细纤维,使滤料在中等压降下就可产生很高的过滤效率,因而有较长的使用寿命;而且能在不增加阻力的状况下长期保证气流最大的稳定通量.FFFE薄膜表面光滑,憎水透气,几乎能保证含尘气流通过滤料时具有最大的流速.由于FFFE薄膜具有上述优点,因此其覆膜滤料具有传统滤料不可比拟的优点.3.1实现表面过滤,收尘效率高FFFE覆膜滤料因其薄膜的微孔结构使粉尘无法透过薄膜及基材,无论粉尘是粗还是细,全部沉积在其表层;又因薄膜具有不粘尘,憎水和化学性能稳定的特点,聚积在薄膜表面的粉尘极易被清除,因此这种滤料一开始使用就能有效过滤,真正实现袋式除尘器的表面过滤和具有极佳的除尘效率(99.99%).3.2表面过滤易清灰,除尘阻力低且稳定覆膜滤料表面极其光滑,粉尘剥离性能较好;因薄膜的憎水性,所以即使潮湿的粉尘也很难粘附,过滤在低阻力下运行,与传统滤料相比阻力损失小.3.3实现低压,高通量的连续过滤传统滤料的深层过滤方式因极易造成阻塞现象而导致除尘设备收尘效率的降低,而PTFE覆膜滤料依靠其可控的人造一次粉尘层薄膜零的粉尘穿透率,使其一投入使用就能以极佳的过滤效率进行工作,并且保持过滤压力始终保持在较低水平,气流速度始终保持在较高水平.经测试,在25温度,125Pa压力时,其过滤风速可达3.5m/min.在低压差和高的通量下,这种滤料的除尘器可实现连续过滤.3.4使用寿命长,运行成本低PTFE薄膜是一种韧性好的软纤维体,其与增加强度的基材复合而成的覆膜滤料有足够的机械强度,加上极佳的脱灰性,低的反冲频率和清灰强度以及低压损,大大地延长了滤料的使用寿命,也降低了成本.覆膜滤料不会受堵,更换次数,清灰次数大大减少,从而减少了维护工作量,降低了维护成本.另外因其优越的清灰性能可实现低压损长时间持续运转,不仅提高了过滤速度,减少了滤料用量,也减少了运行电耗.PTFE微孑L薄膜的扫描电子显微镜图像见图2.图2fyrFE微孔薄膜的扫描电子显微镜图像(X5000)4过滤机理由于滤料结构上的差异,覆膜滤料与传统滤料的过滤机理不一样,覆膜滤料是表面过滤,而传统滤料是深层过滤.4.1传统滤料的过滤机理深层过滤传统滤料依靠建立一次粉层作为初始滤物层来达到过滤的目的,这就是通常所说的深层过滤.具体地说,尘埃颗粒先穿透滤料的纤维孔隙,不能穿透者堵住孔隙,直到堆积成一定厚度形成一次粉层后,除尘器才开始有效过滤.这种过滤方式随着滤料使用时间的增加,系统阻力增大,滤料表面的粉尘会在气流压力的作用下不断渗入滤料,使阻力进一步加大,透气性迅速下降,最终导致粉尘过量排放.如果过滤烟气因温度变化而结露,滤袋的一次粉尘层容易板结.这种过滤方式必然导致滤袋运行阻力不断增加,过滤风速不断降低,运行能耗不断增加,直接影响滤料的使用寿命.综述产业用纺织品总第233期4.2覆膜滤料的过滤机理表层过滤基于粉尘层有利于过滤的理论,在滤料的表面覆上一层PTFE微孔薄膜,由于薄膜的孔径远远小于所用基材的孔径,覆膜滤料的过滤作用完全依赖于这层薄膜,过滤烟气中的尘埃颗粒在过滤一开始就会积附在透气性很好的薄膜表面,从而实现了与传统滤料的深层过滤不同的表面过滤.薄膜表面非常光滑,摩擦系数小,没有纤维毛绒,在薄膜表面很难形成较厚的粉尘层,薄膜表面粉尘积累也很少,粉尘能自然脱落,这样使得清灰变得更加容易,既保证了较高的除尘效率,又保证了较低的运行阻力.覆膜滤料的表层过滤方式使其具有除尘效率高,清灰彻底,压力损失稳定且保持较低水平,对滤袋的磨损小,适用的粉尘范围广,寿命长,能耗低等优势.5生产工艺传统黏结剂法复合玻璃纤维与PTFE薄膜是采用合适的黏结剂在基布和PTFE薄膜之间交联固化使两者连成一体.其优点是对基布织物的表面和复合设备及工艺控制要求较低,其缺点是复合强度差,特别是在高温过滤过程中,黏结剂容易老化变脆,PTFE薄膜与基布织物脱落分离,另一方面,由于黏结剂的存在,PTFE薄膜的孔洞被堵塞,使覆膜织物的透气性变差,因此黏结剂法覆膜滤料不能满足大型袋滤器大风量,长寿命的使用要求.高温热压复合工艺制成的玻璃纤维/PTFE覆膜滤料性能优异,克服了黏结剂法覆膜滤料的缺点.高温热压法复合技术要求高,难度大,美国Gore,Donaldson等公司都采用此方法.该方法首先对织物进行表面处理,然后将织物与PTFE薄膜一起经高温热压复合,使织物和薄膜在高温高压下融为一体J.其优点是FE薄膜的微孔不被破坏,复合强度高;难点是对织物的表面处理,薄膜的表面处理以及复合加工工艺有较高的要求.高温热压复合方法是现在覆膜滤料加工的研究热点.为使FE薄膜和玻璃纤维织物完美地结合在一起,既保证膜的孔隙率稳定,又保证两者的结合力,需要对两者进行一定的物理化学改性,并且对加工工艺条件进行调整以达到所需的要求.45.1工艺流程玻璃纤维/PTFE高温热压覆膜滤料的工艺流程如下:玻璃纤维织物浸渍改性一表面处理烘干1FE薄膜的等离子体表面改性J热压复合一后整理一成卷5.2工艺特点5.2.1玻璃纤维基布的表面处理玻璃纤维基布的表面处理方法根据使用领域的工况条件,在玻璃纤维布表面涂覆不同的高分子聚合物,以增强玻璃纤维的化学稳定性,保证长期处于高温状态的玻璃纤维覆膜滤料具有较高的黏合牢度,以及在酸性或碱性环境中其强度,耐折,耐磨等性能不受影响;改善玻璃纤维的曲挠性;提高滤料表面的憎水性,使其具备抗结露能力.5.2.2VIFE薄膜的改性处理用冷等离子体处理PTFE薄膜表面,改善高分子材料薄膜表面的自由能,增强膜材与玻璃纤维支撑体材料的热黏合作用,并在有效黏合的条件下,通过控制处理参数,减少薄膜表面的高温糊化,增加微孔隙黏合后的保留率.5.2.3热压复合中的温度控制热压复合工艺的温度控制尤为重要,要求快速,稳定的加热系统实现加热温度的迅速提升,并通过热量均衡系统控制温度的变化率,使温度变化控制在1C/m(这里温度变化指的是在热压覆膜时保证滤料每米间的温差在1oC之内).5.2.4压力控制系统采用精密压辊间隙调整装置,实现压辊间隙的实时自动调整,确保薄膜上压力均匀一致,避免由于压力过大引起的孔隙堵塞问题和压力过小引起的复合不牢问题.同时采用专用导膜系统,确保导膜辊与退膜辊,加热辊之间的双切线定位,实现膜和织物接触时与加热辊成线接触.5.2.5张力控制系统由于除尘滤料的PTFE薄膜很薄(0.0050.03mm),膜材的微小张力差异都会引起膜材与基材的收缩率差异,使制品表面起皱起泡,导致制品功能失效.为了尽量减少膜材在运行过程中的张力波动,采取实时监控膜材张力变化,并通过反馈式数字张力控制系统,实现膜材张力精密控制,2010年第2期产业用纺织品综述确保膜材张力差异不超过0.5%.5.2.6连续自动化生产采用传统手动的换卷方式容易引起整条生产线的张力变化,造成大量生头产品的质量波动.采用机械手自动换卷技术,能够实现连续生产复合制品的在线分切,保证幅间稳定的张力,解决换卷动作的一致性,协调性问题,提高成品质量.从表1的国内外产品性能对比可以看出,只要在工艺上满足温度,压力,张力以及连续化生产的严格要求,尽量避免滤料的生产质量波动,国产设备所生产的玻璃纤维/PTFE高温热压覆膜滤料基本能够达到国际先进水平.6结语玻璃纤维/PTFE高温热压覆膜滤料是耐高温滤料的发展方向,它是在经特殊配方表面处理的玻璃纤维基布上复合PTFE薄膜制成的新型滤料,集中了玻璃纤维的耐高温,耐腐蚀,强度高,伸长低和PTFE薄膜的表面光滑,憎水,透气,容易清灰,化学稳定性好等优良特性,是环境保护行业的更新换代产品.高温热压复合工艺是玻璃纤维/PTFE覆膜滤料品质的保证,但目前国内在这一产品的生产过程中仍存在很多问题,例如基布与PrrFE薄膜的结合程度,薄膜的微孔率的保证,对基布的表面涂层处理,设备工艺条件的确定(包括温度,压辊的压力以及拉伸速度)等.因此,玻璃纤维/FFFE高温热压覆膜滤料的膜材和基材的改性处理以及高温热压复合工艺将是我国现阶段研究重点.参考文献1李勇.袋式除尘器的除尘机理和影响因素J.特种橡胶制品,2003,24(2):29-33.2RavensworthLaboratory.Surfacefiltration:Thewayfor-wardJ.FilterandSepar,1998(3):134136.3KUMARV.纺织品过滤材料及其应用J.国外纺织技术,20o4(1):3440.Theglassfiber/PTFEmembranefiltermaterialbyhigh?-temperaturehot-?pressingChenkui,GaoJing,YuJianyongandMaYizi(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity;2,ModernTextileInstitute,DonghuaUn