CN102380259A

CN102380259A - 一种过滤材料及其用途

Info

Publication number: CN102380259A
Application number: CN2010102691449A
Authority: CN
Inventors: 顾立霞; 纪舜卿
Original assignee: Toray Fibers and Textiles Research Laboratories China Co Ltd
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2030-08-25
Also published as: CN102380259B

Abstract

本发明公开了一种过滤材料及其用途，该过滤材料是由过滤面层、非过滤面层、中间织物增强层三层结构构成，过滤面层是由20～80wt％直径小于或等于10μm的耐热性纤维与20～80wt％直径大于10μm而且小于或等于20μm的耐热性纤维分层组成的纤维网，其中直径小于或等于10μm的纤维作为上层；非过滤面层是由含有直径为10～200μm的异型截面耐热纤维组成的纤维网；中间织物增强层是由耐热性纤维组成。本发明的过滤材料具有过滤性能好、机械强度高、压损小、循环时间长的效果，可以提高过滤材料的使用寿命的特点。

Description

一种过滤材料及其用途

技术领域

本发明涉及一种过滤材料及其用途。

背景技术

近年来，随着工业的飞速发展，工业排污日益严重，已危害到自然环境和人们的身体健康。烟气除尘是治理污染的重要组成部分，而袋式除尘是治理烟气的有效方法。2007年中国环保产业协会袋式除尘委员会颁布了新的袋式除尘器用料及滤袋的国家标准，对煤炭锅炉烟气的排放要求越来越严格，要求更高的捕集效率。过滤材料应用环境表现为四高一大一低(排放烟气温度高、烟气中SO₂、NO_X、O₂含量高；含尘浓度大；改造工程要求滤料阻力低)由于燃煤锅炉排放的烟气条件比较恶劣，过滤材料寿命面临严峻的考验。

作为构成用于过滤从煤炭锅炉、垃圾焚烧炉或者金属熔炼炉等排出的高温烟气的过滤材料的纤维，耐热性和耐化学药品性优良的间位芳香族聚酰胺纤维、对位芳族聚酰胺纤维、聚苯硫醚纤维(以下简称PPS)、聚苯并咪唑纤维、聚酰亚胺纤维(以下简称P84)、三聚氰胺基纤维、玻璃纤维、氟素纤维、碳纤维等纤维值得考虑。尤其PPS纤维具有优良的耐水解性，耐酸性和耐碱性，因此在煤炭锅炉除尘用过滤袋中广泛使用。

在公开号CN201101921Y专利中，过滤面层由迎尘层(聚酰亚胺纤维构成)与第一附着层(常规聚苯硫醚纤维)构成，非过滤面层由常规聚苯硫醚构成。过滤面层利用聚酰亚胺纤维特殊的三叶形截面，其稳定的化学性，可以提高滤料的过滤精度和粉尘捕集能力，但非过滤面层使用细度2～4D的常规聚苯硫醚，使纤维网中纤维排列紧凑，就会造成通气度低、压力损失大影响过滤材料的使用寿命。

在公开号CN1712100专利中提出一种三梯度高密面层过滤材料制造方法，粗纤维作下网、细纤维作上网、在细纤维的外层叠加超细纤维网构成过滤材料，使过滤材料具有较高的过滤效果、良好的剥离效果，而且制造成本也不高，但是滤材阻力增大，同时各组分纤维的比例未加以说明难控制效果，特别是超细纤维比例过高，滤毡的压力损失将比较高，通气度小，使滤毡的清灰间隔减小，脉冲次数增多使滤毡的机械性能降低，从而缩短了使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过滤性能好、机械强度高、压损小、使用寿命长的过滤材料及其用途。

本发明的技术解决方案是：

一种过滤材料，由过滤面层、非过滤面层、中间织物增强层三层结构构成，过滤面层是由20～80wt％直径小于或等于10μm的耐热性纤维与20～80wt％直径大于10μm且小于或等于20μm的耐热性纤维分层组成的纤维网，其中直径小于或等于10μm的纤维作为上层；非过滤面层是由含有直径为10～200μm的异型截面耐热纤维组成的纤维网；中间织物增强层是由耐热性纤维组成。

在上述过滤面层加入平均直径在小于或等于10μm的耐热性纤维(以下简称极细纤维)，是通过降低过滤面层孔隙的平均孔径，达到表层过滤的效果，提高过滤材料对粉尘的捕集效率。如果全部使用极细纤维，过滤材料的捕集效果会很好，但是其压力损失也会很高，这样过滤材料就会无法使用。因此在本发明中采用了将极细纤维和平均直径大于10μm而且小于或等于20μm的耐热性纤维(以下简称普通纤维)分层使用的方法，这样不仅满足了强度的要求，同时还具有很高的捕集效率。

在过滤面层的纤维网中，如果极细纤维的含量超过80wt％的话，纤维网致密性过大，导致压力损失增大；如果极细纤维的含量低于20wt％的话，纤维网的致密性降低，从而无法达到增强过滤性能的效果。从能得到更高的粉尘捕集效率来看，优选由含有30～70wt％的极细纤维与70～30wt％的普通纤维分层组成的纤维网。

另外，要求过滤面层极细纤维的直径为小于或等于10μm，如果极细纤维的直径过小时，导致纤维网致密性过高而增大了过滤材料的压力损失，同时如果纤维直径过小的话，生产时梳理不开，就会容易受损拉断，影响过滤材料的均匀性和强度，极细纤维的直径优选4～10μm。过滤面层中的普通纤维的直径也不宜过大，直径过大会增大孔隙率从而使捕集效率降低，因此平均普通纤维的直径大于10μm而且小于或等于20μm，优选10～18μm。这里纤维的平均直径是指通过扫描电子显微镜所测量的50根纤维直径的平均值。

上述过滤面层采用分层方式，将直径小于或等于10μm的极细纤维作为上层，这样可以提高过滤材料的表面致密性，纤维间孔隙小，过滤精度提高。

本发明的非过滤面层在过滤中主要是起支撑的作用，对过滤除尘起辅助作用，是从降低压力损失的角度和增加过滤材料的耐磨性(主要是与龙骨摩擦)来考虑的。

上述非过滤面层是由含有平均直径在10～200μm的异型截面纤维组成的纤维网，使用异型截面的纤维时，其不规则的纤维截面使纤维表面积增大，这样就提高了过滤材料的通气度，降低压损，延长循环时间，从而提高使用寿命。而如果使用圆型截面的纤维时，纤维网中纤维排列紧凑，造成通气度低、压力损失大。而当异型纤维直径在10μm以下时，造成纤维网致密、通气度低而压力损失过大；当在200μm以上时，纤维网稀松，其机械强度会比较低，因此纤维直径过大和过小均不适用。本发明选择平均直径为10～200μm的异型截面纤维形成非过滤面，优选纤维直径为15～150μm，更优选纤维直径为15～100μm。

中间织物增强层起保持机械强度的作用，因此适合使用拉伸强度为500N/5cm以上的织物增强层。为了不影响作为过滤性能的压力损失，织物增强层优选形成稀疏的织造组织。作为一般的构造，有平纹组织、双层组织、三层组织、斜纹组织、缎纹组织等。特别是低成本、广泛使用的平纹织物能得到满意的性能，因此优先使用。

本发明中异型截面为三角形、五角形、三叶形、多叶形、哑铃形、椭圆形、L形。优选三角形、三叶形，由于三角形、三叶形的不规则截面使纤维网表面中纤维排列松散，可以提高滤料通气度，降低压损，延长循环时间，从而提高使用寿命。

构成中间织物增强层的耐热纤维为聚苯硫醚纤维、聚四氟乙烯纤维、间位芳香族聚酰胺纤维、对位芳香族聚酰胺纤维、玻璃纤维的至少一种。将上述几种纤维作为中间织物增强层的原料，使生产过程更顺利、产品的性能满足要求、生产成本更合理。

构成中间织物增强层的耐热纤维是短纤维或长丝的至少一种。优选使用短纤维，短纤维纱和纤维网的络合性良好，因此使过滤材料的粉尘捕集效率变好。

构成该过滤材料的耐热性纤维是间位芳香族聚酰胺纤维、对位芳香族聚酰胺纤维、聚苯硫醚纤维、聚苯并咪唑纤维、聚酰亚胺纤维、三聚氰胺基纤维、玻璃纤维、氟系纤维、碳纤维中的至少一种。本发明用优选PPS纤维、聚酰亚胺纤维和氟素纤维。聚苯硫醚纤维(别名：聚亚苯基硫醚纤维、聚芳香烃硫醚、聚苯硫醚纤维、PPS纤维)不仅具有优秀的耐化学性能，而且还具有优秀的耐热性。聚苯硫醚纤维熔点高达285℃，常规使用温度可以达到170℃；耐化学性能方面，在200℃或200℃以下，它能对大多数的酸(如：浓盐酸、浓磷酸、稀硫酸等)、碱(如：30％NaOH)、有机溶剂保持稳定的性能；机械强度方面，对滤袋使用过程中接受到的含尘气流的冲刷及脉冲清洗时的冲击都具有极强的抵抗性。除此之外，聚苯硫醚纤维还具有优良的难燃性、耐辐射性、电气性、耐光性等性能，其价格适中，便于推广使用。而聚酰亚胺纤维(P84)具有良好的机械力学性能、高的强度、优异的热稳定性，可在260℃高温下长期使用，同时还具有优良的耐化学腐蚀性、阻燃性和电绝缘性。而氟素纤维(PTFE)熔点高达327℃，可在280℃高温下长期使用，耐热性和耐化学药品性非常优良，但是氟素纤维的机械强度差、价格高，因此在特别苛刻的工矿条件下才会优选使用。介于以上原因，从性价比角度考虑，聚苯硫醚纤维和聚酰亚胺纤维为佳。本发明中聚苯硫醚纤维和聚酰亚胺纤维在整个过滤材料中所占的重量总比例大于或等于75wt％。这两种纤维的重量总比例超过75％，成为滤材的主体成分，这样才能更明显体现性价比优势。

本发明的过滤材料制作纤维网的方法，将过滤面的极细纤维、普通纤维、非过滤面纤维分别使用常规短纤维梳棉机梳理成纤维网。按照极细纤维网层、普通纤维网层、织物增强层、非过滤面纤维网层依次层叠后，通过络合进行一体化。所述络合方法优选针刺法和水刺法中的至少一种方法，也可用其他方法。

一种过滤材料，根据JIS L 1096标准，该过滤材料的通气度为5～50cc/cm².s，如果通气度小于5cc/cm².s，压损高，引起阻力大，就会降低过滤材料的使用寿命；如果通气度大于50cc/cm².s，容易造成粉尘进入过滤材料内部，这样就导致过滤材料堵塞，降低捕集效率，达不到排放标准。考虑到捕集效率、压损和使用寿命，优选5～25cc/cm².s。

根据JIS L 1096标准，本发明过滤材料的克重在300～900g/m²之间，才能满足捕集效率的要求。如果克重超过900g/m²，会使生产成本明显增加；如果克重低于300g/m²，会因为过滤除尘作用的纤维网太薄无法满足高捕集效率的作用，而且机械强度无法得到满足，因此克重在300～900g/m²是合适的。优选克重350～700g/m²。

本发明的过滤材料是使用于高温烟气除尘的过滤材料，高温烟气的环境具有温度高、化学腐蚀性强，同时烟气中的粉尘浓度高等特点。使用中烟气过滤袋由于经常承受大量入口烟气的冲刷以及清灰时来自高达3kg以上压缩空气的脉冲喷打，所以对其强度和耐摩擦性就有特别的要求，需要的这种材料既具有高强，同时还需具有高耐摩擦性能，否则使用过程中的破损、露底等异常现象会恶化缩短使用寿命。另外过滤材料在使用过程中必须克服自身的重力和附载粉尘的重力，因此过滤材料必须要有一定的强度来满足高温烟气的环境。依据JISL 1096标准，该过滤材料的经向拉伸强度为700N/5cm以上，纬向拉伸强度为900N/5cm以上，优选经向拉伸强度900N/5cm以上，纬向拉伸强度1200N/5cm以上。

本发明过滤材料的孔隙率在40～90％。若过滤材料的孔隙率大于90％，会降低对粉尘的捕集效率；若过滤材料的孔隙率小于40％，会使过滤材料的通气度变得过低，压力损失提高，从而增加除尘风机的能耗。优选过滤材料的孔隙率为60～85％。在这里孔隙率的定义是：过滤材料中空隙部分的体积占过滤材料体积的百分比。计算式为：孔隙率(％)＝(组成过滤材料纤维的密度(g/cm³)-过滤材料的密度(g/cm³))/组成过滤材料纤维的密度(g/cm³)×100％。

本发明过滤材料的过滤面层纤维网表面部分是经过熔融粘着处理的。通过对过滤材料至少一面的表面进行熔融粘着，能够更进一步提高粉尘剥离性能或粉尘捕集效率。作为使纤维网表面的一部分熔融粘着的方法，可以采用烧毛处理或光亮加工等方法。特别是在要求粉尘捕集效率高的情况下，优选使用过滤面实施处理的纤维网，具体地说，在过滤材料的过滤面一侧进行利用燃烧焰或者红外线加热等的烧毛处理，或用热辊加压。通过这样的处理，使过滤面一侧的纤维网表面的至少一部分发生熔融粘着来提高过滤材料对粉尘捕集效率。这里的熔融粘着是指：纤维的部分通过化学或物理方法变成液态状后混合在一起形成水膜的状态。

制得的过滤材料缝制成袋状适用于耐热性好的垃圾焚烧炉、燃煤锅炉或者金属熔炼炉等排出的高温气体的除尘。作为在该缝制中使用的缝线，优选使用和构成织物的纤维同样地具有耐化学药品性、耐热性的纤维材料构成的线，适合使用PPS纤维或氟素纤维等，优选PPS或氟素纤维。

本发明的过滤材料粉尘捕集效率高，过滤材料表面粉尘清除后压力损失小，而且由于较长的清灰周期，在一定的时间里减少压缩空气喷吹次数对过滤材料的损伤，因此具有延长过滤材料使用寿命的效果，而且在高温下过滤材料的热尺寸稳定性好、在排气中的粉尘捕集效率优良，而且和龙骨的耐磨性或断裂强度、硬挺度、尺寸稳定性等良好，因而能够使过滤材料长寿命化。

附图说明

图1为本发明过滤材料的分解剖面图。

图1中：1过滤面层、2织物增强层、3非过滤面层

具体实施方式

下面通过实施例更详细地说明本发明，但本发明不受这些实施例的限制。本发明过滤材料各物性的测定方法如下。

【单位面积重量】

将过滤材料切成200×200mm的正方形，从重量计算出过滤材料的单位面积重量。

【厚度】

使用厚度千分表(挤压力0.000245Pa)测定过滤材料的厚度。随机选择6点进行测定，求出平均值。

【通气度】

基于JISL 1096规定的弗雷泽型织物透气性测试法测定过滤材料的通气量。测定部位是随机选择6点进行测定。

【VDI3926捕集效率】

使用图1的装置，基于VDI3926的标准测定过滤材料的性能，实验样品的尺寸是φ150mm，喂入的粉尘浓度在5g/m3，过滤风速为2m/min。实验的顺序是，初期30回+稳定化5000回+最后30回。这里的初期30回和最后30回的方法是，随着运行时间的延长，过滤材料两面的压差会渐渐升高，当到达1000Pa时，脉冲空气对过滤材料表面的粉尘进行清灰，然后进行下一个过程，该过程总共进行30回，在实验的过程中记录压力和时间的变化，同时检测没有被过滤材料捕集的粉尘的浓度。稳定化过程是指在运行的过程中，以5s为时间间隔对过滤材料进行清灰，共进行5000回。在这里所指的清灰的压力是5bar。

【压力损失】

VDI3926的测定试验后，过滤材料的残余压力损失。

【拉伸强度】

基于JISL 1096规定的布条强度法测定过滤材料的抗拉强度。试样尺寸是200mm×50mm，以拉伸速度100mm/min、夹头间隔100mm进行测定。测定值是试样的经向(是和纤维的取向垂直的方向，在包含平纹粗布的试样的情况下，和平纹粗布的经向同一方向)和试样的纬向(包含平纹粗布的试样的情况下，和平纹粗布的纬向同一方向)中的1次强度的值。

实施例1

采用平均直径13.8μm、匹长51mm的PPS短纤维制得经向密度38根/2.54cm、纬向密度15根/2.54cm的平纹织物作为织物增强层，作为构成过滤面一侧的纤维网是将平均直径9.7μm、匹长51mm的极细PPS纤维和平均直径14.5μm匹长51mm的普通PPS纤维以198g/m²的单位面积重量层叠纤维网，按照重量40wt％和60wt％分别进行开棉、梳棉而形成的极细纤维网和普通纤维网。作为构成非过滤面一侧的纤维网是以198g/m²的单位面积重量层叠纤维网，该纤维网是将100wt％的平均直径为19.5μm、匹长51mm的PPS三角形截面的短纤维进行开棉、梳棉而形成的纤维网，然后按照极细纤维网层、普通纤维网层、织物增强层、非过滤面纤维网层依次层叠后，通过针刺加工使织物增强层与上述的纤维网进行交织，得到单位面积重量536g/m²、总针刺密度800根/cm²的过滤材料，最后对过滤材料的过滤面层进行烧毛处理。该过滤材料的各物性参见表1。

实施例2

采用平均直径202.2μm的PTFE长丝纤维制得经向密度33根/2.54cm、纬向密度33根/2.54cm的平纹织物作为织物增强层，作为构成过滤面一侧的纤维网是将平均直径5.0μm、匹长51mm的极细PPS纤维和平均直径14.5μm、匹长76mm的普通PPS纤维以180g/m²的单位面积重量分别层叠纤维网，按照重量50wt％和50wt％分别进行开棉、梳棉而形成的极细纤维网和普通纤维网，作为构成非过滤面一侧的纤维网是以180g/m²的单位面积重量层叠纤维网，该纤维网是将100wt％的平均直径为21.0μm、匹长51mm的P84三叶形截面的短纤维进行开棉、梳棉而形成的纤维网，然后按照极细纤维网层、普通纤维网层、织物增强层、非过滤面纤维网层依次层叠后，通过针刺加工使织物增强层与上述纤维网进行交织。其余方法同实施例1，所得过滤材料的各物性参见表1。

实施例3

采用平均直径13.8μm、匹长51mm的PPS短纤维制得经向密度30根/2.54cm、纬向密度13根/2.54cm的平纹织物作为织物增强层，作为构成过滤面一侧的纤维网是将平均直径6.0μm、匹长51mm的极细芳香族聚酰胺纤维和平均直径14.5μm、匹长76mm的普通PPS纤维以220g/m²的单位面积重量按照重量30wt％和70wt％分别进行开棉、梳棉而形成的极细纤维网和普通纤维网，作为构成非过滤面一侧的纤维网是以220g/m²的单位面积重量层叠纤维网，该纤维网是将100wt％的纤维平均直径为24.3μm、匹长64mm的P84L形截面的短纤维进行开棉、梳棉而形成的纤维网，然后按照极细纤维网层、普通纤维网层、织物增强层、非过滤面纤维网层依次层叠后，通过针刺加工使织物增强层与上述纤维网进行交织。其余方法同实施例1，所得过滤材料的各物性参见表1。

实施例4

采用平均直径13.8μm、匹长51mm的芳香族聚酰胺纤维制得经向密度40根/2.54cm、纬向密度18根/2.54cm的平纹织物作为织物增强层，作为构成过滤面一侧的纤维网是将平均直径7.2μm、匹长51mm的极细PPS纤维和平均直径16.7μm、匹长76mm的普通PPS纤维以230g/m²的单位面积重量按照重量45wt％和55wt％分别进行开棉、梳棉而形成的极细纤维网和普通纤维网，作为构成非过滤面一侧的纤维网层是以230g/m²的单位面积重量层叠纤维网，该纤维网是将100wt％的纤维平均直径为18.0μm、匹长64mm的PPS椭圆形截面的短纤维进行开棉、梳棉而形成的纤维网，然后按照极细纤维网层、普通纤维网层、织物增强层、非过滤面纤维网层依次层叠后，通过针刺加工使织物增强层与上述纤维网进行交织。其余方法同实施例1，所得过滤材料的各物性参见表1。

实施例1～4中制得的过滤材料应用于制备过滤袋。

比较例1

以实施例1制得的平纹织物作为织物增强层，作为构成过滤面一侧的纤维网是将平均直径9.7μm、匹长51mm的PPS短纤维与平均直径14.5μm、匹长51mm的PPS短纤维按照重量40wt％和60wt％分别叠成纤维网；作为构成非过滤面一侧的纤维网是由100wt％的纤维平均直径14.5μm、匹长51mm的PPS圆形截面的短纤维进行开棉、梳棉而形成的纤维网。其余方法同实施例1，所得过滤材料的各物性参见表2。

比较例2

以实施例1制得的平纹织物作为织物增强层，作为构成过滤面一侧的纤维网是将平均直径5.0μm、匹长51mm的PPS短纤维与平均直径14.5μm、匹长76mm的PPS短纤维按照重量50wt％和50wt％分别叠成纤维网；作为构成非过滤面一侧的纤维网是将100wt％的纤维平均直径13.9μm、匹长51mm的P84圆形截面的短纤维进行开棉、梳棉而形成的纤维网。其余方法同实施例1，所得过滤材料的各物性参见表2。

比较例3

以实施例1制得的平纹织物作为织物增强层，作为构成过滤面一侧的纤维网是由将纤维平均直径7.2μm、匹长51mm的PPS短纤维与纤维平均直径16.7μm、匹长64mm的PPS短纤维按照30wt％和70wt％的重量比进行混合而得到的纤维网；作为构成非过滤面一侧的纤维网是由100wt％的平均直径14.5μm、匹长51mm的P84圆形截面的短纤维进行开棉、梳棉而形成的纤维网。其余方法同实施例1，所得过滤材料的各物性参见表2。

表1

表2

从表1中可知，过滤面层采用极细纤维和普通纤维分层铺网，非过滤面层采用异型截面耐热纤维，制得的过滤材料具有高的捕集效率和良好的通气度、而且压力损失低；同时还具有优良的机械强度，因此延长了过滤材料的使用寿命。

Claims

1.一种过滤材料，由过滤面层、非过滤面层、中间织物增强层三层结构构成，其特征是：过滤面层是由20～80wt％直径小于或等于10μm的耐热性纤维与20～80wt％直径大于10μm且小于或等于20μm的耐热性纤维分层组成的纤维网，其中直径小于或等于10μm的纤维作为上层；非过滤面层是由含有直径为10～200μm的异型截面耐热纤维组成的纤维网；中间织物增强层是由耐热性纤维组成。

2.根据权利要求1所述的过滤材料，其特征是：所述异型截面为三角形、五角形、三叶形、多叶形、椭圆形、L形中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的过滤材料，其特征是：所述构成中间织物增强层的耐热纤维为聚苯硫醚纤维、聚四氟乙烯纤维、间位芳香族聚酰胺纤维、对位芳香族聚酰胺纤维、玻璃纤维的至少一种。

4.根据权利要求1所述的过滤材料，其特征是：所述构成中间织物增强层的耐热纤维是短纤维或长丝的至少一种。

5.根据权利要求1所述的过滤材料，其特征是：所述构成该过滤材料的耐热性纤维是间位芳香族聚酰胺纤维、对位芳香族聚酰胺纤维、聚苯硫醚纤维、聚苯并咪唑纤维、聚酰亚胺纤维、三聚氰胺基纤维、玻璃纤维、氟系纤维、碳纤维中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的过滤材料，其特征是：所述聚苯硫醚纤维和聚酰亚胺纤维在整个过滤材料中所占的重量总比例大于或等于75wt％。

7.根据权利要求1所述的过滤材料，其特征是：根据JIS L 1096标准，在测试压力为125Pa时，该过滤材料的通气度为5～50cc/cm².s。

8.根据权利要求1所述的过滤材料，其特征是：该过滤材料的孔隙率为40～90％。

9.根据权利项要求1所述的过滤材料，其特征是：所述过滤面层纤维网表面部分是经过熔融处理的。

10.一种权利要求1所述的过滤材料在制备过滤袋中的应用。