CN102908827A - 一种具有皮芯结构的复合过滤材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有皮芯结构的复合过滤材料及其制备方法与应用，其具有皮芯结构，其中所述芯层为玻璃纤维，皮层由聚苯硫醚、氟树脂、超细碳酸钙、偶联剂、抗静电剂、稀土组成，玻璃纤维线密度为300～750dtex，皮层厚度为5～200微米；将玻璃纤维进入挤出模头芯层材料的导入段，而皮层组分经高速偶联处理后共混挤出造粒，共混料熔体通过挤出模头皮层材料的导入段在挤出模头芯层、皮层材料的复合段对玻璃纤维的表层进行包覆，形成具有皮芯结构的复合过滤材料。所述复合过滤材料分为短纤维、线密度为300～800dtex的长纤维，短纤维、长纤维分别用于编织过滤毡的纤维层和基布，过滤毡单位平方米克重为300～1200g。
Description
技术领域
本发明涉及一种过滤材料，特别涉及一种具有皮芯结构的复合过滤材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着我国工业的不断发展，不可避免的是各种粉尘的污染源也将不断地增加，燃煤锅炉、水泥窑、钢铁高炉和垃圾焚烧炉等在作业过程中会产生伴有粉尘的高温且腐蚀性的气体，如不及时地加以控制，将对生态环境及人们的身体健康带来极大的危害。随着科技的进步和人们环保意识的增强，环境治理、防止大气污染，尤其是对冶金、钢铁、发电、碳黑、水泥等行业高温烟尘过滤越来越重视。目前用于空气和气体过滤即固／气相分离的纺织材料主要有两大类．一类为机织布，另一类为非织造布，其中以针剌布用量最大，这类材料多呈三维结构．其孔隙小而孔隙率大，过滤效率高，因此近年来得到越来越广泛的应用。
目前，耐高温过滤材料主要采用无机纤维和耐高温合成纤维， 其能耐180℃以上的高温尾气或高温粉尘。国外从20世纪70年代开始致力于研究开发耐高温合成纤维，随着耐高温合成纤维的开发利用，新品种滤料不断涌现，推动了高温烟尘过滤滤料业的发展；而国内中、高温合成纤维较少，中高温过滤材料主要以玻璃纤维材料为主。
然而，工业高温尾气中大都含有大量的腐蚀性气体，如H2SO3，H2SO4、H2S等，特别是当尾气的温度超过120℃时，其对过滤材料的腐蚀性加剧，最终使过滤材料失去功效。因此，玻璃纤维滤料虽价格较低，但耐磨、耐折性能差，耐化学腐蚀性性能差，不能满足环境复杂的高温粉尘过滤要求，其应用受到很大的限制。因此，引进高性能的耐高温纤维，研制出优质的耐高温滤料，满足日益增长的高温烟尘过滤的要求是一个重要的课题。
聚苯硫醚具有机械强度高、耐高温、高阻燃、耐化学腐蚀性强等特点，结晶度高，材料硬而脆，热稳定性好，是工程塑料中耐热性最好的品种之一，热变形温度一般大于260度、抗化学性仅次于聚四氟乙烯，流动性仅次于尼龙。此外，它还具有成型收缩率小（约0.08%），吸水率低（约0.02%），耐震动疲乏性好等优点。
综上所述，为发挥玻璃纤维和聚苯硫醚各自优点，开发一种综合性能优异的复合材料成为高温滤料行业的研究热点。
申请号为200780003378.5的发明专利公开了一种“聚四氟乙烯、玻璃和聚苯硫醚纤维的混纺物以及由其制造的过滤毛毡”，其特征在于由聚四氟乙烯纤维、双玻纤维和聚苯硫醚纤维进行混合，组成纤维混纺物，通过机械混合形成过滤毛毡。
申请号为200610022214.4的发明专利公开了“高性能聚苯硫醚纤维除尘毛毡布的制造方法”，其特征在于将聚苯硫醚短纤维梳理成纤维网，再采用针刺工艺将所述纤维网复合在由聚四氟乙烯纤维、陶瓷纤维和聚苯硫醚纤维织成的基布上形成毛毡。
专利号为CN101584953的发明专利，提供了一种“一种耐高温过滤材料的制作方法”，其特征在于，将玻璃纤维和聚苯硫醚纤维以1:1～1:5混合并织成基布，再在基布的上下侧放置聚苯硫醚纤维网，最后采用针刺、水刺工艺复合，形成耐高温过滤材料。
申请号为201020622033.7的实用新型专利公开了“聚苯硫醚纤维耐腐蚀针刺过滤毡”， 其特征在于所述过滤毡包括玻璃纤维机织布与聚苯硫醚纤维网，在玻璃纤维机织布的上下表面粘贴有聚苯硫醚纤维网。
综上所述，目前获得复合型的耐高温滤料的方法，主要是将聚苯硫醚纤维和其他耐高温纤维特别是玻璃纤维进行并捻，或者简单地进行物料混合，并通过针刺或水刺成型工艺获得过滤材料或过滤毡，或者将上述材料混合针刺或水刺成基布后，再在基布的上下表面覆以聚苯硫醚纤维网。因此，本发明利用这两种纤维材料的优点，通过挤出工艺，提供一种价格便宜，具有耐高温、耐化学腐蚀性以及阻燃性的，以聚苯硫醚、玻璃纤维为骨架材料的复合过滤材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种价格便宜，具有皮芯结构，一定强度、韧性，耐高温、耐化学腐蚀性的复合过滤材料。
目前，过滤材料主要有玻璃纤维、聚四氟乙烯纤维和聚苯硫醚纤维等，但玻璃纤维属无机材料，韧性低，材料比较脆，因此存在断裂伸长率低和耐折性能差的缺点，以致基于玻璃纤维的基布或者过滤毡的强度和韧性均比较低；聚四氟乙烯的线型结构大分子两侧全部为C—F键，键能高，结构稳定，赋予聚四氟乙烯具有不熔、不溶于任何溶剂的化学特性，因此，聚四氟乙烯纤维的加工过程复杂，对模具的要求高，线密度波动大等缺点；聚苯硫醚具有机械强度高、耐高温、高阻燃、耐化学腐蚀性强等特点，热稳定性好，热变形温度大于260℃，抗化学性仅次于聚四氟乙烯，流动性优，成型收缩率小等优点。
为了克服玻璃纤维和聚苯硫醚材料各自的缺点和不足，充分结合两种材料的优点，本发明提供一种具有皮芯结构的，以聚苯硫醚、玻璃纤维为骨架材料的复合过滤材料。为了实现上述目标，本发明采用的技术方案为：所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料，其特征在于：其具有皮芯结构，所述的皮芯结构包括芯层和皮层，其中芯层为玻璃纤维，玻璃纤维采用偶联预处理的玻璃纤维，芯层外包覆有皮层，所述皮层由聚苯硫醚、氟树脂、超细碳酸钙、偶联剂、抗静电剂、稀土、加工助剂制成，按重量份计，所述皮层的用量为：
聚苯硫醚 100份；
氟树脂 0-50份；
超细碳酸钙 10-50份；
偶联剂 1-5份；
抗静电剂 0.5-4份；
稀土 0.1-1份；
加工助剂 0.5-2份；
所述氟树脂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物之一种或两种以上组合；所述加工助剂为润滑剂或增塑剂。
所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料，其特征在于：所述偶联剂为铝酸酯偶联剂或硅烷偶联剂。
所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料，其特征在于：所述玻璃纤维的线密度为300～750dtex，玻璃纤维偶联预处理的方法为：对玻璃纤维进行偶联预处理，以重量份计，用4-5份的硅烷偶联剂或铝酸酯偶联剂对100份的玻璃纤维表面进行预处理，获得偶联预处理的玻璃纤维。
所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料，其特征在于：所述皮层的厚度为5～200微米。
所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料，其特征在于：所述复合过滤材料包括长纤维、短纤维。
所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料，其特征在于：所述长纤维的线密度为300～800dtex。
所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料的制备方法，包括如下步骤：
1）对填料进行表面预处理，以重量份计，将10-50份的超细碳酸钙和1-5份的偶联剂依次加入到高速混合机中，温度为70～90℃，混合均匀后获得表面预处理的超细碳酸钙，备用；
2）对玻璃纤维进行偶联预处理，以重量份计，用4-5份的硅烷偶联剂或铝酸酯偶联剂对100份的玻璃纤维表面进行预处理，获得偶联预处理的玻璃纤维，备用；
3）以重量份计，将步骤1）获得的表面预处理的超细碳酸钙和100份的聚苯硫醚加入的高速混合机中，并加入0-50份的氟树脂、0.5-4份的抗静电剂、0.1-1份的稀土和0.5-2份的加工助剂，温度为70～90℃，混合均匀后获得混合料，备用；
4）将步骤3）获得的共混均匀的混合料进行挤出造粒，螺杆各区的温度为260～310℃；
5）将步骤2）获得的挤出模头芯层材料的导入段进入挤出模头芯层、皮层材料的复合段，同时将步骤4）获得的粒料采用螺杆挤出，共混粒料熔体在螺杆的输送下进入挤出模头皮层材料的导入段，对已进入挤出模头芯层、皮层材料的复合段的玻璃纤维的表层进行包覆，形成皮芯结构的复合过滤材料，螺杆各温区的温度为280～330℃。
本发明所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料应用于编织耐高温耐腐蚀的过滤毡。
所述的编织耐高温耐腐蚀的过滤毡，其特征在于：具有上、中、下三层结构，其中上、下表层为由权利要求1-6任一所述的复合过滤材料制成的短纤维经过针刺或水刺而成的过滤毡，中间层为由权利要求1-6任一所述的复合过滤材料经过针刺而成的基布。
所述的过滤毡，其特征在于：所述过滤毡单位平方米含复合过滤材料克重为300～1200g。
玻璃纤维是一种传统的滤料，根据制造工艺和工艺参数的不同，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。因此，利用玻璃纤维具有耐高温性能和较高强度的特点，将其作为皮芯结构复合过滤材料的芯层，线密度为300～750dtex。
聚苯硫醚具有耐高温性和耐化学腐蚀性等性能，因此，将其与氟树脂、超细碳酸钙、抗静电剂共混，将共混物料作为皮芯结构复合过滤材料芯层的皮层（包覆层），弥补玻璃纤维耐高温性和腐蚀性，以及强度和韧性不足的特点，赋予复合过滤材料具有较强的强度。其中，皮层的厚度为5～200微米。
所述复合过滤材料包括长纤维、短纤维，长纤维的线密度为300～800dtex。其中，短纤维主要通过气流铺网，以针刺或水刺的方法进行成型，使得纤维之间相互穿插、缠绕和抱合，制成具有耐高温、耐化学腐蚀性的针刺毡，而以长纤维编织为基布；以基布为骨架，在基布的上、下表面覆以针刺毡，形成上、中、下三层结构的过滤毡，所述过滤毡的单位平方米的克重为300～1200g。
本发明技术方案实现的有益效果：本发明所述一种具有皮芯结构的复合过滤材料，具有耐高温和耐化学腐蚀性的功能，特别是将上述材料应用于环保滤料行业，可大幅度提高过滤材料的使用寿命和过滤效果，具有较好的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是一种具有皮芯结构复合过滤材料的结构示意图。
图2是一种具有皮芯结构复合过滤材料挤出模头的剖视图。
图3是一种具有皮芯结构复合过滤材料挤出模头的俯视图。
具体实施方式
为了对本发明作进一步的了解，现结合附图对其作具体的说明。
如图1、图2、图3所示，本发明所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料，其特征在于：其具有皮芯结构，所述的皮芯结构包括芯层1和皮层2，其中芯层1为玻璃纤维，玻璃纤维采用偶联预处理的玻璃纤维，芯层1外包覆有皮层2，所述皮层2由聚苯硫醚、氟树脂、超细碳酸钙、偶联剂、抗静电剂、稀土、加工助剂制成。
图中，1是芯层，2是皮层，3是挤出模头芯层材料的导入段，4是挤出模头皮层材料的导入段，5是挤出模头芯层、皮层材料的复合段。
聚苯硫醚属高性能热塑性树脂，是一种结晶性的聚合物，其化学式为：
未经拉伸时，聚苯硫醚纤维具有较大的无定形区，结晶度约为5%，纤维在拉伸过程中产生了部分结晶，如在130～230℃温度下对拉伸纤维进行热处理，可使结晶度增加到60～80%，熔点为284℃，成型温度为300～330℃。
实施例1
具有皮芯结构的复合过滤材料的制备工艺为：
1）采用单螺杆挤出机进行挤出，设定螺杆挤出机各温区的温度为280～330℃，复合过滤材料挤出模头的导入段（4）的温度为300℃；
2）对填料进行表面预处理，以重量份计，将30份的超细碳酸钙（1250目，福建万旗非金属材料有限公司产）和2份的硅烷偶联剂（乙烯基三乙氧基硅烷）依次加入到高速混合机中，温度为70～90℃，混合均匀后备用；
对玻璃纤维行偶联预处理，以重量份计，用4份的硅烷偶联剂（乙烯基三乙氧基硅烷）对100份线密度为400dtex的玻璃纤维（型号CC11-48*9，南通海玻玻璃纤维有限公司产）表面进行预处理，备用；
3）以重量份计，将步骤2）获得的表面预处理的超细碳酸钙和100份的聚苯硫醚（型号HIPS632EP，上海赛科石油化工有限责任公司）加入的高速混合机中，并加入20份的聚偏氟乙烯树脂、0.5份的SN型阳离子抗静电剂（十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐）、0.5份的硬脂酸铈稀土和0.5份的硬脂酸丁酯润滑剂，温度为70～90℃，混合均匀后获得混合料备用；
4）将上述步骤3）获得的混合均匀的混合料进行挤出造粒，制得共混粒料，螺杆各区的温度为260～310℃；
5）将步骤2）获得的线密度为400dtex、已偶联处理的玻璃纤维通过挤出模头芯层材料的导入段3；步骤4）获得的共混粒料熔体在螺杆的输送下进入挤出模头皮层材料的导入段4，并通过挤出模头芯层、皮层材料的复合段5，对已进入挤出模头芯层、皮层材料的复合段5经偶联预处理的玻璃纤维进行表层包覆，形成具有皮芯结构的复合过滤材料，将复合材料冷却，收卷。所述复合过滤材料线密度为720dtex，断裂强力为3.8cN/ dtex,抗拉强度为32 cN/ tex，于260℃恒温30min的条件下热收缩率小于0.1%。
实施例2
复合过滤针刺毡的制备工艺为：
1）将实施例1获得的复合过滤材料这一复合过滤长纤维进行卷曲处理，并进行热定型后剪切为52～54mm的短纤维，该短纤维的卷曲度为12～18个卷曲/52mm。
将实施例1获得的复合过滤材料这一复合过滤长纤维编织为基布，单位平方米的克重为400g。
2）采用本领域常规技术气流铺网，将复合过滤短纤维经过本领域常规技术预开松→主开松→梳理→叠网工序，获得纤维层。
3）将步骤2）所得的纤维层均匀地铺在基布的上、下表面，依次经过本领域常规技术预针刺→主针刺工艺，将短纤维与基布复合在一起，并经过本领域常规技术热定型、烧毛、压光处理工序，制成耐高温耐腐蚀的过滤针刺毡。
所述复合过滤针刺毡的单位平方米含实施例1获得的复合过滤材料克重为760g，纵向强度为1100N/25mm，横向强度为950N/25mm，过滤阻力为18.92Pa,过滤效率为92.94%，长期使用温度为260℃，短期使用温度为320℃，过滤精度高，具有较高的粉尘过滤效果。
实施例3
按重量份计，所述皮层的用量为：聚苯硫醚（型号HIPS632EP，上海赛科石油化工有限责任公司）100份，聚偏氟乙烯树脂70份，超细碳酸钙10份，硅烷偶联剂（乙烯基三乙氧基硅烷）1份，SN型阳离子抗静电剂（十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐）0.6份，硬脂酸铈稀土0.5份，DOP增塑剂（邻苯二甲酸二辛酯）0.5份；玻璃纤维的线密度为350 dtex。
按实施例1的制备工艺制得了复合过滤材料这一复合过滤长纤维材料，复合过滤长纤维材料的线密度为550dtex，断裂强力为2.8cN/ dtex,抗拉强度为29 cN/ tex，于260℃恒温30min的条件下热收缩率小于0.1%，基布的单位平方米克重为368g。
实施例4
按实施例2的制备工艺制得短纤维和基布，按照实施例2的复合过滤针刺毡的制备工艺，采用本领域常规技术气流铺网，将复合过滤短纤维依次均匀地铺于基布的上、下表面，经过本领域常规技术预开松→主开松→梳理→叠网→预水刺→主水刺工艺，将短纤维与基布复合在一起，并经过本领域常规技术热定型、烧毛、压光处理工序，制成耐高温耐腐蚀的过滤针刺毡。
所述复合过滤针刺毡的单位平方米含实施例3的制备工艺制得了的复合过滤材料克重为700g,纵向强度为992N/25mm，横向强度为901N/25mm，过滤阻力为17.29Pa,过滤效率为89.76%，长期使用温度为260℃，短期使用温度为320℃，过滤精度高，具有较高的粉尘过滤效果。
实施例5
按重量份计，所述皮层的用量为：聚苯硫醚（型号HIPS632EP，上海赛科石油化工有限责任公司）100份，聚偏氟乙烯树脂50份，聚全氟乙丙烯20份，超细碳酸钙（1250目，福建万旗非金属材料有限公司）25份，硅烷偶联剂（乙烯基三乙氧基硅烷）1份，TM型阳离子抗静电剂（三羟乙基甲基季铵硫酸甲酯盐）0.5份，硬脂酸铈稀土1份，DOP增塑剂（邻苯二甲酸二辛酯）1份；芯层的玻璃纤维（型号CC11-133*2，南通海玻玻璃纤维有限公司产）的线密度为300 dtex。
按实施例1的制备工艺制得的复合过滤长纤维材料，其线密度为550dtex，断裂强力为3.1cN/ dtex,抗拉强度为35 cN/ tex，于260℃恒温30min的条件下热收缩率小于0.1%，基布的单位平方米克重为408g。
实施例6
按实施例2的制备工艺制得复合过滤短纤维和基布，按照实施例2的复合过滤针刺毡的制备工艺，采用本领域常规技术气流铺网，将复合过滤短纤维依次均匀地铺于基布的上、下表面，经过本领域常规技术预开松→主开松→梳理→叠网→预水刺→主针刺工艺，将短纤维与基布复合在一起，并经过本领域常规技术热定型、烧毛、压光处理工序，制成耐高温耐腐蚀的过滤针刺毡。
所述复合过滤针刺毡的单位平方米含实施例5的制备工艺制得了的复合过滤材料克重为750g,纵向强度为1058N/25mm，横向强度为994N/25mm，过滤阻力为19.86Pa,过滤效率为89.78%，长期使用温度为260℃，短期使用温度为320℃，过滤精度高，具有较高的粉尘过滤效果。
Claims (10)
1.一种具有皮芯结构的复合过滤材料，其特征在于：其具有皮芯结构，所述的皮芯结构包括芯层（1）和皮层（2），其中芯层（1）为玻璃纤维，玻璃纤维采用偶联预处理的玻璃纤维，芯层（1）外包覆有皮层（2），所述皮层（2）由聚苯硫醚、氟树脂、超细碳酸钙、偶联剂、抗静电剂、稀土、加工助剂制成，按重量份计，所述皮层的用量为：
聚苯硫醚 100份；
氟树脂 0-50份；
超细碳酸钙 10-50份；
偶联剂 1-5份；
抗静电剂 0.5-4份；
稀土 0.1-1份；
加工助剂 0.5-2份；
所述氟树脂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物之一种或两种以上组合；所述加工助剂为润滑剂或增塑剂。
2.根据权利要求1所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料，其特征在于：所述偶联剂为铝酸酯偶联剂或硅烷偶联剂。
3.根据权利要求1所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料，其特征在于：所述玻璃纤维的线密度为300～750dtex，玻璃纤维偶联预处理的方法为：对玻璃纤维进行偶联预处理，以重量份计，用4-5份的硅烷偶联剂或铝酸酯偶联剂对100份的玻璃纤维表面进行预处理，获得偶联预处理的玻璃纤维。
4.根据权利要求1所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料，其特征在于：所述皮层（2）的厚度为5～200微米。
5.根据权利要求1所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料，其特征在于：所述复合过滤材料包括长纤维、短纤维。
6.根据权利要求5所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料，其特征在于：所述长纤维的线密度为300～800dtex。
7.权利要求1-6任一所述的一种具有皮芯结构的复合过滤材料的制备方法，包括如下步骤：
1）对填料进行表面预处理，以重量份计，将10-50份的超细碳酸钙和1-5份的偶联剂依次加入到高速混合机中，温度为70～90℃，混合均匀后获得表面预处理的超细碳酸钙，备用；
2）对玻璃纤维进行偶联预处理，以重量份计，用4-5份的硅烷偶联剂或铝酸酯偶联剂对100份的玻璃纤维表面进行预处理，获得偶联预处理的玻璃纤维，备用；
3）以重量份计，将步骤1）获得的表面预处理的超细碳酸钙和100份的聚苯硫醚加入的高速混合机中，并加入0-50份的氟树脂、0.5-4份的抗静电剂、0.1-1份的稀土和0.5-2份的加工助剂，温度为70～90℃，混合均匀后获得混合料，备用；
4）将步骤3）获得的共混均匀的混合料进行挤出造粒，螺杆各区的温度为260～310℃；
5）将步骤2）获得的挤出模头芯层材料的导入段（3）进入挤出模头芯层、皮层材料的复合段（5），同时将步骤4）获得的粒料采用螺杆挤出，共混粒料熔体在螺杆的输送下进入挤出模头皮层材料的导入段（4），对已进入挤出模头芯层、皮层材料的复合段（5）的玻璃纤维的表层进行包覆，形成皮芯结构的复合过滤材料，螺杆各温区的温度为280～330℃。
8.一种具有皮芯结构的复合过滤材料应用于编织耐高温耐腐蚀的过滤毡。
9.权利要求8所述的编织耐高温耐腐蚀的过滤毡，其特征在于：具有上、中、下三层结构，其中上、下表层为由权利要求1-6任一所述的复合过滤材料制成的短纤维经过针刺或水刺而成的过滤毡，中间层为由权利要求1-6任一所述的复合过滤材料经过针刺而成的基布。
10.权利要求8或9所述的过滤毡，其特征在于：所述过滤毡单位平方米含复合过滤材料克重为300～1200g。
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