玻璃纤维滤材的发展及玻璃纤维针刺毡的加工技术

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1、玻璃纤维滤材的发展及玻璃纤维 针刺毡的加工技术 王小兵? 朱? 平? ( 南京菲尔特过滤材料研究开发中心, 南京, 210012) 摘? 要: 平幅布、 膨体布和针刺毡是目前国内市场上主要使用的三大系列玻纤滤材, 高效高性能滤材、 超高温 滤材和触媒涂层滤材是国际上过滤材料的发展趋势。文章还介绍了玻纤针刺毡的原料选用、 生产工 艺以及产品性能、 用途和标准。 关键词: 玻璃纤维, 过滤材料, 针刺毡, 生产工艺 ? ? 随着社会的发展, 人民生活水平的提高, 人们 对环境质量的要求越来越高, 世界各国对除尘技 术和装备的开发与应用越来越重视。目前除尘装 置多采用袋式除尘器与静电除尘器, 其中袋

2、式除 尘器约占 80%。 袋式除尘器的核心是过滤材料, 过滤材料的 种类、 性能决定了除尘器的过滤风速、 使用温度、 运行费用等。过滤材料的开发应用将促进袋式除 尘器的开发应用。生产过滤材料的纤维有棉、 毛、 合成纤维、 玻璃纤维、 陶瓷纤维、 金属纤维等, 应用 最广的是合成纤维和玻璃纤维。玻璃纤维由于耐 温性高、 耐腐蚀、 表面光滑、 粉尘剥离性和尺寸稳 定性好, 作为过滤材料使用已有半个多世纪。 1 ? 国内玻璃纤维过滤材料的现状 玻纤滤料的生产工艺经历了机织圆筒布、 平 幅布、 膨体布、 针刺毡等发展历程, 目前国内市场 上主要使用的玻纤滤料有平幅布、 膨体布、 针刺毡 三大系列。 玻

3、纤平幅过滤布是经、 纬股纱交织而成的织 物, 是早期研究开发的玻纤滤料, 也是目前国内市 场的主导产品, 现有斜纹、 破斜纹、 纬二重等不同 组织的平幅玻纤过滤布, 以满足除尘系统对滤料 透气率、 经纬向强度、 粉尘剥离性的要求。 玻纤膨体纱过滤布是在 70 年代研制的玻纤 滤料, 由于其纱线蓬松, 覆盖能力强, 与玻纤平幅 过滤布相比, 在相同的容尘量下, 过滤风速可提高 三分之一, 系统运行阻力可降低四分之一, 可收集 粒径在1 ? m 左右的产品, 捕尘率在 99. 5% 以上。 玻纤针刺毡过滤材料是 80 年代研究开发的 新型高温高效玻纤滤料, 是一种结构合理、 性能优 良的新型高温滤

4、料, 不仅具有玻璃纤维织物滤料 耐高温、 耐腐蚀、 尺寸稳定、 强度高的特点, 而且由 于毡层纤维呈三维微孔结构, 空隙率高, 对气体的 过滤阻力小, 是一种高气布比的高温滤料。 玻璃纤维自身不具备很好的耐腐蚀性和憎水 性, 其曲挠性与合成纤维相差很远。工业生产各 个行业产生的烟气粉尘所含化学成分及其含量、 烟气的温度和湿度千差万别, 因此玻璃纤维要作 为过滤材料, 必须经过表面处理。 玻纤滤料的表面处理是根据使用领域的工况 条件, 在玻璃纤维布或毡的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 期处于高温状态下的玻纤滤料在酸性或碱性气氛 中, 其强度、 耐折、 耐磨等

5、性能不受影响; 改善玻璃 纤维的曲挠性, 使其满足袋式除尘器反吹风清灰 或脉冲清灰工作的要求。经过表面处理后的玻纤 滤料, 分别或综合具有了耐折、 耐磨、 憎水、 憎油、 抗结露、 耐酸等性能。 2 ? 国际过滤材料的发展趋势 近年来, 国际上过滤材料的研究方兴未艾, 呈 ?1?2000年第 3期 ? ? ? ? ? ? ? 产业用纺织品 现蓬勃发展之势, 主要有三大方向。 2. 1 ? 高效高性能滤材 高效高性能滤材具有优良的物理、 化学性能, 低压损、 使用寿命长, 收尘效率高, 粉尘剥离性好 等特点, 其主要代表产品有: 加厚玻纤膨体纱滤 材, 用不同种类的合成纤维与玻纤复合制作的针 刺

6、毡滤材和覆膜滤材。 2. 2 ? 超高温滤材 采用超高温滤材意味着大大节约过滤费用, 因为烟气在过滤之前不必先冷却, 而且可以从中 回收大量的热能。其主要产品有: 金属纤维针刺 毡滤材, 可在 300 600 高温中使用, 一般使用 温度为 450 ; 高硅氧滤材( 高硅氧纤维是玻璃纤 维中一种特殊的纤维) , 可以在 600 高温中长期 使用 , 短期最高使用温度可达800 ; 陶瓷纤维滤 材, 可以在 760 高温中长期使用, 最高使用温度 可达 1 100 。 2. 3 ? 触媒涂层滤材 在排放的烟气中不仅有大量的粉尘, 而且还 随着产品的不同含有大量的有害气体, 如二氧化 硫、 氮氧化

7、物等。以前的滤材只能过滤粉尘, 而对 有害气体无能为力, 现在美、 日等国加紧了对废气 中粉尘和其他有害成分综合治理的研究, 开发了 触媒涂层袋滤新技术, 在滤布表面涂覆脱氮触媒, 使之兼具除尘与脱氮功能, 若与碱性吸收剂并用, 还可除去酸性气体。 3 ? 梳理和针刺工艺中玻璃纤维的 选用 ? ? 在广义的过滤纺织材料及过滤非织造材料 中, 玻璃纤维算是特种材料, 玻璃纤维的品种和规 格很多, 因此玻璃纤维的选用就成为能否做出玻 纤针刺毡滤料的首要条件。 玻纤短丝是生产玻纤针刺毡最基本的原料, 其规格性能将决定是否能通过梳理和针刺工艺, 并直接影响产品的质量。玻纤短丝的主要规格性 能是纤维长度

8、、 纤维细柔度、 纤维的耐折耐磨性、 纤维的抗静电性。 3. 1 ? 纤维长度 纤维的长度要适应梳理工艺和产品质量两个 方面。玻纤短切丝长度长, 纤维之间容易缠绕, 联 结点多, 则产品的强度大、 质量好。但是梳理机都 有一定的梳理长度范围, 超过该范围纤维就不易 梳开, 甚至缠绕在锡林上而无法生产。因此一般 取梳理范围的上限, 约为 30 mm 80 mm。 3. 2? 纤维的细柔度 一般纤维越细, 产品的单位质量强度越大, 产 品的手感也越好。 玻璃是一种脆性材料, 柔性差, 只有将其拉成 相当细的纤维时, 才能成为可以梳理、 针刺的加工 材料, 但其柔性与其他有机纤维比较仍大为逊色。 柔

9、性在一定程度上可以用纤维的临界弯曲半径和 抗弯刚度来表示。临界弯曲半径就是将纤维绕过 一根芯轴, 纤维将断裂而又尚未断裂时的最小芯 轴半径, 如图 1所示。 ? ? 图 1? 玻璃纤维围绕芯轴弯曲时的 临界弯曲半径 由直角三角形相似定理可知: R ! d 2 ( 1 ?- 1) 式中: R ? 临界弯曲半径; d ? 纤维直径; ? 相对断裂伸长。 上式说明临界弯曲半径取决于纤维直径和相 对断裂伸长, 玻璃纤维的相对断裂伸长由材料性 质所决定, 不易改变, 所以减小纤维直径就成为提 高柔性的重要方法。 纤维抵抗弯曲变形的能力称为纤维的抗弯刚 度, 可以用下式表示: V = IE 式中: V ?

10、 ? 纤维的抗弯刚度; I ? ? 纤维对于中轴的转动惯量; ?2? ? ? ? ? ? ? 产业用纺织品? ? ? ? ? ? 第 18卷总第 114 期 E ? 纤维的弹性模量。 玻璃纤维为圆形截面, I= d 4 64 , 因而 V 0. 05 d 4 E ? ? 由上式可见, 纤维的抗弯刚度与其弹性模量 及纤维直径的 4 次方成正比。纤维的抗弯刚度越 大, 抵抗弯曲变形的能力也越大, 即柔性越小。 从理论上看, 玻璃纤维越细, 其脆性越小, 柔 性越大, 因此要选细的纤维作为梳理、 针刺的材 料。 3. 3 ? 纤维的耐折耐磨性 玻璃纤维在梳理、 针刺加工和使用过程中, 常 常要同时经

11、受反复的拉伸变形和弯曲变形, 纤维 的弯曲强度也会因此而降低, 这是纤维的弯曲疲 劳。纤维在反复弯曲时, 其外层会产生使微裂纹 增大的张力, 会使纤维在较小的负荷下也能断裂。 通过对几种不同直径的玻璃纤维耐折性能对 比( 表 1) 可以看出, 3. 3 ? m 的纤维耐折性次数比 6. 6 ? m 纤维高 12 倍。因此纤维直径越小, 越有 利于提高产品的耐曲挠性能和使用寿命。 表 1? 不同直径玻璃纤维耐折性能对比 纤维直径(?m)3. 34. 45. 56. 68. 8 耐折性能(次)2 0778791758839 ? ? 玻璃纤维在梳理、 针刺和使用过程中要经受 磨损, 磨损是造成玻璃纤

12、维损坏的主要原因之一。 与有机纤维相比, 玻璃纤维的耐磨性差, 是其主要 弱点之一。 根据所掌握的各类高分子化合物的性能, 选 择国内能合成的, 耐磨性能首屈一指的高分子弹 性化合物作为浸润剂配方中的粘结成膜组分, 从 3 种类似化合物中进行筛选, 对玻璃纤维进行处 理, 其耐折、 耐磨、 柔软性能对比列于表 2。 表 2? 经不同粘结组分处理后玻璃纤维的性能对比 粘结组分耐折( 次)耐磨(次)手? ? 感 化 1号119245较硬 205154. 9255柔软 B3290. 2330. 2柔软 脱蜡布53172. 2 ? ? 由表 2 数据看出, 玻璃纤维经处理后的手感 柔软、 耐折、 耐磨

13、性能明显提高, 尤其是经B3 处理 后, 耐折性能比脱蜡布提高近 5 倍, 耐磨性能提高 近 1倍。因此适宜的浸润剂能对玻璃纤维起良好 的保护作用, 浸润剂的种类、 含量和涂覆均匀程度 明显影响玻璃纤维的耐折耐磨性。 3. 4? 纤维的抗静电性 玻璃纤维在梳理、 针刺时要与不断运动的机 械发生摩擦, 极易在纤维表面积聚电荷, 使纤维与 纤维排斥, 纤维与机件之间相互吸引, 导致生产无 法正常进行。例如, 短切时纤维因静电吸附在刀 辊及短切机壁上; 梳理时纤维吸附在锡林、 成网箱 上#, 从而使纤维分梳不良, 成毡均匀性差。国 外有的在设备上安装静电消除装置, 有的在梳理 前的短纤维上喷洒防静电

14、剂, 也可以在拉丝浸润 剂中直接加入防静电剂, 防止纤维产生静电, 取得 了较好的效果。要避免产生静电, 还必须使玻纤 短丝保持一定的湿润度。 4 ? 玻纤针刺毡的生产工艺及技术 梳理、 成网、 针刺是生产玻纤针刺毡的主要工 序, 其作用是将短切好的玻璃纤维丝束分梳为一 根根单纤维, 然后凝聚成一定厚度的玻纤网, 经过 针刺机中带有刺钩的针的上下穿刺, 把纤网表面 的一些纤维刺到网底, 使纤维互相缠绕而加固, 形 成具有一定强度的毡。主要过程为: 定量铺料 梳理 成网 定量铺料 梳理 成网 预针刺 主针刺 收卷 玻纤针刺毡滤材生产线既可以生产过滤材料 的玻纤针刺毡, 也可以生产工艺相近的其他玻

15、纤 针刺毡; 既可以生产带有基布的玻纤针刺毡, 也可 以生产无基布的玻纤针刺毡。 在玻璃纤维的梳理中, 梳理机的作用是将短 切后的玻璃纤维束( 一般一束含 200 根单纤维) 梳 理成单纤维。目前还没有专门的玻璃纤维梳理 机, 国内梳理机主要有三大类: 梳棉机、 梳毛机和 专用于非织造布的梳理机。在实际应用中, 三类 梳理机都能分梳玻璃纤维, 但无论选用哪一种梳 理机, 都必须加以改造, 以适应对玻璃纤维的梳 理。 玻璃纤维梳理后, 成网是很重要的工艺过程, 将直接影响产品的质量。目前主要有机械成网和 ?3?2000年第 3期 ? ? ? ? ? ? ? 产业用纺织品 气流成网两种方法。 机械

16、成网的优点是输出纤维网的宽度可以任 意调节, 调节范围大。缺点是纤维经梳理后, 纤网 中纤维呈单向平行排列, 产品的纵横向比相差很 大, 有的可达 10%1, 对要求各向同性的产品很不 利; 做薄型产品时, 交叉铺叠形成的 设备的占地面积小。缺点是输出纤网的宽度 受到梳理机宽度的限制, 只能在梳理机宽度内作 有限的调整; 成网过程中极易受到气流和外界的 干扰, 造成纤网左右厚薄不匀。 玻璃纤维针刺工艺与合成纤维针刺工艺基本 相同。但是玻璃纤维的耐折耐磨性差, 因此玻纤 针刺毡的针刺密度较低, 为了弥补针刺密度不足 而引起的产品松散, 可适当加大针刺深度。玻璃 纤维的摩擦系数比合成纤维的摩擦系数小得多, 因此针板下刺时, 其阻力也小, 可适当增大刺针的 三角边, 同时也增大了三刃边上的刺钩, 使带过的 纤维多些, 增强针刺毡的抱合力。 随着针刺产品的不同, 针刺工艺参数及刺针 的型号都要作相应的调整。 5 ? 玻纤针刺滤材的标准 玻纤针刺毡过滤材料已广泛应用于炭黑、 化 工、 冶金、 耐火材料、