摘　 　 　 要: 采用静电纺丝的方法制备了“三明治”结构的纳米涤纶滤料ꎬ并对增加纳米膜前后的涤纶滤料进行动态性能测试. 结果表明:在洁净过滤阶段初期ꎬ纳米涤纶滤料阻力增长较快ꎬ随着过程的推进ꎬ阻力增长逐渐缓慢ꎬ完成每个周期需要的时间大于涤纶滤料ꎬ纳米涤纶滤料粉尘剥离率为 96􀆱 9% . 老化阶段纳米涤纶滤料阻力增长了 81􀆱 9 Paꎬ涤纶滤料增长了 112􀆱 3 Pa. 稳定过滤阶段纳米涤纶滤料阻力增长缓慢ꎬ完成周期时间长ꎬ粉尘剥离率为 99􀆱 89% . 纳米涤纶滤料的阻力性能明显优于涤纶滤料.关　 键　 词: 滤料ꎻ静电纺丝ꎻ涤纶ꎻ袋式除尘ꎻ阻力ꎻ 纳米涤纶滤料中图分类号: X 513　 　 　 文献标志码: A　 　 　 文章编号: 1005 -3026(2018)11 -1662 -05Experimental Study on the Influence of Nanofiber Membrane onthe Performance of Filter MediaGUO Ying￣heꎬ HE Wei￣dongꎬ LIU Jing￣xian(School of Resources & Civil Engineeringꎬ Northeastern Universityꎬ Shenyang 110819ꎬ China. Correspondingauthor: LIU Jing￣xianꎬ E￣mail: 82003@126. com)Abstract: The nano￣polyester filter with “sandwich” structure was prepared by electrospinningmethod. The dynamic performance of the polyester filter with or without the nanofiber membranewas tested. The results indicate that at the beginning of fresh filter stageꎬ the resistance of nano￣polyester filter increase rapidly. As the process progressesꎬ the resistance grows slowly and thetime required to complete each cycle is longer than polyester filterꎬ the dust stripping rate of nano￣polyester filter is 96􀆱 9% . At the aged stageꎬ nano￣polyester filter resistance increases by 81􀆱 9 Paand polyester filter increases by 112􀆱 3 Pa. At the stabilized stageꎬ the dust stripping rate of nano￣polyester is 99􀆱 89% with the resistance growth slowly and long￣time filtration cycle. Theperformance of nano￣polyester filter is obviously better than that of polyester filter.Key words: filterꎻ electrospinningꎻ polyesterꎻ baghouseꎻ resistanceꎻ nano￣polyester filter　 　 近年来ꎬ随着工业的快速发展ꎬ我国的空气质量日益恶化. 雾霾问题几乎覆盖了我国的大部分地区ꎬPM2􀆱 5 等环境问题已经成为大众关注的焦点 [1 -3] . 随着我国环保标准的提高ꎬ袋式除尘技术已经成为除尘发展的必然趋势ꎬ滤料是袋式除尘器的核心ꎬ其性能直接决定了除尘效果 [4 -5] . 理论和研究表明ꎬ过滤材料的过滤效率随着纤维直径的减小而显著提高ꎬ因此ꎬ减小过滤材料的纤维直径是改善滤料性能的有效手段 [6 -7] . 静电纺丝技术是制造纳米纤维的主要技术手段ꎬ其制备的纳米纤维膜具有孔径小ꎬ孔隙率高、纤维均一性好等优点 [8] ꎬ在空气过滤、防护服、传感器、创伤包敷、工程支架等领域得到广泛关注 [9 -10] . 静电纺纳米纤维膜与传统滤料相比ꎬ拥有更高的过滤效率和更好的性能ꎬ可有效过滤微细粒子ꎬ因此得到广泛关注. Li 等 [11] 制备了静电纺聚酰胺 6 纤维ꎬ发现其空气过滤性能明显高于传统空气过滤材料ꎻNakata 等 [12] 制备出高耐热空气过滤器ꎬ对电纺膜聚醚砜(PES)进行了评价. Kim 等 [13] 通过静电纺丝所制聚碳酸酯纤维膜对微细颗粒的过滤效率高 　 　达 99􀆱 98% .纳米膜用于一次性、不可再生的空气净化材料表面加强层的研究已有报道 [11 -12] ꎬ但把纳米膜粘附于袋式除尘用针刺毡滤料ꎬ耐受高强度的反吹气流进行强制再生、长期使用的研究尚未见报道.涤纶的基本组成物质是聚对苯二甲酸乙二醇酯ꎬ它是世界上产量最大、应用最广泛的合成纤维. 涤纶广泛应用于工业除尘滤料中ꎬ涤纶布袋除具有孔隙率高、透气性好、集尘效率高、使用寿命长等优点外ꎬ还具有非常好的耐酸碱性及耐磨性ꎬ因此它是使用量最为广泛的滤料之一 [14 -15] .本文以涤纶针刺毡滤料为基材ꎬ热熔型布用胶膜为胶粘层ꎬ通过静电纺丝将涤纶纳米纤维均匀地纺制在布用胶上ꎬ通过热压的方式将涤纶纳米纤维膜与涤纶针刺毡滤料紧密地结合ꎬ制得复合纳米涤纶针刺毡滤料. 对复合材料进行动态性能测试ꎬ对比了涤纶针刺毡滤料和纳米涤纶针刺毡滤料的动态性能ꎬ探索了改进滤料性能的新方法.1　 实验方案1􀆱 1　 实验原料及装置纺丝实验原料为涤纶树脂颗粒及有机溶剂.溶剂由质量浓度比为 4∶1 的三氟乙酸(TFA)和二氯甲烷(DCM)混合组成. 接收基材使用涤纶针刺毡ꎬ在涤纶针刺毡上覆盖一层布用胶ꎬ用来牢固粘结涤纶针刺毡和涤纶纳米纤维膜. 纳米级二氧化硅为德国赢创德固赛生产ꎬ原生粒子平均粒径为12 nm. 实验设备为静电纺丝机ꎬ其原理图如图 1所示.图 1　 静电纺丝原理图Fig􀆱 1　 Schematic of electrospinning1􀆱 2　 样品制备定量的涤纶树脂颗粒置于溶剂中搅拌 4 h 后静置 2 hꎬ将一定质量的二氧化硅纳米颗粒放入溶液中ꎬ配置涤纶树脂质量分数为 18% 、二氧化硅质量分数为 4% 的纺丝液待用. 实验过程纺丝电压为15 kVꎬ接收距离为 21 cmꎬ实验装置喷丝头直径0􀆱 6 mmꎬ溶液推进速度 1 mL/ hꎬ环境温度 22℃ꎬ环境湿度 50% . 纺丝时间为 3 h.将涤纶针刺毡滤料固定在滚筒上作为接收基材ꎬ在滤料上放置一层布用胶ꎬ将涤纶纳米纤维膜纺制在布用胶上ꎬ制备成 3 层结构的复合滤料ꎬ纺丝 3 h 后取下样品ꎬ通过热压的方式将涤纶纳米纤维膜和涤纶针刺毡紧密地粘合在一起ꎬ形成涤纶纳米纤维针刺毡滤料. 样品示意图如图 2 所示.图 2　 样品示意图Fig􀆱 2　 Schematic of sample1􀆱 3　 动态过滤测试实验装置采用由东北大学滤料检测中心研发的符合“GB/ T 6719—2009 袋式除尘器技术要求” 以 及 “ ISO 11057—2011 Air quality—Testmethod for filtration characterization of cleanablefilter media”的测试装置. 该装置模拟袋式除尘器的实际运行状态ꎬ研究滤料在过滤中随着被捕集粉尘在其表面的附着ꎬ其阻力增长的情况以及效率参数ꎬ通过控制喷吹压力、喷吹时间、粉尘质量浓度等实验条件ꎬ进行动态过滤性能测试ꎬ滤料动态性能测试装置如图 3 所示.图 3　 测试装置Fig􀆱 3　 Test experiment动态过滤性能测试采用的粉尘为氧化铝(Al 2 O 3 ) 粉尘ꎬ中位径为 6􀆱 2 μmꎬ过滤风速为3 m/ minꎬ过滤面积为 165􀆱 05 cm 2 ꎬ入口粉尘质量浓度为 5 g/ m 3 .粉尘由发尘器按照设定量供给ꎬ通过气流进3 6 6 1 第 11 期 　 　 　 郭颖赫等: 纳米纤维膜对滤料性能影响的实验研究 　 　入到金属竖管ꎬ待测的滤料样品夹持在竖直的金属方筒与水平管交汇处ꎬ气流在泵的抽吸作用下通过滤料时粉尘被夹持的滤料捕集ꎬ随着过程的进行ꎬ滤料两侧的压差逐渐增大ꎬ当压差达到一定数值时ꎬ系统控制脉冲阀启动ꎬ高压空气从净气侧喷出ꎬ粉尘层在高压气体作用下掉落ꎬ绝对滤膜用以测试滤料的过滤效率ꎬ滤料压差记录和脉冲清灰控制由计算机完成.涤纶纳米纤维膜的平均直径为 437 nmꎬ纳米涤纶滤料和涤纶滤料的具体参数如表 1 所示.表 1　 两种滤料的参数Table 1　 Parameters of two filters滤料 面密度/ (g􀅱m-2 )厚度/ μm 透气性/ (m 3 􀅱m-2􀅱min-1 )纳米纤维膜 + 涤纶滤料 566􀆱 87 1 766􀆱 68 4􀆱 25涤纶滤料 549􀆱 89 1 745􀆱 39 6􀆱 87　 　 实验分为 4 个过程:过程 A　 洁净过滤阶段. 洁净滤料初阻较低ꎬ随着实验过程的进行ꎬ阻力不断增加ꎬ当阻力达到1 kPaꎬ高压空气瞬间喷出清灰ꎬ阻力急剧下降ꎬ进入下一次过滤周期ꎬ如此反复 30 次之后进入 B过程.过程 B　 老化喷吹阶段. 程序控制脉冲阀进行连续 10 000 次喷吹清灰ꎬ喷吹间隔 5 sꎬ喷吹脉宽 30 msꎬ此过程真空泵抽风照常进行ꎬ连续喷吹加剧了滤料的老化ꎬ该过程持续大约 14 hꎬ之后进入 C 过程.过程 C　 恢复阶段. 进行定压喷吹 10 次ꎬ参数同 A 过程. 该过程为稳定恢复阶段ꎬ数据不做参考ꎬ随后进入 D 过程.过程 D　 稳定过滤阶段. 测试过程与 A 完全相同ꎬ代表着滤料在现场使用时的常规状态.2　 结果与讨论2􀆱 1　 洁净过滤过程滤料在初始阶段阻力一般较低ꎬ随着过滤与清灰过程的进行ꎬ部分粉尘进入到滤料的内部ꎬ导致阻力上升. 由于处理工艺不同ꎬ不同滤料的阻力增长速度也不相同. 图 4 为纳米涤纶滤料和普通涤纶滤料第一个过滤周期阻力曲线.纳米涤纶滤料的初始阻力高于涤纶滤料ꎬ且纳米涤纶滤料第一个周期的阻力增长速度明显高于普通涤纶滤料. 普通涤纶滤料由于孔隙和纤维直径尺寸大ꎬ粉尘容易进入滤料内部ꎬ逐渐充实内部的较大空隙ꎬ因此阻力增长较为缓慢ꎻ对于纳米涤纶滤料ꎬ表面的纳米膜更加密实、孔隙小ꎬ近似于表面过滤ꎬ且纳米纤维膜表面通过高压电的处理ꎬ表面存在残余电荷ꎬ对粉尘具有一定的吸附作用ꎬ粉尘在纳米膜表面容易形成粉尘层ꎬ因此阻力增长速度较快.图 4　 洁净滤料阻力曲线Fig􀆱 4　 Resistance curves of fresh filter图 5 为 A 过程两种滤料 30 个周期的残余阻力. 随着清灰周期的增加ꎬ各周期的残余阻力随着过滤时间的延长而增大. 纳米涤纶滤料初始阶段阻力增长较快ꎬ随着过程的进行ꎬ残余阻力增长趋势变缓. 粉尘剥离率用来描述滤料脉冲清灰的效果ꎬ可用喷吹前后阻力变化率来表征:b =P b - P rP b - P o .其中:b 为粉尘剥离率ꎻP b 为定压喷吹设定的压力值ꎬ即 1 kPaꎻP r 为测试结束后滤料的残余阻力ꎬPaꎻP o 为测试开始时滤料的残余阻力ꎬPa.图 5　 洁净滤料 30 个周期残余阻力Fig􀆱 5　 Residual resistance of fresh filter for 30 cycles　 　 纳米涤纶滤料的粉尘剥离率为 96􀆱 9% ꎬ涤纶滤料的粉尘剥离率为 93􀆱 8% ꎬ由此ꎬ纳米涤纶滤料的清灰性能较涤纶滤料有所提高是由纳米膜表4 6 6 1 东北大学学报(自然科学版)　 　 　 第 39 卷 　 　面密实所致.图 6 为滤料 A 过程达到 30 个周期(阻力达到1 kPa)对应需要的时间. 随着过程的进行ꎬ涤纶滤料需要的时间急剧减少ꎬ且第一个周期和最后一个周期需要的时间相差 6 倍ꎬ而纳米涤纶滤料30 个周期需要的时间减少幅度缓慢. 第 15 个周期前涤纶滤料需要的时间大于纳米涤纶滤料ꎬ而第 15 个周期后ꎬ纳米涤纶滤料需要的时间大于涤纶滤料. 纳米涤纶滤料 A 过程 30 个周期过滤状态稳定性较涤纶滤料有所提升.A 过程纳米膜滤料过滤效率为 99􀆱 98% ꎬ普通涤纶滤料过滤效率为 99􀆱 08% . 纳米膜效率明显高于涤纶滤料.图 6　 洁净过程 30 个周期所需的时间Fig􀆱 6　 Time required for 30 cycles of fresh stage2􀆱 2　 老化过程滤料的老化过程通过脉冲清灰处理实现ꎬ整个过程10000 次喷吹ꎬ时长约14 h. 两种滤料老化过程阻力曲线如图 7 所示ꎬ老化过程前ꎬ纳米涤纶滤料阻力为 123􀆱 2 Paꎬ涤纶滤料阻力为65􀆱 3 Paꎬ老化过程后ꎬ纳米涤纶滤料阻力为205􀆱 1 Paꎬ涤纶滤料阻力为 177􀆱 6 Paꎬ纳米涤纶滤料阻力增长了81􀆱 9 Paꎬ与初始阻力相比增长了 66􀆱 4% ꎬ涤纶滤料阻力增长了 112􀆱 3 Paꎬ与初始阻力相比增长了172􀆱 0% . 老化过程中ꎬ涤纶滤料阻力增长程度明显高于纳米涤纶滤料.图 7　 滤料老化过程阻力曲线Fig􀆱 7　 Resistance curves of filter in aging process2􀆱 3　 稳定过滤过程针刺毡滤料应用中ꎬ会经历从洁净时的深层过滤向使用一段时间后的表面过滤过渡ꎬ实际上滤料在几年的使用周期中ꎬ经过初期几个月的老化后ꎬ其余大部分时间都处于稳定过滤阶段ꎬ因此稳定过滤阶段的测试数据是评价滤料好坏的重要指标.