近年来, 随着工业的快速发展, 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, PM2.5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, 袋式除尘技术已经成为除尘发展的必然趋势, 滤料是袋式除尘器的核心, 其性能直接决定了除尘效果[4-5].理论和研究表明, 过滤材料的过滤效率随着纤维直径的减小而显著提高, 因此, 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, 其制备的纳米纤维膜具有孔径小, 孔隙率高、纤维均一性好等优点[8], 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, 拥有更高的过滤效率和更好的性能, 可有效过滤微细粒子, 因此得到广泛关注.Li等[11]制备了静电纺聚酰胺6纤维, 发现其空气过滤性能明显高于传统空气过滤材料; Nakata等[12]制备出高耐热空气过滤器, 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], 但把纳米膜粘附于袋式除尘用针刺毡滤料, 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, 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, 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, 还具有非常好的耐酸碱性及耐磨性, 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, 热熔型布用胶膜为胶粘层, 通过静电纺丝将涤纶纳米纤维均匀地纺制在布用胶上, 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, 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, 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, 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, 在涤纶针刺毡上覆盖一层布用胶, 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, 原生粒子平均粒径为12 nm.实验设备为静电纺丝机, 其原理图如图1所示.

图1 静电纺丝原理图Fig.1 Schematic of electrospinning

1.2 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 h, 将一定质量的二氧化硅纳米颗粒放入溶液中, 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 kV, 接收距离为21 cm, 实验装置喷丝头直径0.6 mm, 溶液推进速度1 mL/h, 环境温度22 ℃, 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, 在滤料上放置一层布用胶, 将涤纶纳米纤维膜纺制在布用胶上, 制备成3层结构的复合滤料, 纺丝3 h后取下样品, 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, 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 sample

1.3 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—Test method for filtration characterization of cleanable filter media”的测试装置.该装置模拟袋式除尘器的实际运行状态, 研究滤料在过滤中随着被捕集粉尘在其表面的附着, 其阻力增长的情况以及效率参数, 通过控制喷吹压力、喷吹时间、粉尘质量浓度等实验条件, 进行动态过滤性能测试, 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(Al2O3)粉尘, 中位径为6.2 μm, 过滤风速为3 m/min, 过滤面积为165.05 cm2, 入口粉尘质量浓度为5 g/m3.
粉尘由发尘器按照设定量供给, 通过气流进入到金属竖管, 待测的滤料样品夹持在竖直的金属方筒与水平管交汇处, 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, 随着过程的进行, 滤料两侧的压差逐渐增大, 当压差达到一定数值时, 系统控制脉冲阀启动, 高压空气从净气侧喷出, 粉尘层在高压气体作用下掉落, 绝对滤膜用以测试滤料的过滤效率, 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 nm, 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

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, 随着实验过程的进行, 阻力不断增加, 当阻力达到1 kPa, 高压空气瞬间喷出清灰, 阻力急剧下降, 进入下一次过滤周期, 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, 喷吹间隔5 s, 喷吹脉宽30 ms, 此过程真空泵抽风照常进行, 连续喷吹加剧了滤料的老化, 该过程持续大约14 h, 之后进入C过程.
过程C恢复阶段.进行定压喷吹10次, 参数同A过程.该过程为稳定恢复阶段, 数据不做参考, 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, 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, 随着过滤与清灰过程的进行, 部分粉尘进入到滤料的内部, 导致阻力上升.由于处理工艺不同, 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.

图4 洁净滤料阻力曲线Fig.4 Resistance curves of fresh filter

纳米涤纶滤料的初始阻力高于涤纶滤料, 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, 粉尘容易进入滤料内部, 逐渐充实内部的较大空隙, 因此阻力增长较为缓慢; 对于纳米涤纶滤料, 表面的纳米膜更加密实、孔隙小, 近似于表面过滤, 且纳米纤维膜表面通过高压电的处理, 表面存在残余电荷, 对粉尘具有一定的吸附作用, 粉尘在纳米膜表面容易形成粉尘层, 因此阻力增长速度较快.
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, 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, 随着过程的进行, 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, 可用喷吹前后阻力变化率来表征:

图5 洁净滤料30个周期残余阻力Fig.5 Residual resistance of fresh filter for 30 cycles

其中:b为粉尘剥离率;Pb为定压喷吹设定的压力值, 即1 kPa;Pr为测试结束后滤料的残余阻力, Pa;Po为测试开始时滤料的残余阻力, Pa.
纳米涤纶滤料的粉尘剥离率为96.9%, 涤纶滤料的粉尘剥离率为93.8%, 由此, 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, 涤纶滤料需要的时间急剧减少, 且第一个周期和最后一个周期需要的时间相差6倍, 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, 而第15个周期后, 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.

图6 洁净过程30个周期所需的时间Fig.6 Time required for 30 cycles of fresh stage

A过程纳米膜滤料过滤效率为99.98%, 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.
2.2 老化过程
滤料的老化过程通过脉冲清灰处理实现, 整个过程10 000次喷吹, 时长约14 h.两种滤料老化过程阻力曲线如图7所示, 老化过程前, 纳米涤纶滤料阻力为123.2 Pa, 涤纶滤料阻力为65.3 Pa, 老化过程后, 纳米涤纶滤料阻力为205.1 Pa, 涤纶滤料阻力为177.6 Pa, 纳米涤纶滤料阻力增长了81.9 Pa, 与初始阻力相比增长了66.4%, 涤纶滤料阻力增长了112.3 Pa, 与初始阻力相比增长了172.0%.老化过程中, 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 process

2.3 稳定过滤过程
针刺毡滤料应用中, 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, 实际上滤料在几年的使用周期中, 经过初期几个月的老化后, 其余大部分时间都处于稳定过滤阶段, 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.
稳定过滤阶段第一个周期的阻力曲线如图8所示, 涤纶滤料的初始阻力略高于纳米涤纶滤料, 而第一个周期阻力增长速度远远高于涤纶纳米滤料, 涤纶滤料需要11.7 min完成第一个周期, 纳米涤纶滤料需要19.2 min完成第一个周期, 时间相差将近一倍.

图8 稳定过滤第一个周期阻力曲线Fig.8 Resistance curves in the first cycle of stabilized stage

稳定过滤阶段30个周期残余阻力如图9所示.随着过滤周期的增加, 纳米涤纶滤料的残余阻力变化幅度不大, 基本趋于稳定, 涤纶滤料的残余阻力仍呈增长趋势.稳定阶段纳米涤纶滤料的粉尘剥离率为99.89%, 涤纶滤料的粉尘剥离率为98.57%.

图9 稳定过滤30个周期的残余阻力Fig.9 Residual resistance of 30 cycles in stabilized stage

图10为稳定过滤过程完成30个周期对应需要的时间.