玄武岩纤维在高温气体过滤的应用
唐李兴
（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215163）
【摘要】玄武岩纤维是绿色环保的高性能纤维，具有耐高温、耐化学腐蚀、耐水、强度高、断裂伸长率低等优良特性，其价格便宜，用作高温烟气过滤材料，前景广阔。介绍了玄武岩纤维的性质，以及玄武岩纤维过滤材料的复合工艺、后处理和结构。
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关键词 玄武岩；过滤材料；除尘；高温烟气
0前言
随着工业的迅速发展，由火力发电、钢铁、水泥等行业产生的高温烟气，是造成环境污染的重要原因，业内已经将芳纶1313（Nomex）、聚苯硫醚（PPS）、聚酰亚胺（P84）、聚四氟乙烯（PTFE）、玻璃纤维（GF）、陶瓷纤维等高性能纤维，用于对高温烟气的过滤除尘。然而，上述纤维材料，在不同方面受到一定的限制。例如，GF的使用温度为30～260℃，具有优良的耐腐蚀性，但是挠曲性差、不耐磨；P84纤维在温度接近最高使用温度260℃时容易收缩变形；PTFE纤维织物虽然对高温腐蚀性气体具有良好的过滤性能，但其价格昂贵，在高温下容易收缩变形；陶瓷纤维滤料对于温度为500℃以上的腐蚀性气体具有很高的可靠性，但在过滤温度低于300℃的气体时，其强度和气体渗透性不高[1]；P84纤维和芳纶1313易水解，不宜应用于高湿烟气的过滤除尘；PPS纤维易受氧气腐蚀，其使用温度受到烟气氧含量的限制。与上述纤维相比，玄武岩纤维综合性能更好，且较廉价。因此，玄武岩纤维用于高温烟气除尘具有很大的优势。
1玄武岩纤维简述
玄武岩纤维（BF）于1953~1954年由苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发出。
1.1BF的组成成分
BF属于硅铝酸盐系纤维，主要成分为SiO2，还包括Al2O3、MgO、Na2O、K2O、TiO2等成分。
1.2BF的理化性质
耐高、低温性能好。BF可在-260~700℃连续工作，最高使用温度为860~900℃。PPS、P84、PTFE和GF纤维最高使用的温度都不超过400℃，而碳纤维在300℃下即发生氧化产生碳氧化物气体，Nomex纤维的瞬间最高使用温度也只有250℃。
耐酸、碱性好。BF可以耐受pH 为13～14的碱性环境，BF在2N NaOH和2N HCl中的性能保留率分别为92％和75％，在2N NaOH和2N HCl中的重量损失率分别为5.0％和2.2％，在此条件下，GF的结构则会受到严重的破坏[2]。
耐水性能好、吸湿性低。BF中含有特殊的MgO、Na2O、K2O、TiO2等成分，提高了纤维的防水性和耐腐蚀性。
力学性能优良。BF具有断裂强度高，断裂伸长率低等特点，具有良好的尺寸稳定性。BF的力学性能接近碳纤维，而不具有碳纤维的抗氧化性差的弱点，因此BF被认为是碳纤维的低价替代品；BF的拉伸强度与无碱玻纤相当。
此外，BF还具有优良的耐氧化性、阻燃性、抗紫外线性、绝缘性，以及抗辐射性等。
2BF滤料
纯BF滤料仅以BF为原料制得。然而，由于BF自身的缺陷，这类过滤材料不能适应于脉冲或振荡系统，并且使用寿命较短。
BF复合滤料以BF与其他一种或多种耐高温纤维复合制得。与BF复合的耐高温纤维有芳纶1313、PPS、P84、PTFE、GF等。由于BF复合滤料采用了性价比高的BF，还掺杂了其他高性能纤维，各种纤维之间取长补短，所得的复合滤料具有良好的综合性能。
2.1BF滤料的复合工艺
2.1.1针刺法
针刺法采用针刺机，利用截面不同形状的且带有钩状的刺针对梳理后的纤网分别进行预刺和主刺，使得纤维抱合纠缠，从而使得纤网的厚度和强度都达到稳定的状态。然而BF的刚度大，刺针对BF容易造成损伤，制造出的产品存在断裂强力低、过滤性能差、使用寿命短等不足。
2.1.2水刺法
水刺加固工艺是依靠高压水，经过喷水板形成微细的高压水针对托网帘或转鼓上运动的纤网进行连续喷射，在水针直接冲击力和反射作用力的双重作用下，纤网中的纤维发生位移、穿插、抱合、缠结，形成无数的机械结合，从而使纤网得到加固。与针刺法相比，水刺法减少了对纤维的损伤，不会破坏纤网的外观结构，制造的产品强力高，因此，业内普遍采用水刺法代替针刺法，以克服针刺法带来的缺点。
2.1.3针刺和水刺复合法
为了融合针刺和水刺各自的优点，同时克服两种工艺各自的缺点，于淼涵等[3]采用针刺和水刺复合工艺，即先采用预针刺加固，然后采用水刺加工，制备的PBO复合超高温过滤材料，具有高强、高透气、高过滤精度的性能。王萍等[4]也采用该复合工艺制备得到BF、芳纶1313和玻纤的复合过滤材料，并研究工艺参数对产品性能的影响。
2.1.4熔融烧结法
于淼涵等[5]采用熔融烧结法，将不锈钢复合纤维与BF结合，使得不锈钢复合纤维高温熔融后粘结在无机纤维基布经纬纱交织点上，与常规针刺毡相比，提高了毡层和基布的结合强度。
2.1.5高温热压法
陈慰来等[6]将经PTFE溶液涂层处理的BF机织布，与BF缝编无纺布，采用高温热压进行结合，制成BF复合滤料。与传统的针刺和水刺相比，滤料层间相互结合更加牢固，并且与传统的针刺法相比，不会损伤纤维。
2.2BF滤料的后处理
由于BF的耐磨、耐折性能差，因此通常需要对BF滤料进行后处理，以改善其表面特性。常见的后处理工艺包括化学涂覆、浸渍、覆膜等。采用的处理剂主要为含氟乳液，如PTFE乳液，根据不同需求可以添加其他功能性组分，如石墨、蛭石、偶联剂、防水剂等。
刘书平在BF机织布上涂布蛭石涂层[7]，以及采用PTFE乳液浸渍处理PTFE+P84短纤维层[8]，使得过滤材料具有良好的耐磨耐折性。此外，通常还会在纤维材料外层覆合PTFE微孔膜，在提高过滤材料整体耐磨、耐腐蚀性能的同时，增加表面过滤性能，以及提高过滤材料的自清洁性。由于BF为耐高温的无机纤维，纤维受热不易熔粘，与PTFE膜覆合强度不高，对此，业内通常对过滤材料先采用PTFE乳液处理，使得纤维表面包覆有一层PTFE，再与PTFE薄膜热压覆合，以提高BF与PTFE薄膜之间的接合强度[6]。
2.3BF复合滤料的结构
BF复合滤料通常具有层状结构，BF与其他耐温性纤维的复合，可以在各层内部，也可以在各层之间。
2.3.1层内混杂
层内混杂是指在同一过滤层内部进行不同种纤维之间的复合。不同纤维在层内混杂，可以采用织造工艺，也可以采用非织造工艺。于淼涵等[5]将BF与不锈钢短纤维混纺，经开松、梳理形成复合纤维毡层，与BF机织布高温烧结复合制得高温复合过滤材料，既克服了纯的BF抱合力差、剥离强度低的缺点，又克服了纯金属纤维毡硬度大、不易弯折的缺点。邱新标[9]将含有BF与PTFE的混合纤维，通过针刺或织造工艺制成单层复合滤布和多层复合滤布，该单层或多层复合滤布还可以与其他滤布叠合，形成不同类型的多层复合滤布。与经纬纱同采用混合纤维的混纺织布工序有所不同的是，杨勇新等[10]将含有BF的混合纤维制成纬纱，将纯BF制成经纱，经纬纱交织形成基布，可用于脉冲喷吹等强清灰方式的过滤场合；程士平[11]、黄美蓉[12]则采用不同的纤维分别制成经纬纱，并机织成基布，以实施BF与其他耐热性纤维之间的复合，提升了滤料的耐温、耐腐蚀性。
2.3.2层间叠合
层间叠合是指将不同纤维分别形成过滤层，并将形成的多层过滤层进行复合。朱冰等[13]将BF机织布与高性能纤维网层进行水刺复合，高性能纤维为PPS、P84、PTFE、间位芳纶纤维中的一种，制备得到的过滤材料具有过滤精度高、过滤阻力小，易清灰等特点。张延青[14]在BF基布层两侧分别设置PPS纤网层，通过水刺加固制成复合滤料，与纯PPS滤料相比，提高了使用温度和抗拉强度，降低了过滤阻力和成本。然而，这种层间叠合的复合方式，不同纤维之间的掺杂程度不高，其性能可能会受到一定程度的影响。
3结语
BF因其优越的性质，成为目前为止最为理想的高温过滤材料。BF与其他耐热性纤维能够优势互补，用于制备BF复合滤料，其性能得到增强，并且经济效益显著。对于BF复合滤料的研究，已有不少成果。然而，BF复合滤料种类繁多，并且影响滤料产品性能的因素复杂多样，对于工艺、结构与性能之间的定性、定量关系尚缺乏系统、全面的研究。因此，全面深入研究BF滤料，为其应用提供理论指导，仍需要很长的路要走。
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