欢迎访问最好的毕业论文网!www.osmsg.com
多尺度纤维高温气体过滤材料的制备与性能研究

论文作者:材料论文
发表时间:2017-2-18

摘要:
  随着空气质量日趋恶化,用于高温废气过滤排放的滤料开发得到越来越多的关注。本研究采用多尺度纤维复合方式开发具有过滤层与机织力学增强层的高温气体过滤材料。通过静电纺丝法制备了直径约为200nm的聚酰亚胺超细纤网作为过滤层。通过织造制得2/2斜纹碳纤维机织布作为力学增强层。对聚酰亚胺超细纤网耐热性能的研究以及对多尺度纤维复合滤料过滤性能的测试,证明该过滤材料具有作为高温气体滤料的研发价值,其最大过滤效率达98.13%。通过扫描电子显微镜(SEM)观察过滤前后聚酰亚胺超细纤网的形貌,证实了过滤前均匀纤网的形成以及过滤过程中纤网对粉尘颗粒的有效拦截作用。
  关键词:高温气体过滤;多尺度纤维复合滤料;纳米纤维;碳纤维;过滤性能
  1 引言
  近年来,大量排放的高温工业废气对大气环境造成了严重污染,“空气质量”、“雾霾”、“PM2.5”等话题迅速升温,成为全球关注的热点问题。因此对高温除尘技术的研发和优化极其重要[1]。研究结果显示,颗粒物的大小会直接影响到颗粒物在呼吸系统中停留的位置、运动规律、清除过程以及在人体内停留的时间。颗粒物的直径越小,对健康的影响越大[2]。人类在发展经济的同时,必须同时考虑到对自身健康的保护,杜绝大量烟气粉尘的排放,减少空气中可吸入颗粒物的数量。美国 EPA 公司于1987 年推出了PM (particulate matter)的控制标准:PM10,又于1997年推出 PM2.5,更加突出了对细小颗粒物的防护[3]。
  目前,大部分工厂排放的高温烟气首先经空气冷却器冷却至250℃以下再进行除尘,但这样温度的气体仍属于高温烟气[4]。近年来,各国积极展开了对各种高性能纤维的研发以适应高温除尘技术的要求,多种新型过滤材料蓬勃发展。虽然现阶段已经研发出了各种各样的可用于高温气体过滤的滤材,但是每种过滤材料在实际使用过程中都存在一些不可避免的自身缺陷。例如玻璃纤维,当玻璃纤维在200℃~260℃条件下使用时,其使用寿命短,滤布在短时间内会出现破洞现象。P84纤维和PTFE纤维虽然在此条件下的使用寿命相对较长,但其价格比较昂贵,一般企业难以接受。陶瓷纤维过滤材料在过滤阻力、过滤效率、使用寿命、清灰效果等方面都比较有优势,但是陶瓷纤维自身较脆,耐折性差,纤维易断。玄武岩纤维的热稳定性、化学稳定性及绝缘性等性能较好,并且其来料丰富,价格较低,但是由于原料地域性的差异,不同产地不同厂家生产的纤维的各种性能差颇大[5]。随着国家环保标准的日趋严格和节能减排、清洁生产观念的深入人心,高温滤料的市场发展潜力越来越大[6]。滤料生产企业应加强技术革新,进一步提高产品质量,改变目前高端高温滤料主要靠进口的局面,降低应用企业环保投入成本,使高温袋式除尘技术的应用不断扩大[7]。低阻、高效、长寿命的滤料将是发展的重点[8]。
  本文选择聚酰亚胺作为过滤层材料,其耐高温性能优异,力学性能、耐腐蚀、耐溶剂、耐辐射等综合性能也十分突出,而且对微纳米颗粒的过滤作用十分有效[9]。同时,选择碳纤维机织物作为力学增强层材料,保护纳米过滤层的同时,为整个滤料体系提供必要的力学性能。碳纤维材料除具有耐高温性、耐腐蚀性以及优异的力学性能之外,其导电性能也十分优越,对静电纺丝的接收能力较强,可直接作为静电纺丝的接收材料使用[10]。
  2 试验
  2.1 试验材料
  机织物基底选择2/2斜纹碳纤维织物(无锡市盛特碳纤维制品有限公司)。织物面密度为240 g/m2。经纬纱线密度均为200 tex,碳纤维为T300。使用试剂为均苯四甲酸酐 (PMDA)(上海市合成树脂研究所),分子式C10H2O6,分子量 218.2;4,4’-二氨基二苯醚(ODA)(上海市合成树脂研究所),分子式C12H12N2O,分子量 200.24;N,N-二甲基乙酰胺 (DMAc)(上海凌峰化学试剂有限公司),分子式C6H9N0,分子量 87.12。
  2.2 试验仪器
  JZB-1800注射泵(健缘医疗科技有限公司),JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)(日本JEOL公司),yris-1型DSC分析仪(美国Perkin Elmer公司),TSI8130型自动滤料测试仪(美国TSI公司)。
  2.3 多尺度纤维复合过滤材料的制备
  由均苯四甲酸酐 (PMDA)作为二酐,4,4’-二氨基二苯醚(ODA)作为二胺,N,N-二甲基乙酰胺 (DMAc)作为极性溶剂,成功合成不同含固量的聚酰胺酸溶液。通过对聚酰胺酸溶液进行静电纺丝试纺,电压为12 kV,接收距离为20 cm,成功纺制出了纤维直径均匀且无液珠的聚酰胺酸(PAA)纤网。聚酰胺酸(PAA)纤网经过100℃、200℃、300℃和350℃各30分钟的梯度升温后,环化为耐热性能和机械性能优越的聚酰亚胺超细纤维网,纤维直径约200nm。在纺丝结束后,使用聚酰亚胺纱线在垂直布面方向与碳纤维布进行缝合,最终形成由上增强层、下增强层以及中间超细纤网层构成的多尺度混合过滤材料。
  2.4 试验测试
  采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)观察过滤前后聚酰亚胺纤网的形貌;采用yris-1型DSC分析仪测试分析试样的熔融行为,称取约5mg的试样用铝坩埚包覆,以10℃/ min的速率从40℃升温至500℃;采用TSI8130型自动滤料测试仪对多尺度滤料进行过滤性能测试,氯化钠气溶胶质量中值直径约为0.3μm,过滤速度为20L/min。
  3 结果与讨论
  3.1 聚酰亚胺纳米纤网的形貌表征
  图1为聚酰亚胺纳米纤维的形貌图。在静电纺丝过程中,溶液的质量分数是影响纺丝性能的重要因素之一。本研究通过对不同质量分数的聚酰胺酸溶液进行试纺,当质量分数为17%时,成功纺制出了直径均匀、无液珠且纤维表面光滑的纳米纤网,其对纤网的力学性能及过滤性能起到重要影响作用。经梯度升温发生环化作用后,形成聚酰亚胺超细纤网。   纳米纤维具有相对较大的比表面积,此特性增加了空气中悬浮颗粒在其表面的沉积概率,因此可提高其对微小颗粒的过滤效果。与传统的微米级纤维织物相比较,纳米纤网作为空气过滤材料,在同样的压降下,纳米纤网对颗粒的直接拦截效应和惯性冲击效应更加显著,有利于提高滤料的过滤效率[11]。
  图1 聚酰亚胺超细纤网
  3.2 聚酰亚胺超细纤网的耐热性能
  聚酰亚胺超细纤网作为多尺度纤维复合过滤材料的过滤层部分,其热稳定性通过差示扫描量热法(DSC)进行表征(如图2所示)。纤网从40℃升温至约500℃。在此过程中,没有任何明显的玻璃化转变峰、结晶峰或熔融峰等吸热或放热峰的出现。此现象表明,在500℃之前,聚酰亚胺超细纤网具有良好的热稳定性。静电纺丝纳米纤维由于其独特的性质,如比表面积大、渗透性能好、孔隙间连通性强以及对细小颗粒过滤效率好等特性,使其在过滤领域的应用日益广泛[12]。但目前的静电纺丝材料大多应用于常温过滤领域,适应于长期高温过滤领域的纳米纤维材料相对较少且研究尚未成熟。聚酰亚胺纳米纤网具有较高的耐热性能和良好的耐化学腐蚀性能,同时其机械性能在静电纺丝材料中相对较高,因此,将其作为一种高温气体过滤材料使用,具有较高的研究价值及较好的应用前景。
  图2 聚酰亚胺超细纤网的DSC曲线
  3.3 多尺度纤维复合滤料的过滤性能
  图3 多尺度滤料的过滤性能
  图3显示了多尺度纤维复合过滤材料进行过滤效率测试结果。此结果表明,滤布对0.3μm左右的粉尘颗粒具有良好的过滤效率,且在过滤过程中绝大部分粉尘颗粒被聚酰亚胺纤网截留。如图4所示,聚酰亚胺超细纤网几乎被粉尘颗粒覆盖。在恒定的过滤速度下,随着被拦截的粉尘颗粒的堆积,逐渐形成的滤饼层可以提高其对粉尘的过滤效率[13]。当过滤时间为15分钟时,过滤效率达到90.00%。随着时间的推移,纤网上的滤饼层厚度逐渐增大,当过滤时间为26分钟时,过滤效率高达98.13%。测试结果说明,将两种不同尺度的耐高温材料组合在一起使用,对高效高温过滤体系的研究具有指导意义。
  图4 粉尘颗粒被聚酰亚胺超细纤网拦截
  4 结论
  本文通过缝合技术制备了一种多尺度混合高温气体过滤材料。该方法操作简单,试验绿色环保,便于推广应用。作为混合滤料的过滤层,聚酰亚胺超细纤网其热稳定性好,耐化学腐蚀且过滤效果突出。作为力学增强材料,碳纤维机织物力学性能好,导电性能优越且耐高温。把微米级的碳纤维机织物力学增强层与纳米级的超细纤维过滤层结合使用,形成了多尺度混合高温气体过滤材料。由于纳米技术其独特的性能,纳米材料领域与常温空气过滤材料领域的结合已经在研究中得到了一定的认可。然而如果能够通过纳米技术制备出力学性能、热学性能以及耐化学腐蚀性能都突出的柔性纤网,并将其运用于对高温微小气体颗粒的过滤中,这将会是又一个热点。面对日益严重的环境污染,高温工业废气除尘技术需要迅速发展。因此,我们必须充分借鉴并利用高新技术,不断创新发展,开发出经济、实用、高效的新型高温工业废气除尘滤料。
  参考文献:
  [1]TRONVILLE P. Developing standards: Global standards for air cleaning equipment[J]. Filtration & Separation, 2008, 45(9): 28-31.
  [2]KUMAR P, MORAWSKA L, BIRMILI W, et al. Ultrafine particles in cities[J]. Environment international,2014,66(5):1-10.
  [3]DIAPOULI E, CHALOULAKOU A, SPYRELLIS N. Levels of ultrafine particles in different microenvironments-implications to children exposure [J].The Science of the total environment, 2007,388(1-3): 128-136.
  [4]宋景郊. 高温除尘技术发展和耐高温滤材的市场前景[J].化工装备技术,2002,23(5): 19-21.
  [5]韩雅岚,崔运花.高温烟气过滤材料的发展[J].纺织科技进展,2012,(2):22-23.
  [6]刘美玲,姚宇平,王勇.袋式除尘器滤料过滤性能研究[J].电力科技与环保,2012,28(2):23-25.
  [7]朱孟钦.国内外高温与超高温气体过滤材料新进展[J].玻璃纤维,2009,(4):21-24.
  [8]王冬梅,邓洪,吴纯,等.高温过滤材料的应用及发展趋势[J].中国环保产业,2009,(6):24-29.
  [9]刘洁宇.聚酰亚胺超细纤维薄膜的制备与表征[D].吉林:吉林大学,2007.
  [10]罗永文,陈向标.高性能纤维的性能与应用[J].当代化工,2014,43(4):528-531.
  [11]KAUR S, SUNDARRAJAN S, RANA D, et al. Influence of electrospun fiber size on the separation efficiency of thin film nanofiltration composite membrane[J].Journal of Membrane Science,2012,101(11):392-393.
  [12]ZHANG Q, WELCH J, PARK H, et al.Improvement in nanofiber filtration by multiple thin layers of nanofiber mats[J].Journal of Aerosol Science,2010,41(2):230-6.
  [13]CHEN Y-S, HSIAU S-S. Cake formation and growth in cake filtration [J].Powder Technology,2009,192(2):217-24.
  (作者单位:杨欣卉、肖敏,广州纤维产品检测研究院;王倩楠、丁胜男,东华大学纺织学院)
本论文由免费论文网原创,转载请注明原文链接:http://www.osmsg.com/essay/42695.html
osmsg.com © 2016 毕业论文网