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纤维过滤材料概述

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    人们对纤维过滤认识来自于为身体的保护。用棉纱布做成口罩,使进入人体的空气得以净化。用棉布滤除牛奶中的杂质,使喝入的牛奶清洁一些。这样的过滤是在很低的压力和常温下进行的。随着工业化的进程,气体或液体要在有压力和温度变化的条件下,做为能源的传递介质来工作时,对过滤材料有了种种不同的要求。在满足流体净化的条件下,有最小的能耗和较长的工作寿命。开始用天然草木棉纤维的滤纸或金属纤维网,做成滤芯来适应过滤的需要。        

  纤维过滤材料的发展也只不过是几十年的历史。在多数的教学课本上还没有较详细的教材。液体和气体清洁度等级标准的制定。过滤的基理(惯性拦截、扩散吸附、静电、沉降、篩分)研究论述的产生,纤维滤材评价检测手段的出现。使得纤维过滤材料才逐渐增多和规范化。为了高的过滤效率,要求纤维过滤材料越细越好,因为排列纤维过滤层的比表面大,过滤效率高。高压降和高温的环境又要求纤维过滤层在高温和大流速下工作。过去可以做到细纤维和耐温的是玻璃纤维和金属镍鉻纤维。直到今天这些过滤材料仍然占很大的比例。

  电子工业爆炸式速度的发展,大规模集成电路和高集成化模块的生产,要求有更高的净化空间。给过滤材料提出更高的要求。用熔喷非织布的合成纤维制成的过滤材料不但纤维更细,也不会有玻璃纤维那样的脆断性等缺陷。尤其是带静电的合成纤维滤材由于对粒子的静电吸附,在不增加滤材压力降的条件下能使过滤效率提高许多倍。不同的场合对于过滤效率和在系统中的压力降和温度有不同的要求。聚四氟乙烯(PTFE)具有耐高温、易清洗、高强度、高耐磨和非常好的化学稳定性是用于纤维过滤材料的理想材料。但是昂贵的价格和好的化学稳定性,带来的制成品的粘接工艺性差的问题也是发展的障碍。用静电纺丝(ES)技术制造纤维为纳米(nm)级范围的纤维过滤材料,即纳米纤维(毫微纤维)是当前的热点,因为纳米纤维制成的高效纤维过滤材料有着很大的发展潜力。不同的工作环境有不同的过滤材料来适应,可以说没有任何一种过滤材料,在任何的过滤环境下都是占有优势的。

  空间净化对纤维过滤材料的要求:

a、纤维的排列是有梯度的:纤维过滤材料的性能是由纤维的适应能力、纤维直径、纤维排列结构、纤维形成网的固定或自粘方式所决定的。我们把纤维材料的厚度方向,看成是许多纤维过滤层的串联。从上游(滤入面)到下游(滤出面)应该是有梯度的。也就是说从粗过滤层到细过滤层的排列。纤维过滤材料即有大的容尘量又有高的过滤精度。这种要求对任何过滤材料都是需要的。但是国内的纤维过滤材料排列很多是没有梯度的。这也是目前国产过滤材料制造的过滤器寿命短的原由之一。

b、纤维过滤材料应该有良好的工艺性:流体经过滤材料的流速(流量/面积)越低效率越高。为此要对纤维过滤材料进行弯曲加工(做成折纹形状),以形成在有限的空间内产生最大的过滤面积。目前有许多过滤材料,玻璃纤维滤材虽然有好的过滤性能,弯曲加工时折断造成滤材旁通,不能制成产品。为了防止折断,在玻璃纤维滤材两侧增加了保护层和支承网,这些附加的材料又没有耐高温的性能。使纤维过滤材料的整体性能下降。

c、纤维过滤材料应该有好的相容性:被过滤的流体性质有酸性、碱性和有毒物质等。为此过滤材料在与其接触中不能产生破坏性损伤,有的要求把有毒气体或液体拦截或吸附。有的纤维材料遇到液体或空气潮湿纤维就变粗、变形使滤材被堵塞。

d、高温状态下工作的纤维过滤材料:高温过滤在能源电力、冶金工业、玻璃工业、化肥工业、垃圾焚烧炉等均有应用。不但对流体进行净化,还是一种回收资源的手段。250℃的高温过滤已有玻璃纤维和聚四氟乙烯纤维过滤材料来适应。在玻璃纤维滤材表面上覆合聚四氟乙烯膜的玻璃纤维覆膜滤材具备了二者的优良特性,耐温、耐蚀、表面光滑、憎水和化学稳定性。耐1000℃的就要靠陶瓷纤维了。但是这些滤材的成形和工艺性是有局限性,金属过滤纤维有良好的韧性、导热性,还有焊接和再加工的工艺性。如何在满足高温的条件下工作,又有价格适应的高温过滤材料是值得研究的。

e、驻极体(带电合成纤维滤材):有许多场合是以电晕放电或摩擦生电产生静电,使纤维滤材的静电吸附能力大大提高,过滤效率提高520倍,纤维滤材压降也不会增加。

f、抗静电复合纤维过滤材料:在水泥、焦粉类的过滤中,滤材表面产生高达1012(吉欧)GΩ的积聚静电。使得滤材表面吸附了大量的粉尘,不易脱落而增大系统的压力降。在纤维过滤材料中加入一定比例的可导电的不锈钢纤维,成为抗静电复合纤维过滤材料。

g、具有液液分离能力的纤维过滤材料:在液压系统油中水是有害物质。如50万伏高压输变电回路中的变压器油不但要求净化,还要求极低的含水量。能在一定的压降下具有憎水疏油的作用。聚丙烯过滤材料在200mm水柱压力下有阻止水通过的能力,玻璃纤维过滤材料经过化学处理可以在500mm水柱压力下有阻止水通过。聚四氟乙烯用工艺手段涂在纤维过滤材料(化学或金属纤维)上用于油水分离的过滤中能除去油中水。但是要达到含油量为2PPM以下就是比较困难的了。反之有些优质的天然矿泉水中有微量的油要除掉,又要求把油吸附住让水通过。

h、污染物易于从纤维材料表面除去的过滤纤维材料:有许多过滤环境中,需要不断的反吹除去过滤材料表面上的污染物,来延长过滤器的寿命。在滤材表面复合上聚四氟乙烯(膜或纤维)使过滤器的上游表面产生一层比表面积很大又易于与污染物分离的过滤层。这种覆膜过滤材料可以提高寿命68倍。


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