高温下纤维过滤烟尘技术

在国家环保政策的推动下，工业烟尘高温过滤材料行业继续保持快速增长，尤其是耐热、耐腐高端过滤材料市场发展迅猛，自2005年以来，我国相继自主研发成功间位芳纶、芳砜纶、聚苯硫醚纤维、聚四氟乙烯纤维、聚酰亚胺纤维等高性能纤维，极大地提高了我国环保治理能力，使我国的空气质量得到了根本好转。目前，国产苯硫醚纤维、聚四氟乙烯纤维、聚酰亚胺纤维及芳纶的质量已经接近国外先进水平，具有很强的市场竞争力。

下面分别介绍高温烟尘过滤常用聚四氟乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、芳香族聚酰胺纤维、芳砜纶、聚苯硫醚纤维和亚克力纤维等。

1.2.2.1　聚四氟乙烯（PTFE）纤维

PTFE的介电常数和介电损耗低，是电线电缆的理想绝缘包覆材料。PTFE纤维化学稳定性好，耐高温（熔点327℃）、耐酸碱化学腐蚀、耐候（耐紫外线）、抗老化以及阻燃性等优良性能，在环保、航空航天、军工国防、机械、电子、化工、医疗、纺织、建筑等各个领域得到了广泛应用，是高温烟尘过滤领域的理想纤维。

没有合适的溶剂能够溶解PTFE树脂，所以PTFE纤维不是采用溶液纺丝法生产的。又因为PTFE熔体的黏度很高（350℃时黏度为1010～1012Pa·s），将其加热至415℃时仍不能转变为黏流态，所以也不能采用熔体纺丝的方法将其加工成纤维。现今制备PTFE纤维的方法主要有膜裂纺丝法、糊料挤出纺丝法和乳液纺丝法三种，其中膜裂法是非织造材料用PTFE纤维的主要生产方法。三种纺丝方法的优缺点和主要生产厂商信息如表1-1所示。从表1-1可以看出，膜裂法、乳液纺丝法和糊状挤出法各有优缺点，所制备的PTFE纤维形态和性能也有所不同。

20世纪90年代，Lenzing公司采用拉伸PTFE薄膜的膜裂法制备了平均线密度为2.6dtex的PTFE短纤维，用于耐高温针刺非织造材料的加工。该公司同时生产了线密度为440dtex的膜裂法PTFE长丝，用于针刺非织造材料的增强机织基布。而线密度为1350dtex的三合股PTFE长丝缝纫线则用于耐高温针刺过滤袋的缝制。膜裂法PTFE纤维的表面和截面结构如图1-1所示。

表1-1　PTFE纤维制备方法对比及国内外生产商信息

图1-1　膜裂法PTFE纤维的横截面和表面电镜图

由图1-1可见，膜裂法PTFE纤维为扁平状且表面不光滑，用作过滤材料时可以增加纤维的比表面积，提高了纤维对于粉尘的拦截效果。但由其制成的针刺非织造过滤材料密度较高，纤维间难以相互缠结，强力较低。可以经受持续250℃、瞬时280℃的高温过滤工况，适合在各种炉窑特别是电力燃煤锅炉、垃圾焚烧炉上使用，寿命一般在4年以上，但产品价格较贵。其缺点是纤维在梳理过程中容易产生静电，纤网均匀性差。另外，由于PTFE聚合物分子间的作用力较弱，纯PTFE纤维在外力作用下会发生明显的蠕变或冷流现象，影响滤袋在长期使用中的尺寸稳定性，一般需要有基布增强。

表1-2为膜裂法PTFE纤维的物理机械性能。由于膜裂法PTFE纤维制备过程环保、加工效率高，可以生产不同细度的长丝和短纤维，制品力学性能可控度较高，目前产量最大。

表1-2　PTFE纤维特性一览表

糊料挤出纺丝法一般是将PTFE粉末经筛选后与易挥发的润滑助剂（如煤油、石油醚等）均匀混合，调制成糊状物，将其加压得到预制胚，然后在15～20MPa 的压力下使胚料从一个模孔狭长的喷头中挤出，即得到单丝，经高温烧结使润滑助剂挥发，再进行拉伸，就可得到PTFE长丝。或者将糊状物由模头挤出，制成薄膜或细条，通过压轧工序去除润滑助剂得到PTFE薄膜，再经纵向切割、拉伸得到 PTFE纤维。糊料挤出法主要用于制备PTFE长丝，此方法所得 PTFE纤维强度较高，通常用于高强的机织布的经纬纱、缝纫线和单丝等。糊状挤出法 PTFE纤维力学强力较高，但加工效率偏低，一般用于制备特殊用途和性能要求的PTFE单丝，产量较低。

乳液纺丝法包括干法纺丝、湿法纺丝和静电纺丝，常以纤维素、聚乙烯醇或聚丙烯腈为载体。一般将PTFE粉末和载体混合均匀后进行溶液纺丝，所制得的初生纤维经380～400℃的高温烧结，去除载体，即得到PTFE超细纤维，纤维强度较高。目前该方法较为成熟，缺点是载体用量较大、损耗多，且纺丝原液不太稳定。乳液纺丝PTFE长丝目前主要由日本东丽公司生产，可用于增强基布、缝纫线和填料密封，长丝强度和膜裂法长丝相比稍低一些。

PTFE纤维具有极强的耐高温特性和优良的耐化学稳定性，在高温和腐蚀性过滤工况下的使用寿命长，特别适合垃圾焚烧等高温腐蚀性烟尘的过滤，图1-2是PTFE纤维针刺非织造过滤材料的电镜照片。但在制备纯PTFE针刺非织造过滤材料时，需要从工艺技术和装备上解决PTFE纤维在开松和梳理过程中的摩擦静电问题。另外，还可将PTFE纤维与芳纶、聚苯硫醚、玻璃纤维等混合后制成针刺非织造过滤材料，部分解决纯PTFE纤维成网均匀性差的问题，还可以协同发挥各种纤维的优点。

图1-2　PTFE纤维针刺非织造材料

1.2.2.2　聚酰亚胺纤维（P84纤维和轶纶）

聚酰亚胺是指主链上含有酰亚胺（—CO—N—CO—）重复结构单元的一类聚合物，通常是通过缩合聚合而成。聚酰亚胺纤维呈金黄色，纤维具有突出的耐高温性、难燃性、电绝缘性和耐辐照性，长期使用温度为230℃，瞬时温度260℃，纤维受热时不会产生熔滴。不同公司生产的聚酰亚胺采用的单体不尽相同，其聚酰亚胺聚合物的结构也不同。奥地利赢创（Evonik）公司生产的聚酰亚胺纤维俗称P84纤维，纤维的大分子结构式如图1-3所示，纤维截面结构如图1-4所示。

图1-3　赢创公司生产的聚酰亚胺纤维的分子结构式

图1-4　赢创公司生产的聚酰亚胺纤维的截面结构

P84纤维截面为不规则的三叶瓣形，与常见的圆形截面纤维相比，P84纤维具有更大的比表面积，可以有效地捕集颗粒，过滤效率高（比其他纤维高15%～20%）。同时，过滤时粉尘不容易渗透，滤袋表面粉尘的剥离性能好，适合用于水泥厂、热式焚化炉、钢铁高炉等烟尘浓度高的过滤工况。P84纤维的物理化学性能如表1-3所示。

表1-3　P84纤维的物理化学性能

P84纤维的价格昂贵，因而通常将其与玻璃纤维或其他耐高温纤维混合后制成针刺非织造过滤材料。有报道称，当玻璃纤维的含量在10%左右时，不仅产品原有性能没有发生太大改变，其耐磨性反而有所提高。

图1-5　轶纶的分子结构式

国产聚酰亚胺纤维生产企业中，较为知名的是长春高琦聚酰亚胺材料有限公司，其产品的商品名称为轶纶，分子结构式如图1-5所示。

另外，轶纶具有圆形横截面，纤维线密度可达1dtex，热收缩率小。有文献将该纤维与P84纤维做了对比分析，发现该纤维的静态、动态力学性能皆优于P84纤维，且长期使用温度要高于P84纤维。另外，该纤维的价格低于P84纤维，近几年在国内高温过滤材料领域得到了较好的应用。

聚酰亚胺纤维的耐酸、抗水解性能稍差，适合在低含硫量的炉窑烟气处理工况使用。但其抗氧化性能比聚苯硫醚纤维好。聚酰亚胺纤维常与PTFE纤维、玻璃纤维等混合制成针刺非织造高温过滤材料。其中，商品名为氟美斯（FMS）的高温过滤材料，就是将玻璃纤维与聚酰亚胺纤维混合而成，该过滤材料中纤维间高效缠结，适用于过滤风速较高的特殊工况。PTFE纤维混合20%聚酰亚胺纤维的针刺非织造材料，适用于石油焦玻璃生产时的烟气过滤。

1.2.2.3　芳香族聚酰胺纤维（芳纶）

芳香族聚酰胺纤维是以芳香族单体为原料，经缩聚后形成大分子主链中含有芳香酰胺重复结构单元的聚合物，再经纺丝制得的合成纤维。根据酰胺键在苯环上的相对位置，可以进一步将芳纶分为聚间苯二甲酰间苯二胺纤维（简称间位芳纶或芳纶1313）和聚对苯二甲酰对苯二胺纤维（简称对位芳纶或芳纶1414）。间位芳纶的大分子结构如图1-6所示。

图1-6　间位芳纶的大分子结构式

美国杜邦公司于1965年开始工业化生产间位芳纶，商业名称为Nomex。由于间位芳纶分子内部的旋转位能相对不高且共价键没有共轭效应，其大分子链呈现出较好的柔性。对位芳纶也由美国杜邦公司研制成功，并于1993年实现工业化生产，商品名为Kevlar。对位芳纶为刚性链结构，且酰胺键呈反式构型，具有高度的对称性和规整性，目前多用于军工领域。相比于kevelar纤维，Nomex纤维成本低，近几年在高温烟尘过滤领域得到了较好应用。

Nomex纤维的常见力学性能如表1-4所示。Nomex纤维耐热性和绝缘性好，化学性能稳定，对于弱酸、弱碱及大部分有机溶剂有很好的抵抗性。Nomex纤维的热分解温度高达371℃，可在205℃以下长期使用，瞬间温度不超过260℃，是过滤180～220℃高温腐蚀性气体的良好材料。国外除在各种工业窑炉烟气净化中普遍应用外，在燃煤锅炉烟气净化方面也取得满意效果。由Nomex纤维制成的过滤材料的耐温性能优于聚苯硫醚纤维过滤材料。同时，其力学性能和耐碱性优于芳砜纶。

表1-4　Nomex纤维的力学性能(www.xing528.com)

芳纶滤料适合在高温、无酸、含水较少的烟气工况下使用，广泛应用于水泥窑头、窑尾的烟气过滤。Nomex纤维的缺点是会发生水解反应，当烟气中含有SO2且经常出现露点温度时，或者在烟气的含湿量大于10%时，由Nomex纤维制成的针刺非织造过滤材料的使用寿命会大大缩短。

在国产化芳纶生产企业当中最知名的是烟台泰和新材料股份有限公司，其生产的间位芳纶已经在市场广泛应用，该公司在宁夏投资6亿元人民币的对位芳纶项目，计划年产能3000t，年初已经纺丝试车成功，推动了芳纶全球供应格局的改变。

1.2.2.4　苯硫醚（PPS）纤维

聚苯硫醚（PPS）是由对二氯苯和硫化钠缩聚而成的聚合物，其聚合物分子结构式如图1-7所示。PPS具有阻燃、耐辐射、耐化学腐蚀、绝缘性好、机械好等优点。PPS纤维可以在200～220℃温度下长期使用，其热变形温度为260℃，熔点为285℃，在温度高达400℃环境下才会发生分解。PPS纤维的力学性能如表1-5所示。

图1-7　PPS分子结构式

表1-5　PPS纤维的力学性能

研究发现，将PPS纤维分别放入93℃的盐酸和硫酸中浸泡24h，发现其拉伸强力保持率皆为100%。我国PPS纤维曾一度依赖进口，近几年来在各大科研院所和企业的共同努力下，国产 PPS 纤维在性能上有了长足的进步，目前已能满足国内市场的大部分需求，价格也有大幅度的下降，已成为耐高温除尘滤料产业最普遍采用的合成纤维之一，其滤料产品广泛用于燃煤锅炉、城市垃圾焚烧炉、公用工程锅炉等含湿高温烟气工况。

但是，PPS聚合物大分子主链上的苯环与硫原子形成了共轭结构，使得硫原子处于不饱和状态，高温下容易与氧气反应，使苯环和相邻大分子发生氧桥支化及交联。进一步的氧化作用则会使主链断裂降解并释放出SO2，其降解机理如图1-8所示。

PPS纤维的氧化降解最终会导致滤袋性能下降，宏观表现为滤料变脆发硬，出现破损，使用寿命缩短。尤其是在NO2、NO和臭氧的环境下，PPS滤料老化速度加快，使用寿命迅速下降。因此，一般建议其PPS过滤袋的长期使用工况为：O2浓度小于8%、NO2浓度小于16mg/Nm3。

图1-8　PPS氧化降解机理图

为了克服PPS纤维耐氧化的不足，近几年市面上出现了一种改性抗氧化PPS纤维。它对PPS大分子结构中活性较强的硫原子进行饱和化处理，使其成为芳砜基团或亚砜基团，并保留部分硫原子，以保证PPS大分子链的柔韧性，然后再进行大分子长链之间的硫—硼—硫部分交联处理，即为改性聚苯硫醚纤维。其耐氧化性、耐热性和耐化学特性同时得到提升，由其制成的过滤袋可有效抑制过滤工况条件下的氧化失效，从而大大提高了滤袋的使用寿命。还有人将二氧化钛与PPS共混后熔融纺丝，纤维的抗氧化性能提高约30%，耐热温度达到280℃左右。除此之外，对PPS滤料进行PTFE乳液浸渍后整理，使PPS纤维表面部分或者全部被PTFE包覆，也有防止滤料氧化降解的功能。

1.2.2.5　芳砜纶（芳砜酰胺PSA）

芳砜纶是我国自行研制成功、拥有全部核心专利、具有自主知识产权的有机耐高温纤维，其学名为聚苯砜对苯二甲酰胺纤维，简称PSA纤维。它是一种对位占75%、间位占25%的芳香族聚酰胺纤维，并在主链上加入砜基（—SO2—），具有更好的耐高温性能，其分子结构式如图1-9所示。

图1-9　芳砜纶的分子结构式

芳砜纶的力学性能与间位芳纶相近，但耐热稳定性、阻燃性能等更为优异。它没有明显的熔点和燃点，热分解温度为427℃，长期使用温度为250℃。其极限氧指数为32%，在个体安全防护、高温烟气过滤和民用居家安全等方面表现突出。但是，芳砜纶对湿度比较敏感，容易发生水解反应，使用用于水泥窑头等干燥工况过滤。芳砜纶的力学性能如表1-6所示。

表1-6　芳砜纶的力学性能

1.2.2.6　玻璃纤维（玻纤）

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属纤维，它是以天然矿石为原料，按设计的配方进行配比后，进行高温熔制和拉丝而成。玻纤是一种优良的保温绝热材料，具有导热系数低、使用寿命长、耐高温等特点，广泛应用于建筑及工业保温、隔热、深冷等领域。玻纤还具有良好的吸声、隔声等性能，在建筑、交通运输、机械等方面应用广泛。无碱玻纤的介电系数为5.0～6.0，介电性能优异，其吸湿量小，弹性模量高，伸长率低，抗腐蚀性和电绝缘性好，广泛用于增强材料和电绝缘材料等。

玻纤的生产方法有离心喷吹法和火焰喷吹法两种，离心喷吹法生产出来的玻纤直径一般为1.5～8μm，而火焰法生产的玻纤直径可以更细，平均直径可在1μm以下。再加上玻纤具有耐腐蚀性好、强度大等优点，因此是一种传统的过滤材料用纤维原料，在电子工业、医疗卫生、航空航天、军工装备等过滤领域发挥着举足轻重的作用。

玻纤的密度较有机纤维大，但比一般的金属纤维密度小。普通玻纤的密度一般为2.5～2.7g/cm3，但是一些含有大量重金属化学成分的玻纤密度可高达2.9g/cm3。因此在同样的厚度下，玻纤非织造材料的重量相对较大。玻纤还存在性脆，耐折性、耐磨性和拉伸性能较差等不足，在加工过程中还容易产生大量玻纤扬尘，影响了生产一线操作人员的身体健康，同时也制约了玻纤高温滤料的高速、绿色工业化生产进程。

为了降低玻纤熔制纺丝温度，通常添加氧化钠、氧化钾等碱金属氧化物，因此可以根据金属氧化物的含量，将玻纤分为如下几种：B玻纤（含硼硅酸盐）、CA玻纤（含钠钙硼硅酸盐）、E玻纤（无碱玻纤）、C玻纤（中碱玻纤）等，它们的主要化学成分见表1-7。一般来说，玻纤中碱金属氧化物的含量越高，其化学稳定性、电绝缘性和强度都会越差。通常而言，玻纤碱含量越高，其拉伸强度则越低。

表1-7　不同玻纤的主要化学成分

其中，B玻纤和CA玻纤属于高碱玻纤，其金属氧化物含量不低于15%，一般采用碎的平板玻璃、碎瓶子玻璃等作为原料拉制而成，现在国家已经禁止生产此类产品。C玻纤属于中碱玻纤，其金属氧化物的含量为11.9%～16.4%，是一种钠钙硅酸盐成分，因其含碱量高，不能作为电绝缘材料，但其化学稳定性和强度尚好。而E玻纤属于无碱玻纤，其金属氧化物的含量小于0.8%，是一种铝硼硅酸盐玻纤，其化学稳定性、电绝缘性、强度都很好，耐酸碱腐蚀性好，可以适应多种过滤工况的需求。

玻纤的耐高温、不燃性是其他天然纤维和一般化学纤维所无法比拟的，可以在260℃（中碱）/280℃（无碱）的温度条件下长期工作，瞬间温度可达350℃。其耐腐蚀性能优良，能耐大部分酸（氢氟酸除外）的腐蚀。玻璃纤维表面光滑憎水，过滤阻力小，有利于粉尘剥离。经过不同表面处理剂处理的玻纤过滤材料，具有柔软、顺滑、疏水、抗结露和收缩率低等优点。

玻纤弹性模量大、伸长率小、纤维表面非常光滑，相对于其他有机纤维，在针刺非织造加固过程中的缠结效果差，且容易引起纤维断裂，因此一般需要与玻纤机织布增强复合。而通过湿法成网的纯玻纤薄型非织造材料，一般需要通过添加黏结剂的化学黏合方法加固纤网，或者在玻纤中混入其他化纤的热黏合加固方法。

但玻纤针刺非织造材料还存在耐磨性差等不足，通常将其制成针刺非织造材料后再与PTFE微孔膜复合，形成具有易清灰、耐磨、耐折、高强等特性的高温烟气过滤材料，烟气过滤后的排放浓度可以低至5～10mg/kg，可以用于水泥窑头、窑尾和垃圾焚烧烟气过滤等工况。

1.2.2.7　均聚丙烯腈纤维（亚克力纤维）

亚克力纤维是聚丙烯腈类纤维中的一种，它是采用一种丙烯腈单体为聚合原料，经均聚反应得到聚合物，再经纺丝得到的截面呈圆形或八字形的有机纤维。腈纶是聚丙烯腈纤维在我国的商品名称，它是由丙烯腈与第二或第三单体共聚纺制而成的纤维。这是因为腈纶工业化初期，采用丙烯腈均聚生产的腈纶，存在纤维质量差和染色困难等问题，后来发展了二元和三元共聚丙烯腈的腈纶聚合工艺技术。加入的丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯等第二单体可以提高腈纶的柔韧性、弹性和手感，而丙烯磺酸盐、甲基丙烯磺酸盐等第三单体则可以改善纤维的染色性。

因此，相对于常规的腈纶，亚克力纤维具有更高的耐热性能，同时具有耐化学腐蚀和耐水解等优异性能，因此，由亚克力纤维制成的过滤袋被广泛用于陶瓷工业及含水率高的工况环境。但目前市面上的亚克力纤维基本都是进口的，较为知名的企业有土耳其的Aksa Akrilik Kimya Sanayii A.S.等公司，国产化亚克力纤维尚未见报道。

综上所述，上述几种高温烟尘过滤用纤维的性能对比统计如表1-8所示。

表1-8　高温过滤材料性能对比一览表

PPS纤维的强度、耐热性与Nomex纤维等芳纶相近，耐腐蚀性能优于Nomex纤维，仅次于聚四氟乙烯纤维。以水泥企业为例，水泥窑炉的窑头用芳纶滤料，窑尾则用聚酰亚胺（P84纤维、轶纶、甲纶等）滤料，部分企业也会使用玻璃纤维覆膜滤料和玻璃纤维与耐高温有机纤维混纺滤料来加强过滤效果。

根据所用场所不同，钢铁企业采用的过滤材料也会有所区别：烧结烟气的过滤材料采用PPS或亚克力；高炉煤气中以玻璃纤维混纺滤料为主，包括部分芳纶、聚酰亚胺或复合毡；垃圾焚烧的烟气中含有诸多腐蚀性组分，而且湿度较大，因此常使用覆膜PTFE滤料。