作为控制工业烟尘排放的有效途径，袋式除尘过滤材料发挥了关键作用。纤维品种从原来的常温涤纶，已经发展到聚酰亚胺纤维、芳纶、PPS纤维、PTFE纤维等高性能有机纤维和超细玻璃纤维、玄武岩纤维、不锈钢金属纤维等无机纤维。制造工艺不断创新，先进的机器设备使纤维铺网更加均匀，针刺机的生产速度得以提高，过滤材料的制造质量不断提升。后处理工艺技术已由过去的分单元进行烧毛、热定型、轧光、浸渍涂层、干燥等处理变成连续的一条龙后处理生产线，不仅提高了生产效率，更提高了后处理品质和稳定性。
根据过滤材料的连续使用温度（干态），可以将其分为三大类：低于130℃为常温过滤材料；130～200℃为中温过滤材料；高于200℃则为高温过滤材料。过滤工况环境温度高、气体腐蚀性强等特殊作业环境对高温烟气除尘用过滤材料提出了很高的要求，过滤材料必须满足较高的过滤效率、优异的耐高温性能、较长的使用寿命以及合理的价格等条件。
随着国家一系列环保政策的出台，对工业排放烟尘中的细颗粒物含量要求从30mg/Nm3降到15mg/Nm3、10mg/Nm3，甚至5mg/Nm3，使超净排放成为工业烟尘治理的发展目标，仅依靠常规的非织造梳理铺网针刺工艺技术已经无法满足要求。在市场需求推动下，超细面层过滤材料和覆膜过滤材料是当前工业烟尘超低排放的优选技术方案，而烧毛轧光后整理可以进一步提高过滤袋的过滤精度和清灰效果。另外，通过打褶方式制备的褶皱滤袋，可以大大提高滤袋的过滤面积，从而实现更好的过滤效率；拒水拒油后整理可以提高过滤袋的清灰效果和使用寿命；而多种纤维混合梳理成网制成的过滤袋，则可以协同发挥多种纤维的优良性能。海岛纤维水刺加固制成的非织造材料，在超低排放领域也显示出非常好的应用潜力。诸如此类，当前高温烟尘过滤材料有许多新型技术方案，下面分别进行介绍。
2.3.4.1 超细面层梯度结构过滤材料
针刺非织造成型工艺技术因纤维原料适应性广、产品成本相对便宜，被广泛应用于工业、农业、国防、医疗等领域。通过改变纤维原料种类及配比、针刺工艺、后整理方式，甚至与其他工艺相结合，可以进一步扩大产品的应用领域。但常规针刺非织造材料的平均孔径起码在20µm以上，无法满足工业烟尘超低排放要求。
超细面层梯度结构过滤材料是通过在过滤材料厚度方向上形成容尘梯度结构和超细纤维面层，发挥表面滤饼过滤作用，从而提高对细颗粒物的过滤效率，其结构示意图如图2-28所示。超细面层梯度结构过滤材料是由多层纤网与基布叠合后经针刺或者水刺非织造加固工艺而成，纤维细度和纤维层密度沿过滤材料的厚度方向呈梯度变化，通常面层采用超细致密纤网。与覆膜过滤材料相比，其产品面层与底层结合紧密牢固，纤网结构更加稳定，表层耐磨、耐磕碰、耐冲击，在整个运行周期内具有更稳定优良的综合运行性能。研究表明，纤维越细，由其形成的表面过滤层越致密，过滤精度越高。但超细纤维的纤网梳理难度随着纤维变细而加大，5µm以下纤维难以梳理成网。
图2-28 超细面层梯度结构过滤材料结构示意图
另外，对于过滤材料而言，其耐磨性也是非常重要的性质，对过滤袋的使用寿命影响很大。在过滤含尘气体时，当过滤材料表面的粉尘积累到一定数量触发清灰操作时，过滤袋发生剧烈抖动，引起其与内部龙骨和粉尘之间的摩擦。因此，过滤袋的底层采用粗纤维则具有支撑作用，可以充分保证滤袋的耐磨性和使用寿命。另外，滤袋芯层的增强基布则可以增加过滤袋的强力和尺寸稳定性，满足使用寿命要求。常用增强基布分为经编基布和机织基布两类，如图2-29所示。相对而言，由于经编基布的特殊线圈结构赋予其良好的尺寸稳定性，在针刺过程中不容易发生纬斜，所制备针刺非织造材料的经纬向强力更容易控制。
与常规过滤材料相比，超细面层梯度结构过滤材料的表层纤网平整光滑、孔径微细均匀，具有过滤精度高、清灰性能好等优点，是实现超低排放的首选滤料。超细纤维细度要小于1dtex，纤维比表面积大，形成的纤网匀称致密、孔径微细弯曲。再经过烧毛、轧光或者浸渍、定型等后处理，形成平整、光滑、无毛羽的平整光滑表面，类似于在针刺非织造材料表面复合了一层微孔膜，实现表面过滤。因为是表面过滤，超细面层过滤材料的压力降比普通滤料小得多。图2-30是一种超细面层过滤材料与普通过滤材料的压力损失对比图。图2-31是一种超细面层梯度结构过滤材料的电镜照片。
目前已经发展了多种超细面层梯度结构过滤材料制备工艺技术，从最初的基于细旦纤维铺网到超细海岛纤维、纳米纤维、湿法成网、熔喷成网等，可以采用针刺和水刺非织造多种加工固结方式，制成的过滤材料的过滤效率和阻力接近于覆膜过滤材料，可靠性和寿命优于覆膜过滤材料。
图2-29 经编和机织基布
图2-30 普通过滤材料和超细面层过滤材料的压力损失对比图（过滤风速1.0m/min，喷吹压力5kg/cm2，温度100℃，滑石粉尘浓度50g/m3）
图2-31 超细面层梯度结构过滤材料的电镜照片
2.3.4.2 覆膜过滤材料
1973年，美国Gore公司将PTFE微孔膜用于过滤领域，为微孔膜的应用打开了一个新市场。PTFE微孔膜的平均孔径为0.1～2.0µm，覆膜过滤材料是通过热压或其他方法，将一层PTFE微孔薄膜黏覆在纤维过滤材料表面制成的超低排放过滤材料，赋予过滤材料表面过滤功能，可以过滤极细小的粉尘，且粉尘不易穿透、渗入纤维过滤层，具有更好的清灰效果。覆膜之后，过滤材料的过滤效率相对于传统针刺过滤材料大大提高，可以拦截颗粒直径小于2.5μm的粉尘。覆膜滤料表面相当于粉尘初层，受后续生成滤饼的影响较小，在周期性使用过程中，过滤效率和阻力变化不大。PTFE微孔膜的光滑表面使得滤料表面抗黏附，喷吹压力低，具有清灰尘效果好、滤料残余阻力低等优点。只要覆膜未被破坏，则排放低、压差可控。目前使用的主要是PTFE双向拉伸膜。常用PTFE微孔的结构如图2-32所示。图2-33所示是覆膜生产现场。
图2-32 PTFE微孔膜
图2-33 覆膜生产现场
目前，高温环保过滤材料产品中，约70%为PTFE覆膜滤料。PTFE膜有薄膜和厚膜两种，厚度分别为2～3μm和8～10μm。目前，覆膜工艺主要有胶黏法和高温热压法。胶黏法是在基布表面涂上一层黏合剂，使薄膜与基布复合。由于黏结剂在高温下易融化，会堵塞薄膜上的微孔，导致滤料透气率下降。而高温热压法则是采用将微孔膜与基布在高温下直接热压复合的方式，其效果优于胶黏法。目前，多采用高温热压法将PTFE膜复合到针刺非织造材料上。
玻璃纤维具有耐高温、拉伸强力大、伸长率小，滤袋尺寸稳定性好等优点，是最早用于高温工业烟尘过滤的纤维材料。为了进一步提高其过滤精度，将PTFE微孔膜黏覆到玻璃纤维机织材料表面，制成玻璃纤维机织布覆膜过滤材料，广泛用于水泥厂，实现了5mg/Nm3的超低排放。该过滤材料具有运行稳定、机械强度高、持久的透气量、价格低廉等优点。其产品如图2-34所示。
但PTFE微孔膜很薄，覆膜过程中牵伸应力、轧辊压力等工艺参数的波动，以及纤维滤料表面的杂质突起等，都会对微孔膜结构造成一定程度的破坏。一旦过滤袋表面的PTFE微孔膜被破坏，烟气中的微细颗粒物就会从破损处逃逸，影响除尘效果。图2-35是覆膜后受损的PTFE微孔膜结构。因此，覆膜过滤材料的性能及质量受制于制膜与覆膜工艺水平，与非PTFE纤维针刺非织造材料的复合难度较高。此外，微孔膜表面容易磕碰磨损，当粉尘浓度较大时，覆膜过滤材料的过滤风速较低，压力较大。同时，当粉尘颗粒硬度较大时，由于PTFE微孔膜的耐磨性较差，膜表面容易发生破裂从而降低过滤效率。膜表面一旦破坏，过滤效率会明显下降，具体情况则取决于其复合的针刺非织造材料。
图2-34 玻璃纤维机织材料覆膜超低排放过滤材料
图2-35 覆膜后受损的PTFE微孔膜电镜照片
在排放标准愈加严苛的形势下，覆膜过滤材料受到广泛关注，成为超低排放的护身符。但微孔膜质量、复合工艺及水平、滤袋制作、安装等都会对覆膜过滤材料的过滤效果产生影响，覆膜过滤材料的品质稳定性差。国产覆膜滤料在初期使用时效果很好，使用一段时间后易破损、磨蚀，寿命短，需要在其耐磨性、覆膜牢度上继续加强改进。在覆膜后整理工艺中，需要提升国产热复合专用设备的精度，减少对进口设备的依赖，自主研发高精度PTFE覆膜玻纤滤料。目前，我国高温过滤非织造材料后整理技术仍处于起步时期，PTFE覆膜整理的技术规范化、规模化以及相应膜材料质量把控等级应进一步提高，提升高温过滤非织造材料在工况中的过滤精度和均匀度。
覆膜过滤材料、超细面层梯度结构过滤材料与普通针刺非织造过滤材料的性能对比如表2-5所示。(www.xing528.com)
表2-5 三种过滤材料的结构性能对比
2.3.4.3 不同纤维混合针刺非织造材料
将不同种类的纤维混合是一种简单而有效地提高纤维材料综合性能的手段，可以取长补短，协同发挥各种纤维的优点。目前，大量商业化的滤袋都采用两种或两种以上纤维混合的形式，如将PPS纤维与性能更好的聚酰亚胺纤维或PTFE纤维混合，从而达到成本与性能的综合平衡。
另外，与单种纤维构成的过滤材料相比，两种细度不同的纤维混合后制成的非织造过滤材料，其孔径分布更窄，更有利于过滤效率的提高。研究发现，将粗纤维与细纤维共混后热风加固制成的过滤材料，在保证过滤精度的同时，可以赋予过滤材料更高的孔隙率，有助于提高过滤通量。同时赋予过滤材料更好的尺寸稳定性，经过多次反冲后仍可保持其优良的高孔隙度。还有研究发现，由粗细纤维混合制成的非织造材料，当细纤维含量占38%～50%时，比由纯细纤维制成的非织造材料具有更高的过滤效率和更小的过滤阻力。进一步研究发现，由粗细纤维混合制成的过滤材料，若要有效地过滤细颗粒物，纤维直径不能大于或等于颗粒平均直径的三倍。
商业名称为氟美斯的耐高温针刺过滤材料是博格公司1997年研制、1998年批量投放市场的一种耐高温过滤材料。它是由两种或两种以上的耐高温纤维以不同比例与玻璃纤维混合梳理成网，再与玻璃纤维基布复合后针刺加固，经含氟乳液后整理而成。氟美斯系列产品具有耐高温、高强度、抗酸碱腐蚀、耐磨、抗折等特点，还具有易清灰，拒水防油、防静电等特点，可以在很宽的温度范围内使用。当过滤材料的表面层为P84纤维时，由于其三叶型截面具有很高的比表面积，增大了捕尘概率。同时，该纤维特殊的截面形态，使粉尘大多数被集中到过滤材料的表面，较难渗透到过滤材料的内部，不会堵塞内部孔隙，能起到降低运行阻力的作用，可以在更高的过滤风速下使用。图2-36是P84纤维与玻璃纤维（30∶70）共混针刺非织造材料的电镜照片。
图2-36 P84纤维与玻璃纤维（30∶70）共混针刺非织造材料电镜照片
2.3.4.4 水刺加固非织造过滤材料
除了针刺非织造加固工艺外，水刺加固工艺因其依靠高压水射流而使纤网具有一定强力而得名。水刺非织造成形工艺主要用于薄型非织造材料的制备，产品主要用于医用卫生领域。随着水刺成形工艺技术的发展，越来越多地将其应用在超细面层梯度结构过滤材料的加固上。与针刺工艺相比，水刺加固工艺不会在过滤材料表面出现由刺针形成的贯穿孔洞，是一种具有弯曲通道结构的过滤材料，可以更好地拦截粉尘颗粒物，从而表现出更高的过滤效率。另外，许多研究发现，经水刺工艺加固或整理过的织物其耐磨性也会有显著性提高。
另外，双组分纤维水刺开纤技术及其应用近几年较热门。当水针能量足够大时，水针板中喷出的射流会对“海岛纤维”“橘瓣形纤维”等双组分纤维构成的纤网发生冲击，两种组分界面作为最薄弱的部分最先受到破坏，从而开纤为更细的纤维。有人采用水刺工艺加固橘瓣形纺粘非织造材料，并探讨该材料在空气过滤方面的应用可行性。结果发现，由该种工艺制备的过滤材料符合典型多孔过滤介质的特性，单位面积为200g/m2的过滤材料对PM2.5的过滤效率达到97.68%，认为完全可以应用到空气过滤领域。目前国内已有企业上马了水刺加固生产线，专门用来生产工业烟尘过滤用非织造材料。
另外，水刺非织造加固工艺可加工刚性较大的纤维材料，如不锈钢纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等。但是，由于水刺加工工艺技术所限，当加工单位面积质量较大的纤网时，常常需采用预针刺和水刺加固相结合的加工工艺。
总之，对于高温烟气过滤材料而言，水刺工艺技术与针刺工艺技术的产品风格不同、生产速度不同、生产能耗也有巨大差别。从能耗方面考虑，水刺工艺的电耗能、水耗能较大，相比之下，针刺加固工艺技术更加环保、成本更低。另外，水刺非织造过滤材料的应用还需加强市场推广，过滤材料的结构仍需优化。
2.3.4.5 烧毛和轧光后整理
当用作过滤材料时，纤网经针刺非织造工艺加固后，还需经烧毛、轧光等后整理。具体说来，烧毛和轧光后整理就是将针刺非织造过滤材料以一定的速度通过燃烧的天热气或煤气的火口，过滤材料表面的毛羽被熔融或者软化，然后立即进入一定温度的轧机钳口，熔融或者软化的纤维在轧辊压力和温度作用下，在过滤材料表面形成膜状物，或者帖服在滤料表面，从而改善滤料的表面光滑度和平整性，有助于提高滤料过滤精度和清灰效果，降低过滤阻力，延长滤袋的使用寿命。烧毛、轧光现场照片如图2-37所示（彩图见插页），常规烧毛、轧光后整理针刺非织造材料的表面如图2-38所示。
近年来，研究人员发现经烧毛、轧光整理的非织造材料具有更好的高温过滤效果，如涤纶、玻璃纤维、聚苯硫醚等多种纤维原料的针刺非织造材料通过上下轧辊轧光烧毛整理后，针刺非织造材料的孔径减小，纵横向强力基本不变，但过滤效率得到了较大的提升。在使用过程中，粉尘不易进入滤料深层，大大提高了滤料使用寿命及过滤效果。
图2-37 烧毛、轧光现场
图2-38 烧毛、轧光后整理前后针刺非织造材料的表面结构
2.3.4.6 拒水拒油后整理
像垃圾焚烧等烟尘过滤工况的烟尘湿度大，烟尘中的细颗粒物容易黏附在滤袋表面，造成清灰困难，情况严重时会发生糊袋问题，增加过滤设备的运行能耗，降低过滤材料的使用寿命。将过滤材料在浸渍槽中用拒水拒油整理液浸渍处理，轧干后烘燥定型，可以赋予过滤材料疏水、疏油等特殊功能，同时还可以改善像玻璃纤维针刺非织造材料等的柔韧性和耐折性。采用PTFE乳液对易受空气氧化的PPS进行浸渍涂层可有效提高非织造材料的抗氧化性、耐磨性和拒水性等，从而提高过滤材料的使用寿命。当然，后整理的效果主要取决于浸渍涂层的配方，因此，功能后整理一直是近年来较热门的研究和应用方向。
2.3.4.7 涂层后整理
在非织造材料表面均匀地涂覆一层聚合物溶液/乳液或者颗粒物，经过进一步烘燥后，在非织造材料表面形成连续的微孔膜层，称为涂层后整理。涂层复合非织造材料不仅具有非织造材料的原有特性，更增加了表面涂层赋予的功能。一般而言，非织造材料起到骨架作用，提供材料的力学性能，而涂覆层提供材料的功能性。PTFE发泡涂层是一种理想的提高针刺非织造材料过滤效率和表面清灰效果的涂层后整理技术。
有人采用PTFE乳液对PTFE/玻璃纤维复合滤料进行发泡涂层整理，经过整理后的滤料在270℃高温下无严重变形，具有良好的热稳定性和机械稳定性以及较高的柔性。在过滤风速为3m/min时，初始压降为3.6mmH2O，除尘频率为6.5h，在最大压降为100mmH2O的条件下，具有良好的过滤性能。通过在PTFE涂层剂中添加一定的黏合剂和水性环氧树脂对涂层配方进行改进，制成PTFE复合涂层剂，可以改善PTFE涂层剂的成膜性和黏结性，并将其用于聚苯硫醚过滤材料表面涂层。实验结果表明，经过PTFE复合涂层剂整理后的PPS过滤材料，其表面形成了连续的薄膜，降低了过滤材料的孔径，减缓了氧化作用，降低了对PPS过滤材料的损害，使其力学性能得以较好地保持，并具有更好的过滤效果。
2.3.4.8 滤筒和褶皱滤袋
在安装空间受限的过滤工况下，滤筒和褶皱滤袋可以大幅度增加过滤面积，缩小除尘器体积，满足特殊过滤工况的需求。常见滤筒和褶皱滤袋的结构如图2-39和图2-40所示。
将过滤材料沿着滤筒的外圆和内圆反复折叠，形成多褶皱式结构，其过滤面积可以达到同尺寸滤袋的3～30倍，是钢铁超低排放《意见》中推荐的过滤器结构。当然，滤筒和褶皱滤袋也存在一定的缺点，其皱褶深部容易积尘，不易被清除，长期使用后，部分过滤面积可能会失效。因此，滤筒和褶皱滤袋适用于粉尘浓度较低的气体过滤工况。同时，滤筒的长度受限，一般用于风量较小的烟气净化处理。
图2-39 滤筒
图2-40 褶皱滤袋
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