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          【研發】定量對雙層空氣復合濾紙原紙性能的影響

          來源:漿紙技術 編輯:韓旭 時間:2020-03-25
          導讀: 近年來,由于環境污染問題日趨嚴重,對于空氣濾紙的性能需求也在不斷提高。目前,市場上大多是單層濾紙,但是單層濾紙的內部結構單一,無法較好地調節過濾阻力與過濾效率的矛盾。為了在過濾效率、過濾阻力和容塵量之間尋找一個平衡點,很多廠家把目光投向了

              

          韓旭 女士

          在讀碩士研究生;

          主要從事空氣濾紙等的研究。

              近年來,由于環境污染問題日趨嚴重,對于空氣濾紙的性能需求也在不斷提高。目前,市場上大多是單層濾紙,但是單層濾紙的內部結構單一,無法較好地調節過濾阻力與過濾效率的矛盾。為了在過濾效率、過濾阻力和容塵量之間尋找一個平衡點,很多廠家把目光投向了復合濾紙。

              復合濾紙包含兩種結構:一種是多層結構復合過濾紙,即將不同種復合材料通過層疊復合的方式制成的復合濾紙;第二種結構是內部梯度結構復合過濾紙,即通過對工藝條件的有效控制,在內部實現孔徑在剖面方向上的梯度分布,以實現逐層過濾的效果。

              本課題主要研究定量變化對雙層復合空氣濾紙過濾性能的影響。對于復合濾紙,不同的定量分配、不同的纖維分配、不同的原料選擇等對其性能都有一定程度的影響。Cameron Thomson發現復合濾紙不同層間的定量比可以根據過濾介質的實際特性而變化。在一些實例中,過濾介質的入流層具有比出流層更大的定量。例如,入流層和出流層之間的定量比例可以大于1∶1、大于1.5∶1或大于2∶1。在其它實例中,過濾介質的入流層也有比出流層更小的定量,如入流層和出流層之間的定量比例可以小于2∶1、小于1.5∶1。而在某些具體的實施方案中,入流層和出流層的定量比為1∶1。可見,不同的定量設計對于雙層復合空氣濾紙性能的影響是不同的。因此,需要研究定量對雙層復合空氣濾紙原紙的影響,以此為多層復合結構濾紙提供設計依據。

           

          1  實驗

          1.1實驗原料

          纖維原料:針葉木漿(美國GP公司),闊葉木漿(巴西Suzano公司),北極光漿(瑞典Billerud公司);試驗粉塵:標準A2細灰(上海瑞貝貿易有限公司),符合ISO12103-1標準。

          1.2實驗儀器

          纖維標準解離器(瑞典L&W公司,970154);動態紙頁成形器(法國TECHPAP SAS公司,BP251-38044);弧形干燥器(法國TECHPAP SAS公司,DRYER);Palas MFP3000濾料測試系統(德國PALAS公司,MFP3000);抗張強度測試儀(瑞典L&W公司,062969921);毛細流孔徑測量儀(比利時PorometerNV公司,Porolux 100);厚度測量儀(瑞典L&W公司,051970243);透氣度測量儀(中國寧波紡織廠,YG461E);掃描電子顯微鏡(日本日立公司,JSM-IT300LV)。

          1.3實驗方法

          1.3.1實驗設計

              雙層復合空氣濾紙原紙的入流層和出流層的纖維原料均是針葉木漿(長度為2.7mm,寬度為36.0μm)、闊葉木漿(長度為0.7mm,寬度為20.0μm)和北極光漿(長度為1.9mm,寬度為30.6μm)的混合纖維,配比為1∶1∶1。根據實際抄造需求,分別抄造總定量為80g/m2、100g/m2、120g/m2、140g/m2、160g/m2的雙層復合空氣濾紙原紙。以入流層與出流層的質量之比為定量比,定量比按1∶11、1∶5、1∶3、1∶2、5∶7和1∶1進行設計。

          1.3.2復合紙樣的制備

              稱取相應質量的針葉木漿、闊葉木漿和北極光漿,并用纖維疏解機進行疏解,先將出流層的漿料加入動態紙頁成形器中噴漿上網,待出流層的纖維原料噴空后不進行真空脫水處理,讓機器持續運轉;將入流層的漿料加入動態紙頁成形器中噴漿上網,使漿料完全涂覆在出流層上,待入流層的漿料噴空后進行抽真空脫水處理,取下濕紙幅進行干燥處理,在干燥過程中不進行加壓處理。

          1.4濾紙性能檢測

          1.4.1濾紙容塵量和過濾效率的測定

              根據ISO 5011-2014標準,利用Palas MFP3000濾材測試系統測試雙層復合空氣濾紙的容塵量和過濾效率。規定測試條件為終止壓差2000Pa;發塵濃度為1000mg/m3;額定氣體流量為66L/min;試驗粉塵標準A2粉塵,試樣面積100cm2。

          1.4.2濾紙物理性能的測定

          透氣度測定標準為QC/T 794-2007內燃機工業濾紙中透氣度的測定,規定的試樣壓差為127Pa。

          1.4.3濾紙孔徑的測定

          孔徑測定采用的標準為GB-T 2679.14-1996過濾紙和紙板最大孔徑的測定,測試樣品直徑為25mm。

          1.4.4內部結構表征

          采用JSM-IT300LV型電子顯微鏡對內部結構進行表征。

           

          2  結果與討論

          2.1總定量對雙層復合空氣濾紙原紙孔徑及透氣度的影響

          2.1.1總定量對雙層復合濾紙原紙孔徑的影響

              在表1中可看出,雙層復合濾紙原紙的孔徑隨定量增大而減小,最大孔徑從49.1μm到30.5μm減少37.9%;平均孔徑從23.7μm到14.7μm減少38.0%。對于雙層復合濾紙,變化的主要原因是兩層空氣濾紙在復合成復合濾紙的過程中,在兩層之間會發生“層疊作用”,復合濾紙的層間會出現新的孔隙,這些孔隙的孔徑都小于復合前的單層濾紙的孔徑。因此,在檢測過程中不斷出現小孔徑,孔徑逐漸變小。

              圖1顯示不同總定量下雙層復合空氣濾紙原紙的孔徑分布,隨著定量的增加,孔徑分布面積增大,頂點峰值不斷右移,在定量為100g/m2與120g/m2時分布面積大致相同。可以說明定量增加,纖維數量增加,濾紙結構緊密細致,孔徑分布在小孔徑周邊且分布范圍較窄。此外,濾紙的孔徑是指與具有相同壓力的圓柱形毛細管所對應的直徑大小,過濾紙的孔徑間接反映了纖維網的內部結構情況[10]。從分布圖可明顯看出,不同定量的濾紙孔徑分布都呈單峰分布,其濾紙內部漿料混合均勻與單層纖維原料混合無異,未出現多峰分布即梯度分布結構。結合表1可知,定量可以改變復合濾紙的孔徑大小,但入流層與出流層定量與漿料配比相同條件下,并不能出現梯度過濾效果。

          2.1.2總定量對雙層復合空氣濾紙原紙透氣度的影響

              圖2為總定量對雙層復合空氣濾紙原紙透氣度的影響,透氣度隨定量增大而減小。透氣度是指在規定試樣面積和壓差下,氣體分子通過試樣的速率大小,在一定程度上反映了濾紙的多孔性以及氣體分子透過濾紙內部的流暢程度。當氣流通過空氣濾紙內部時,氣體分子與纖維產生碰撞效應,氣流運動速度降低,氣體分子運動阻力增大,單位時間內穿透空氣濾紙的氣體分子數降低,透氣度減小。在定量增加過程中,孔徑減小,氣體分子與纖維間的碰撞幾率增大,透氣度減小[12]。另一方面,雙層復合使內部結構變得復雜,同樣造成氣流穿過空氣濾紙時,氣體分子與纖維的碰撞程度增大,氣流量減小,透氣度降低。因此兩種原因共同導致透氣度減小。同時,不同的定量,影響透氣度不同,孔徑不同,這對于今后設計不同孔徑梯度的復合濾紙具有很好的參考作用。

          2.2總定量對雙層復合空氣濾紙原紙過濾效率及容塵量的影響

              設計雙層復合空氣濾紙原紙入流層和出流層的定量比為1∶1。表2為雙層復合空氣濾紙原紙定量對過濾效率和孔徑的影響。

              從表2可以看出,雙層復合濾紙的容塵量隨定量增大而減小,在120g/m2后減小緩慢;過濾效率隨定量增大而增大,在120g/m2后增加趨于平緩。壓差為2000Pa時過濾效率由99.50%到99.70%最大增幅為0.20%;容塵量由132g/m2到112g/m2最大減幅為15%。相比于80g/m2,120g/m2時過濾效率增幅達0.18%,容塵量減幅達12%。雙層復合濾紙的過濾過程中主要的粒子捕獲機制是布朗擴散和截取,布朗擴散與纖維尺寸、面速度和纖維堆積密度(堅固性)直接相關。定量越大,纖維數量越多,填充密度越高。導致纖維之間搭建的立體網狀結構愈加緊密,粉塵顆粒通過纖維層時,增加了對于粉塵顆粒的攔截和吸附作用,過濾紙的過濾效率增大。但是因為纖維數量增加,未改變纖維屬性,因此過濾效率增加幅度較小。另一方面,結合孔徑分布,定量越小,孔徑分布主要集中在大孔徑區域,使復合濾紙不容易產生堵塞,減緩壓差上升,容塵量增加。

          2.3入流層與出流層的定量比對雙層復合空氣濾紙原紙過濾性能的影響

          2.3.1入流層與出流層的定量比對雙層復合濾紙過濾效率的影響

              本實驗選用了針葉木漿、北極光漿與闊葉木漿之比為1∶1∶1作為雙層復合空氣濾紙原紙的入流層與出流層的纖維配比,探討入流層與出流層的定量比對雙層復合空氣濾紙原紙過濾性能的影響,實驗結果如圖3所示。

              由圖3可知,不同的粉塵粒徑下,隨著定量比的改變,雙層復合空氣濾紙原紙的過濾效率變化相差不大,粉塵顆粒為0.627μm時,不同定量比的過濾效率分別為99.69%、99.70%、99.70%、99.70%、99.69%、99.69%。這是因為在實驗過程中僅改變了定量比而每一層的纖維配比沒有發生改變,所以單一改變雙層復合濾紙的定量比不能有效地改善過濾效率。但是從圖3中可以看出,隨著粉塵粒徑增大,過濾效率也隨之增加。由此可知,粉塵顆粒粒徑增大,攔截效應與慣性效應增強,粉塵隨氣流通過紙樣內部過程中捕集幾率增大。

          2.3.2入流層與出流層的定量比對雙層復合空氣濾紙原紙容塵量的影響

          探討過濾性能除了過濾效率外還應該考慮容塵量,2000Pa時容塵量測試結果如圖4所示。

          由圖4可知,容塵量呈上升再減小的趨勢。從定量比1∶11到1∶5時,容塵量增加了2.9%;從定量比1∶5到1∶3時,容塵量增加了5%;在定量比為1∶3時達到最大值。當定量比從1∶3到1∶2、5∶7和1∶1時定量比下降分別為5.5%、6.2%、10.2%,遠超于同期增長的比例。容塵量是指過濾裝置到達終止壓差時所能儲存的粉塵數量。當定量比為1∶11與1∶5時,上層定量小孔徑大,多數粉塵顆粒通過入流層進入復合濾紙內部,增加儲塵數量,導致容塵量增大。隨著定量比的增加,入流層面的定量增大,孔徑減小,粉塵顆粒進入到紙樣內部過程中,造成了內部沉積導致孔徑堵塞,壓力急劇上升到終止壓差,最終容塵量減小。

          2.4不同定量比對雙層復合空氣濾紙原紙過濾效果的影響

              本文中對于雙層復合過濾紙原紙主要的設計依據是密度梯度復合原則,密度梯度復合是指復合后孔隙結構、孔徑分布和大小不同,以達到對不同粒徑的顆粒進行階梯式過濾的效果。雙層復合過濾紙分為精濾層(出流層)和粗濾層(入流層),精濾層(出流層)主要保證濾紙的過濾效率,粗濾層(入流層)主要保證濾紙的容塵效果。表3為定量比在1∶3和3∶1時的過濾效率和容塵量測試結果。

              由表3可知,定量比1∶3時的容塵量和過濾效率皆大于定量比為3∶1時的容塵量和過濾效率。這是因為,定量比1∶3時入流層為小定量孔徑較大,出流層為大定量孔徑較小,符合梯度復合結構。梯度結構濾紙入流層的孔徑大,承受的過濾阻力小,內部可形成較大的儲塵空間。出流層由短細纖維形成,結構緊密,保證濾紙有較大過濾效率。當過濾粉塵開始通過濾紙時,首先進行表面過濾,大于表層孔徑的粉塵顆粒沉積在表層,小于表層孔徑的粉塵顆粒進入濾紙內部,形成深層過濾,過濾一段時間后,在濾紙表面堆積的粉塵形成粉塵濾餅,進行濾餅過濾,更小直徑的粉塵顆粒會通過濾餅繼續進行進一步的深層過濾[18~20]。圖5、圖6分別是定量比為1∶3與3∶1時雙層復合空氣濾紙經過濾性能測試結束后不同層面的掃描電鏡截面圖片。

              從圖5和圖6中可以看出,在入流層中定量比1∶3的復合濾紙所截留的粉塵要明顯少于定量比3∶1時的復合濾紙,而在出流層中定量比1∶3的復合濾紙所截留的粉塵要多于定量比3∶1的復合濾紙。由此可知,定量比1∶3的復合濾紙在過濾粉塵時粉塵一部分被截留在了入流層,另一部分則通過入流層被出流層截留。通過定量比3∶1的復合濾紙的粉塵則大部分堆積在入流層,甚至堵住部分小孔。

              這是因為,定量比1∶3時指上層為定量30g/m2下層為定量90g/m2,即入流層為小定量出流層為大定量。出流層為大定量濾紙,透氣度低、孔徑小。以大定量為塵面,灰塵顆粒穿透了過濾介質的深度。沉積的顆粒橋接孔隙并逐漸堵塞毛孔。捕獲在過濾介質內的灰塵顆粒降低了孔隙率并導致更高的孔隙率。小于入流層孔徑的粉塵顆粒在出流層被截留,形成了一種遞進過濾的方式,達到最佳的過濾效果。定量比3∶1時上層為大定量,下層為小定量,以小定量纖維層作為塵面,濾紙透氣度高、孔徑大。粉塵通過時,較少的灰塵顆粒滲透過濾介質的深度且使表面負載速度加快,會造成堵塞,使壓力大幅度上升,快速達到終止壓力,縮短濾紙壽命。因此,在設計復合濾紙時上層小定量、下層大定量會優化濾紙的過濾效果,定量比為1∶3時即為優選。

          2.5單層濾紙與雙層濾紙在不同定量下的過濾效率對比

              圖7是單層濾紙與雙層濾紙紙樣在壓差為2000Pa時的過濾效率對比。

          根據對比圖7可知,在定量增加的過程中雙層濾紙的過濾效率一直大于單層濾紙,在定量為100g/m2時單層濾紙與雙層濾紙過濾效率的差值最大為0.1%,是因為過濾紙在復合過程中會產生新的小孔徑,而平均孔徑受單層中平均孔徑最小的那一層的影響較大[8]。另一方面,過濾器所捕集的粒子質量或數量與通入過濾器的粒子質量或數量之比為過濾效率。雙層濾紙較單層濾紙的內部空間結構更加復雜,會形成具有不同填充密度的纖維網,粉塵顆粒通過紙樣內部時,顆粒與纖維的碰撞率逐層增加,雙層濾紙的過濾效率較大。

          綜上所述,雙層復合濾紙復合后的厚度、緊度和透氣度等性能有一定的增強,且在過濾性能上有一定程度提升。

           

          3  結論

              本實驗采用不同定量及不同定量比抄造雙層復合空氣濾紙原紙,分析不同定量及不同定量比對雙層復合空氣濾紙原紙的過濾性能及過濾效果的影響。

              (1)雙層復合空氣濾紙原紙的總定量影響濾紙的過濾性能。通過對復合濾紙的孔徑、孔徑分布、透氣度、過濾效率及容塵量的分析,發現總定量越大,透氣度越小,導致孔徑變小,截留效果增強,過濾效率增大,容塵量減小,且大孔徑分布居多的濾紙的容塵量大于小孔徑分布居多的濾紙。

              (2)雙層復合空氣濾紙原紙的內部結構復雜,增加了粉塵顆粒與纖維的碰撞次數,提高了雙層復合濾紙的過濾效果,雙層復合空氣濾紙原紙的過濾效率優于單層空氣濾紙。

              (3)雙層復合空氣濾紙原紙的總定量不變,改變入流層與出流層的定量比,當定量比發生改變,雙層復合濾紙的容塵量呈先上升后下降趨勢,但是過濾效果基本保持不變。此外,以入流層小定量、出流層大定量為原則設計的雙層復合濾紙其過濾效果要優于以入流層大定量、出流層小定量原則設計的雙層復合濾紙。

           

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