【研发】定量对双层空气复合滤纸原纸性能的影响

韩旭 女士

在读硕士研究生；

主要从事空气滤纸等的研究。

    近年来，由于环境污染问题日趋严重，对于空气滤纸的性能需求也在不断提高。目前，市场上大多是单层滤纸，但是单层滤纸的内部结构单一，无法较好地调节过滤阻力与过滤效率的矛盾。为了在过滤效率、过滤阻力和容尘量之间寻找一个平衡点，很多厂家把目光投向了复合滤纸。

    复合滤纸包含两种结构：一种是多层结构复合过滤纸，即将不同种复合材料通过层叠复合的方式制成的复合滤纸；第二种结构是内部梯度结构复合过滤纸，即通过对工艺条件的有效控制，在内部实现孔径在剖面方向上的梯度分布，以实现逐层过滤的效果。

    本课题主要研究定量变化对双层复合空气滤纸过滤性能的影响。对于复合滤纸，不同的定量分配、不同的纤维分配、不同的原料选择等对其性能都有一定程度的影响。Cameron Thomson发现复合滤纸不同层间的定量比可以根据过滤介质的实际特性而变化。在一些实例中，过滤介质的入流层具有比出流层更大的定量。例如，入流层和出流层之间的定量比例可以大于1∶1、大于1.5∶1或大于2∶1。在其它实例中，过滤介质的入流层也有比出流层更小的定量，如入流层和出流层之间的定量比例可以小于2∶1、小于1.5∶1。而在某些具体的实施方案中，入流层和出流层的定量比为1∶1。可见，不同的定量设计对于双层复合空气滤纸性能的影响是不同的。因此，需要研究定量对双层复合空气滤纸原纸的影响，以此为多层复合结构滤纸提供设计依据。

1  实验

1.1实验原料

纤维原料：针叶木浆（美国GP公司），阔叶木浆（巴西Suzano公司），北极光浆（瑞典Billerud公司）；试验粉尘：标准A2细灰（上海瑞贝贸易有限公司），符合ISO12103-1标准。

1.2实验仪器

纤维标准解离器（瑞典L&W公司，970154）；动态纸页成形器（法国TECHPAP SAS公司，BP251-38044）；弧形干燥器（法国TECHPAP SAS公司，DRYER）；Palas MFP3000滤料测试系统（德国PALAS公司，MFP3000）；抗张强度测试仪（瑞典L&W公司，062969921）；毛细流孔径测量仪（比利时PorometerNV公司，Porolux 100）；厚度测量仪（瑞典L&W公司，051970243）；透气度测量仪（中国宁波纺织厂，YG461E）；扫描电子显微镜（日本日立公司，JSM-IT300LV）。

1.3实验方法

1.3.1实验设计

    双层复合空气滤纸原纸的入流层和出流层的纤维原料均是针叶木浆（长度为2.7mm，宽度为36.0μm）、阔叶木浆（长度为0.7mm，宽度为20.0μm）和北极光浆（长度为1.9mm，宽度为30.6μm）的混合纤维，配比为1∶1∶1。根据实际抄造需求，分别抄造总定量为80g/m2、100g/m2、120g/m2、140g/m2、160g/m2的双层复合空气滤纸原纸。以入流层与出流层的质量之比为定量比，定量比按1∶11、1∶5、1∶3、1∶2、5∶7和1∶1进行设计。

1.3.2复合纸样的制备

    称取相应质量的针叶木浆、阔叶木浆和北极光浆，并用纤维疏解机进行疏解，先将出流层的浆料加入动态纸页成形器中喷浆上网，待出流层的纤维原料喷空后不进行真空脱水处理，让机器持续运转；将入流层的浆料加入动态纸页成形器中喷浆上网，使浆料完全涂覆在出流层上，待入流层的浆料喷空后进行抽真空脱水处理，取下湿纸幅进行干燥处理，在干燥过程中不进行加压处理。

1.4滤纸性能检测

1.4.1滤纸容尘量和过滤效率的测定

    根据ISO 5011-2014标准，利用Palas MFP3000滤材测试系统测试双层复合空气滤纸的容尘量和过滤效率。规定测试条件为终止压差2000Pa；发尘浓度为1000mg/m3；额定气体流量为66L/min；试验粉尘标准A2粉尘，试样面积100cm2。

1.4.2滤纸物理性能的测定

透气度测定标准为QC/T 794-2007内燃机工业滤纸中透气度的测定，规定的试样压差为127Pa。

1.4.3滤纸孔径的测定

孔径测定采用的标准为GB-T 2679.14-1996过滤纸和纸板最大孔径的测定，测试样品直径为25mm。

1.4.4内部结构表征

采用JSM-IT300LV型电子显微镜对内部结构进行表征。

2  结果与讨论

2.1总定量对双层复合空气滤纸原纸孔径及透气度的影响

2.1.1总定量对双层复合滤纸原纸孔径的影响

    在表1中可看出，双层复合滤纸原纸的孔径随定量增大而减小，最大孔径从49.1μm到30.5μm减少37.9%；平均孔径从23.7μm到14.7μm减少38.0%。对于双层复合滤纸，变化的主要原因是两层空气滤纸在复合成复合滤纸的过程中，在两层之间会发生“层叠作用”，复合滤纸的层间会出现新的孔隙，这些孔隙的孔径都小于复合前的单层滤纸的孔径。因此，在检测过程中不断出现小孔径，孔径逐渐变小。

    图1显示不同总定量下双层复合空气滤纸原纸的孔径分布，随着定量的增加，孔径分布面积增大，顶点峰值不断右移，在定量为100g/m2与120g/m2时分布面积大致相同。可以说明定量增加，纤维数量增加，滤纸结构紧密细致，孔径分布在小孔径周边且分布范围较窄。此外，滤纸的孔径是指与具有相同压力的圆柱形毛细管所对应的直径大小，过滤纸的孔径间接反映了纤维网的内部结构情况[10]。从分布图可明显看出，不同定量的滤纸孔径分布都呈单峰分布，其滤纸内部浆料混合均匀与单层纤维原料混合无异，未出现多峰分布即梯度分布结构。结合表1可知，定量可以改变复合滤纸的孔径大小，但入流层与出流层定量与浆料配比相同条件下，并不能出现梯度过滤效果。

2.1.2总定量对双层复合空气滤纸原纸透气度的影响

    图2为总定量对双层复合空气滤纸原纸透气度的影响，透气度随定量增大而减小。透气度是指在规定试样面积和压差下，气体分子通过试样的速率大小，在一定程度上反映了滤纸的多孔性以及气体分子透过滤纸内部的流畅程度。当气流通过空气滤纸内部时，气体分子与纤维产生碰撞效应，气流运动速度降低，气体分子运动阻力增大，单位时间内穿透空气滤纸的气体分子数降低，透气度减小。在定量增加过程中，孔径减小，气体分子与纤维间的碰撞几率增大，透气度减小[12]。另一方面，双层复合使内部结构变得复杂，同样造成气流穿过空气滤纸时，气体分子与纤维的碰撞程度增大，气流量减小，透气度降低。因此两种原因共同导致透气度减小。同时，不同的定量，影响透气度不同，孔径不同，这对于今后设计不同孔径梯度的复合滤纸具有很好的参考作用。

2.2总定量对双层复合空气滤纸原纸过滤效率及容尘量的影响

    设计双层复合空气滤纸原纸入流层和出流层的定量比为1∶1。表2为双层复合空气滤纸原纸定量对过滤效率和孔径的影响。

    从表2可以看出，双层复合滤纸的容尘量随定量增大而减小，在120g/m2后减小缓慢；过滤效率随定量增大而增大，在120g/m2后增加趋于平缓。压差为2000Pa时过滤效率由99.50%到99.70%最大增幅为0.20%；容尘量由132g/m2到112g/m2最大减幅为15%。相比于80g/m2，120g/m2时过滤效率增幅达0.18%，容尘量减幅达12%。双层复合滤纸的过滤过程中主要的粒子捕获机制是布朗扩散和截取，布朗扩散与纤维尺寸、面速度和纤维堆积密度（坚固性）直接相关。定量越大，纤维数量越多，填充密度越高。导致纤维之间搭建的立体网状结构愈加紧密，粉尘颗粒通过纤维层时，增加了对于粉尘颗粒的拦截和吸附作用，过滤纸的过滤效率增大。但是因为纤维数量增加，未改变纤维属性，因此过滤效率增加幅度较小。另一方面，结合孔径分布，定量越小，孔径分布主要集中在大孔径区域，使复合滤纸不容易产生堵塞，减缓压差上升，容尘量增加。

2.3入流层与出流层的定量比对双层复合空气滤纸原纸过滤性能的影响

2.3.1入流层与出流层的定量比对双层复合滤纸过滤效率的影响

    本实验选用了针叶木浆、北极光浆与阔叶木浆之比为1∶1∶1作为双层复合空气滤纸原纸的入流层与出流层的纤维配比，探讨入流层与出流层的定量比对双层复合空气滤纸原纸过滤性能的影响，实验结果如图3所示。

    由图3可知，不同的粉尘粒径下，随着定量比的改变，双层复合空气滤纸原纸的过滤效率变化相差不大，粉尘颗粒为0.627μm时，不同定量比的过滤效率分别为99.69%、99.70%、99.70%、99.70%、99.69%、99.69%。这是因为在实验过程中仅改变了定量比而每一层的纤维配比没有发生改变，所以单一改变双层复合滤纸的定量比不能有效地改善过滤效率。但是从图3中可以看出，随着粉尘粒径增大，过滤效率也随之增加。由此可知，粉尘颗粒粒径增大，拦截效应与惯性效应增强，粉尘随气流通过纸样内部过程中捕集几率增大。

2.3.2入流层与出流层的定量比对双层复合空气滤纸原纸容尘量的影响

探讨过滤性能除了过滤效率外还应该考虑容尘量，2000Pa时容尘量测试结果如图4所示。

由图4可知，容尘量呈上升再减小的趋势。从定量比1∶11到1∶5时，容尘量增加了2.9%；从定量比1∶5到1∶3时，容尘量增加了5%；在定量比为1∶3时达到最大值。当定量比从1∶3到1∶2、5∶7和1∶1时定量比下降分别为5.5%、6.2%、10.2%，远超于同期增长的比例。容尘量是指过滤装置到达终止压差时所能储存的粉尘数量。当定量比为1∶11与1∶5时，上层定量小孔径大，多数粉尘颗粒通过入流层进入复合滤纸内部，增加储尘数量，导致容尘量增大。随着定量比的增加，入流层面的定量增大，孔径减小，粉尘颗粒进入到纸样内部过程中，造成了内部沉积导致孔径堵塞，压力急剧上升到终止压差，最终容尘量减小。

2.4不同定量比对双层复合空气滤纸原纸过滤效果的影响

    本文中对于双层复合过滤纸原纸主要的设计依据是密度梯度复合原则，密度梯度复合是指复合后孔隙结构、孔径分布和大小不同，以达到对不同粒径的颗粒进行阶梯式过滤的效果。双层复合过滤纸分为精滤层（出流层）和粗滤层（入流层），精滤层（出流层）主要保证滤纸的过滤效率，粗滤层（入流层）主要保证滤纸的容尘效果。表3为定量比在1∶3和3∶1时的过滤效率和容尘量测试结果。

    由表3可知，定量比1∶3时的容尘量和过滤效率皆大于定量比为3∶1时的容尘量和过滤效率。这是因为，定量比1∶3时入流层为小定量孔径较大，出流层为大定量孔径较小，符合梯度复合结构。梯度结构滤纸入流层的孔径大，承受的过滤阻力小，内部可形成较大的储尘空间。出流层由短细纤维形成，结构紧密，保证滤纸有较大过滤效率。当过滤粉尘开始通过滤纸时，首先进行表面过滤，大于表层孔径的粉尘颗粒沉积在表层，小于表层孔径的粉尘颗粒进入滤纸内部，形成深层过滤，过滤一段时间后，在滤纸表面堆积的粉尘形成粉尘滤饼，进行滤饼过滤，更小直径的粉尘颗粒会通过滤饼继续进行进一步的深层过滤[18～20]。图5、图6分别是定量比为1∶3与3∶1时双层复合空气滤纸经过滤性能测试结束后不同层面的扫描电镜截面图片。

    从图5和图6中可以看出，在入流层中定量比1∶3的复合滤纸所截留的粉尘要明显少于定量比3∶1时的复合滤纸，而在出流层中定量比1∶3的复合滤纸所截留的粉尘要多于定量比3∶1的复合滤纸。由此可知，定量比1∶3的复合滤纸在过滤粉尘时粉尘一部分被截留在了入流层，另一部分则通过入流层被出流层截留。通过定量比3∶1的复合滤纸的粉尘则大部分堆积在入流层，甚至堵住部分小孔。

    这是因为，定量比1∶3时指上层为定量30g/m2下层为定量90g/m2，即入流层为小定量出流层为大定量。出流层为大定量滤纸，透气度低、孔径小。以大定量为尘面，灰尘颗粒穿透了过滤介质的深度。沉积的颗粒桥接孔隙并逐渐堵塞毛孔。捕获在过滤介质内的灰尘颗粒降低了孔隙率并导致更高的孔隙率。小于入流层孔径的粉尘颗粒在出流层被截留，形成了一种递进过滤的方式，达到最佳的过滤效果。定量比3∶1时上层为大定量，下层为小定量，以小定量纤维层作为尘面，滤纸透气度高、孔径大。粉尘通过时，较少的灰尘颗粒渗透过滤介质的深度且使表面负载速度加快，会造成堵塞，使压力大幅度上升，快速达到终止压力，缩短滤纸寿命。因此，在设计复合滤纸时上层小定量、下层大定量会优化滤纸的过滤效果，定量比为1∶3时即为优选。

2.5单层滤纸与双层滤纸在不同定量下的过滤效率对比

    图7是单层滤纸与双层滤纸纸样在压差为2000Pa时的过滤效率对比。

根据对比图7可知，在定量增加的过程中双层滤纸的过滤效率一直大于单层滤纸，在定量为100g/m2时单层滤纸与双层滤纸过滤效率的差值最大为0.1%，是因为过滤纸在复合过程中会产生新的小孔径，而平均孔径受单层中平均孔径最小的那一层的影响较大[8]。另一方面，过滤器所捕集的粒子质量或数量与通入过滤器的粒子质量或数量之比为过滤效率。双层滤纸较单层滤纸的内部空间结构更加复杂，会形成具有不同填充密度的纤维网，粉尘颗粒通过纸样内部时，颗粒与纤维的碰撞率逐层增加，双层滤纸的过滤效率较大。

综上所述，双层复合滤纸复合后的厚度、紧度和透气度等性能有一定的增强，且在过滤性能上有一定程度提升。

3  结论

    本实验采用不同定量及不同定量比抄造双层复合空气滤纸原纸，分析不同定量及不同定量比对双层复合空气滤纸原纸的过滤性能及过滤效果的影响。

    (1）双层复合空气滤纸原纸的总定量影响滤纸的过滤性能。通过对复合滤纸的孔径、孔径分布、透气度、过滤效率及容尘量的分析，发现总定量越大，透气度越小，导致孔径变小，截留效果增强，过滤效率增大，容尘量减小，且大孔径分布居多的滤纸的容尘量大于小孔径分布居多的滤纸。

    (2）双层复合空气滤纸原纸的内部结构复杂，增加了粉尘颗粒与纤维的碰撞次数，提高了双层复合滤纸的过滤效果，双层复合空气滤纸原纸的过滤效率优于单层空气滤纸。

    (3）双层复合空气滤纸原纸的总定量不变，改变入流层与出流层的定量比，当定量比发生改变，双层复合滤纸的容尘量呈先上升后下降趋势，但是过滤效果基本保持不变。此外，以入流层小定量、出流层大定量为原则设计的双层复合滤纸其过滤效果要优于以入流层大定量、出流层小定量原则设计的双层复合滤纸。