（安全技术及工程专业论文）抗结露覆膜滤料的研究.pdf

东北大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fh i g hw e ts o o tt r e a t m e n t ，t h es u r f a c eo ft h ef i l t e rm e d i u mw i l l n o to n l yb e j e o p a r d i z e ds e v e r e l y , b u t a l s ob es h o r t e nt h el i f eo fi t su s a g ei nt h er e s u l t o fd e w c o m i n g i n t ob e i n go nt h ef i l t e rm e d i u ms u r f a c e s ot od e v e l o pan e wk i n do f c o m p o u n d f i l t e rm e d i u mw h i c hc a l lr e s i s td e wi sm u c hu n d e rc o n c e r n e di nt h ef i e l do f i n d u s t r i a lp o l l u t e da i rt r e a t m e n t t h em a i ns t u d yo ft h i sr e s e a r c hi st od e v e l o pan e wk i n do fc o m p o u n df i l t e r m e d i u mw h i c hc a nr e s i s t d e w p o l y u r e t h a n e a n dh y d r o p h o b ea r et h et w om a i n r e a g e n t sd u r i n gt h ee x p e r i m e n t b ys t u d y i n gt h ee x p e r i m e n t so fi n t e r c r o s s t ot h e p o l y u r e t h a n ea n dh y d r o p h o b e ，w ed r e wac o n c l u s i o nt h a t ：f i r s t ，p o l y u r e t h a n e h a s l i t t l ei m p a c tt ot h ed e h u m i d i f ye f f i c i e n c yo f c o m p o u n d f i l t e rm e d i a ，b u ti ti sn e g a t i v e f o rt h ev e n t i l a t i o na n dc i r c u l a t i n gr e s i s t a n c eo ft h ec o m p o u n df i l t e rm e d i a s e c o n d ， t h e a p p l i c a t i o n o ft h e h y d r o p h o b eh a s m u c hp o s i t i v e a s p e c t t ot h e d e h u m i d i f y e f f i c i e n c yo fc o m p o u n d f i l t e rm e d i u m ，b u th a sl i t t l et ot h ev e n t i l a t i o na n dc i r c u l a t i n g r e s i s t a n c e f r o m a m o n gi t ，w e a l s o f i n dab e s t p r o p o r t i o n o ft h ed i r e c t i o n sf o r p r o d u c i n g c h e m i c a l s f i l l i n g a p r e s c r i p t i o n n a m e l y , t h e c o n c e n t r a t i o no ft h e p o l y u r e t h a n ei s a b o u t2 5 - - 3 0 a n dh y d r o p h o b e sc o n c e n t r a t i o ni sa b o u t1 5 t o 2 0 o n l y o nt h e a s p e c t o fc r a f t w o r kp r o c e s s ，w e d e v e l o p e dt w ok i n d so fa d v a n c e d t e c h n i q u e sw h i c h a r es p r e yc o a t i n ga n dm i c r o w a v ed r y i n gp r o c e s s b yt h et e s t i f y i n g ， t h e s et w om e t h o d sh a v em a n y a d v a n t a g e s f o ri n s t a n c e ，i ti sc a nb ee a s i l yc o n t r o l l e d a r t i f i c i a l l y ，w i t hm a s sm i c r o - p o r e sa d h e r e st h eb a s i cc l o t hf i r m l y ，f a c t u r e dw i t hl o w c o s ta n ds a v i n gm u c ho fi t se n e r g y a m o n g t h ew o r k i n g s y s t e ma n d s oo n i nt h ee n d ，t h ef i n a lm a n u f a c t u r e ds a m p l e sw e r ei d e n t i f i e dw i t hg o o d q u a l i t yb y t h ef i l t e re x a m i n i n gc e n t e ro ft h en o r t he a s t e r nu n i v e r s i t y t h er e s i s t i v i t ya g a i n s t d e w c o m p o u n d f i l t e rm e d i aw i l la c h i e v e g o o d e c o n o m i c a lb e n e f i t sa n ds o c i a lv a l u e s k e y w o r d s ：p o l y u r e t h a n e ，f i l t e r ，h y d r o p h o b e ，t e c h n i q u e o f s p r e y c o a t i n g ，m i c r o w a v ed r y i n gp r o c e s s 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 奎人签三：3 小勇 日 期。砷弓，二 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 改革开放以来，在我国经济持续二十年以强劲势头高速发展的同时，环境建 设也在迅速发展。环境保护作为我国的一项基本国策，得到了有效的贯彻和执行。 但是，由于人们对环境保护认识的局限性等一些原因，过去的环境保护主要注重 传统的工业污染源治理。其它领域的污染防治以及生态保护与建设还未全面铺 开，造成目前我国环境形势仍十分严峻。 污染防治处理技术领域的么渔盟童瑾l 缱皇、废水、土壤的分析、评价和净化 等。环境净化产业中潜在的市场有5 0 0 0 亿人民币左右“1 。 1 2 袋式除尘器的应用与发展 在治理废气方面，袋式除尘器的应用显得尤为重要。我国的除尘技术取得了 长足的进步，袋式除尘技术的发展迅速，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 效率高、排尘浓度低，是除尘设备发展的总趋势。 ( 2 ) 我国袋式除尘器的排尘浓度低于3 0 mg m 3 5 0 mg m 3 已不鲜见，许多达 到l o mg m3 以下，甚至l mg m 3 5 mg m 1 。 ( 3 ) 对于袋式除尘器设各阻力的关注程度，超过对除尘效率的关注1 “。 ( 4 ) 袋式除尘器在适应高含尘浓度方面实现突破，入口含尘浓度比以往提高数十 倍。 ( 5 ) 袋式除尘滤料发展迅速。高温滤料多样化，除美塔斯外，p 一8 4 、莱登滤料也 已普遍应用，巴士福滤料已商品化。 ( 6 ) 一种不同于现有清灰方式的袋式除尘器出现于木材加工行业。它采用从滤 袋袋口直接“吸尘”( 不是“吸风”) 的方式嘲。 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 3 复合织物的应用与发展 目前国内外所开发的微孑l 薄膜覆合织物均属于涂层织物，既在织物表面均匀 地涂上一层高分子化合物( 涂层剂) ，使织物具有各种不同功能的一种表面整理 技术。织物经涂层加工后，高分子化合物一般不进入织物组织内部，而在表面形 成连续的薄膜，单独承担某种功能，织物只起支撑作用。近年来出现的会属织 化物，是利用各种方法在织物上涂一层金属，也属涂层织物。 1 3 1 复合织物的研究现状 近几十年来，织物涂层领域发生了重要的变化，最终产品用途的变化尤为 显著。涂层整理能赋予织物很高的附加价值和多种使用性能“。 凝固涂层产品是较早的微孔薄膜复合织物。在6 0 年代初由美国杜邦公司 c o r f a m 生产的。由于生产工艺上出现很多问题，直到7 0 年代中期以后才得以在 市场上全面推出。目前在市场上以日本和欧洲的聚氨酯涂层织物产品居多。其原 理是：在单组分聚氨酯涂层剂分子结构中的硬链部分，有强的凝聚力可形成结晶 区，能生成强硬度的薄膜。聚氨酯能溶解于强极性溶剂中，如二甲基甲酰胺。因 此，基布经涂布后，用水溶液浸渍处理时，在二甲基甲酰胺的水溶液中水从涂层 表面将二甲基甲酰胺稀释或萃取出来。当水和二甲基甲酰胺的两面进行双向扩散 时，聚氨酯由溶解状态转变为聚氨酯二甲基甲酰胺水的凝胶状态，而从 溶液中分离出来，随双向扩散的继续进行。产生了固体聚氨酯的凝胶沉淀。固体 聚氨酯的脱液收缩，使涂层中产生了充满二甲基甲酰胺水溶液的微孔，孔壁是固 体聚氨酯。在以后的水洗、烘干过程中，除去二甲基甲酰胺水溶液，留下空的微 孔。 七十年代以来，一种较先进的加工方法，即采用层压将具有微孔的薄膜与织 物复合。它不仅使织物具有良好的透湿性，还使织物能承受较高的渗水水压，以 美国的“g o r e t e xf a b r i c ”为代表。g o r e t e x 产品是一种薄膜材质为聚四氟乙 烯的复合过滤介质。它的生产过程是先将p t f e 微粉熔融成膜，薄膜双相拉伸后 高温处理，产生许多微孔，其中孔隙的大小可由拉伸力的强弱来控制，加：f 好的 东北大学硕士论文 第一章绪论 薄膜以层压的方式叠合到基布上“。这种产品广泛应用于化工、造纸、颜料、 环保、服装等方面。目前层压过程中一个最难解决的问题是薄膜与机织粘合物的 牢固性。如远销欧亚的g o r e t e x 产品，在使用中也常出现薄膜与基郝分离的现 象。 八十年代初，瑞士的莱本研究院又发明了一种即能有效地散发汗水又无需微 孔的聚合物涂层。b a r c s t o n 化工有限公司经过进一步研究，得出了这种新型聚 合物的配方，即在聚氨酯结构中引进足够的亲水性化学基团，这些亲水性化学基 团在传递水汽分子中充当“阶石”的作用。据称，水汽发散的速度较一般的聚氨 酯涂层大5 0 倍，但薄膜制造工艺复杂，成本较高，因此受到限制。 我国对于此项技术在近几年中也得到了蓬勃的发展。我国最早应用引进的聚 四氟乙烯微孔薄膜复合滤料可追溯到1 9 7 4 年，这种滤料在当时最长的寿命已达 8 年，国产聚四氟乙烯微孔薄膜复合滤料研制与开发为其推广应用创造了条件， 宝钢已应用该种滤料累计2 0 万平方米。据研究，过滤系统采用微孔薄膜复合滤 料可降低运行阻力，节能2 0 3 0 ，除尘效率达9 9 9 9 。随着我国加大力度达到 更高的环保标准，特别是电厂环保排放标准将提高，以及国内外大集团介入环保 产业，微孔薄膜覆合滤料市场前景光明”“。 上海华林过滤材料有限公司生产的“膨体聚四氟乙烯微多孔薄膜”孔径小 到l 2um 以下，滤料覆膜后当量孔径变小，约为覆膜前的t 0 1 3 ，因而不 需要形成粉尘层，只依靠自身的捕尘功能即可有良好的捕尘效果，这种滤料对 0 0 1 1 0um 的粉尘，分级捕尘率也可达9 7 9 9 以上。总捕尘率可达9 9 9 9 。 当量孔径的变小可控制粉尘进入滤料深处，防止滤料的堵塞。另外，覆膜能减小 滤料的表面动磨擦系数，约减小3 0 左右，提高清灰性能旧。 上海浦东塑料厂生产的除菌过滤微孔膜覆膜滤料，采用p d p t f e 除菌过滤微 孔膜与精细无纺布，先进的覆合工艺，不添加任何助剂和溶剂，无污染，无脱落， 覆合成过滤材料，作为折叠式滤芯的过滤过程，以其优异的过滤性能，应用于要 求严格的医药、生物工程和电子工程等的除菌过滤介质。亲水除菌膜覆合滤料， 东北大学硕士论文第一章绪论 应用于制药工业中液体的除菌过滤。此滤料的特点是：强疏水性，适用于气体和 空气的无菌过滤。 防水透湿微孔膜覆合面料是由聚四氟乙烯( p t f e ) 经特殊工艺经双向拉伸制 成的，膜表面每平方英寸能达到几万个微孔。利用这种微孔结构可达到优秀的防 水透湿功能，另外因为该孔系极度细小和纵向不规格的弯曲排列，使风不能透过， 从而又具有防风和保暖性好等特点。运用复合技术将p t f e 微孔膜与各种面料复 合起来，现已被制成各种服装、鞋帽及帐篷等。其用途相当广泛： ( 1 ) 雨具用织物 代替国内现有的各种涂层织物的用途，可圆满解决目前常用雨具、闷热、不 舒服的问题。 ( 2 ) 防寒服面料 可用于防寒服、基地防护服、沙漠防护服以及恶劣气候环境下的防护服，美 国军队的多层防寒服系列就采用了这种织物。我国部队也在使用这种产品。 ( 3 ) 特种防护服面料 可用于消防服、防生化服、浸水作业服、防寒抗浸服、农药作业防护服、酸 碱防护服和手术服等等。由防水透湿面料而生产的9 7 型消防战斗服，已通过国 家公安部鉴定，产品已被各级消防官兵认可。 ( 4 ) 运动服装 利用该织物透湿量大的特点，能满足运动后的排汗要求，可制成登山服、滑 雪服、钓鱼服、高尔夫球服、狩猎服等。由江苏康博集团生产的波士顿登山服， 经中国登山队穿着，成功登顶世界第一峰珠峰。 ( 5 ) 玻璃纤维覆膜滤料 玻璃纤维覆膜过滤材料：是在特殊表面处理配方处理的玻璃纤维基布上覆合 微孔聚四氟乙烯薄膜制成的新型过滤材料，它集中了玻璃纤维的高强低伸，耐高 4 东北大学硕士论文 第一章绪论 温、耐腐蚀等优点和聚四氟乙烯微孔薄膜的表面光滑，憎水透气，化学稳定性好 等特性。它几乎能截留含尘气流中的全部粉尘，是理想的烟气过滤材料。 t e t r a t e x 高效率p t f e 覆膜滤料，是浙江大学专为收尘设备而设计生产的一 种高品质过滤材料。该产品的特点是在过滤材料表面复合了一层多微孔、极光滑 的膨体聚四氟乙烯( p t f e ) 薄膜，由于这种薄膜本身组织极为细密，且具有不粘 尘、憎水和化学性能稳定等特性，使薄膜滤料具有了极佳的清灰性能，并使过滤 阻力始终保持在极低水平，确保收尘设备运行的处理风量和排放浓度，实现袋式 收尘器的“表面过滤”。 有关覆膜滤料的研究很多，东北大学环境工程专业在此项研究中属于国内领 先行列，康勇曾以“机织过滤介质污染机理及微孑l 薄膜复合过滤介质”为课题进 行了博士论文的研究。林玉霞以“聚氨酯干法涂层工艺”为课题进行了硕士论文 的研究。东北大学环境工程专业关于国家“九五”攻关项目“新型覆合过滤介质 的研究”已通过冶金部鉴定，达到国内领先水平，并荣获三项中国发明专利。 东北大学环境工程专业研制的“覆合过滤介质”主要应用于固一液分离领域， 本研究将在此工作基础上，进行固气分离覆膜滤料的研究。覆膜织物的结构是 由薄膜+ 基布组成。我国用于固一气分离的领域生产的常规滤料其性能己达到了 很高水平，尤其是除尘效率，已经能达到9 9 9 以上。本研究的覆膜滤料在除尘 的过程中，外表层的微孔薄膜不但起到滤尘作用，而且还起到抗结露的作用。这 样就充分利用二者的优点，并使其充分的结合，达到高效除尘以及抗结露的要求。 由于覆膜滤料的特殊过滤方式及诸多的优点，决定了其广阔的应用前景。覆 膜滤料的开发是对袋式除尘技术的完善，弥补了袋式除尘技术的不足，并解决了 很多普通滤料不能解决的问题。 1 3 2 覆膜滤料的基本特点 微孔薄膜覆合过滤材料( 简称覆膜滤料) 是以某种材料为原料，将其膨化成 一种具有多微孔性的薄膜，将此薄膜用特殊工艺覆合在某种织物或纸质基材上， 使其成为一种新型过滤材料。微孔薄膜覆合过滤材料具有如下特点： ( 1 ) 过滤效率高 5 东北大学硕士论文 第一章绪论 微孔薄膜具有独特的交叉微孔特性，对超细分尘具有良好的过滤性能，可以 实现近于零的排放效果，能达到最严格的环保标准。除尘效率可达9 9 9 9 以上。 薄膜层具有从0 1um 到l o um 的微孔孔径，也可制作从o 0 5 um 到1 0 ui t i 的微 孔孔径的薄膜。这么小的孔径可捕获大多数固体尘粒和液滴，如图卜1 1 0 0 8 0 水 瓣6 0 较 丞4 0 2 0 o ( 2 ) 运行阻力低 ol2345678 91 0 粉尘微粒粒径um 一覆膜滤料 一! 二童遁逮抖 图卜1 覆膜滤料与普通滤料集尘效率关系曲线 在开始使用时，压力损失要高于普通滤料，但在投入运行后，压力损失随使 用时间的增加变化却不大，而普通滤料的压力损失会随使用时间的延长而越来越 大。覆膜滤料表面极其光滑，粉尘剥离性能十分良好，能提供更高的通风昔， 使滤料较长时间内可以在低阻力状态下运行。 ( 3 ) 过滤速度大 覆膜滤料阻力低、表面稳定，过滤速度快。 ( 4 ) 应用范围广 微孔薄膜与各种不同的基布覆合后，具耐酸碱、耐高温、耐高湿( 特别是对 吸湿性强、易粘黏结硬化的粉尘具有良好的剥离性) ，适用于各种工业粉尘净化 冶理和物料回收。 东北大学硕士论文 第一章绪论 ( 5 ) 运行费用省 普通滤料在使用中粉尘很容易进入到内部，而且越积越多，直到将孔隙堵死、 导致不能继续使用。而使用覆膜滤料，粉尘很容易从膜表面清除，清狄效果好， 周期长，降低了产品的运行费用。运行能耗少，维修工作量和备件等的费用少。 ( 6 ) 使用寿命长 由于滤袋内外压差降低，粉尘不与基布接触，减少了磨损，滤料结构稳定， 滤袋寿命的延长，使设备维护成本降低，大大提高了滤袋使用寿命。 ( 7 ) 过滤形成的粉尘层易剥离，滤袋透气性好 与一般滤料捕获方式不同，由于覆膜滤料是靠薄膜捕获粉尘微粒，粉尘层只 形成在滤布薄膜的外侧，粉尘层与滤布的粘结力小，易于剥离，在无外力作用下， 靠自重就可脱落，若在反吹风的作用下，就可将其完全彻底清除掉。这也得益于这 种薄膜材料的疏水性。 图卜2 两种过滤材料的过滤原理图 ( 8 ) 更高的气布比，可设计采用更小的除尘器眦3 。 东北大学硕士论文第一章绪论 1 3 3 覆膜滤料综合使用的实际效益和价值 ( 1 ) 低系统压降差。袋式除尘系统的压降大小主要取决于滤袋的压降差，降低压 差能够节省电耗量，提高系统的通气量，提高系统的生产能力，降低除尘设备的操 作成本。 ( 2 ) 提高系统的通气量，提高产量，降低粉尘对系统的堵塞现象，减少对系统的维 护费。 ( 3 ) 在某些场合下，某些覆膜滤料对于低于l o r eg m 1 的排放量，减少排污费， 改善工人的工作环境和大气状况。 ( 4 ) 延长滤袋的使用寿命，降低滤袋购置费，减少系统停机更换滤袋次数，提高系 统的生产量，降低除尘设备的操作成本。 1 4 结露的危害、机理及影响因素 1 4 1 结露的分类及其产生的机理 结露是由于物体表面温度低于周围环境温度，物体表面水分的饱和蒸汽压低 于周围环境的蒸汽压，从而引起水分向物体表面聚集，并以微小的水珠形式析出 直至成为大水珠滴下。 结露现象发生位置不同，将其分为两类：内部结露、外部结露。 内部结露：在气动系统运行过程中，压缩空气的突然膨胀使其温度急剧下降， 如果该温度达到当时条件下的结露温度，则包含在其中的部分蒸气会凝结为液态 的水滴。在排气过程中，一些水滴会随着压缩空气进入大气，如果随压缩空气排 出系统的水滴的质量小于由这些压缩空气凝结出来的水滴质量，就有一部分水滴 留在系统中，使系统中水和水蒸气的含量之和增加。如此不断积累的结果使系统 出现内部结露。 外部结露：在系统运行过程中，压缩空气的温度随着系统排气而急剧f 降， 导致系统元件温度的下降。使元件的外表面温度低于环境温度，如果该温度达到 外部空气的露点温度，则在元件外部出现水滴，形成外部结露”3 。 8 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 4 2 除尘系统的结露及危害 某些工艺过程中生产的含尘废气( 或烟气) 往往是有一定含量的水蒸气，如 果在除尘系统的设计过程中不采取相应的措施，运行时一旦烟气温度低于其露点 温度，除尘系统就会出现结露现象。当结露严重时，灰尘粘结在一起，堵塞除尘 管道和除尘器，甚至使除尘系统无法正常运行或根本不能运行。尤其是些高温 烟气，产生结露的可能性更大。例如，如果用袋式除尘器除尘，会在滤袋上形成 密实的硬块，使滤袋失去过滤作用，甚至破坏滤袋，大大缩短滤袋寿命，轻者也 能使滤袋上的附灰和灰斗内的积灰变潮，造成滤袋清灰困难，灰斗内的积灰流动 性交差，排出不畅，形成堵塞“。 1 4 3 影响结露现象的主要因素 ( 1 ) 压缩空气压力、压缩空气温度、压缩空气和环境空气结露点温度的影响。 ( 2 ) 环境温度的影响。 ( 3 ) 系统材质及元件尺寸的影响。 ( 4 ) 负载的影响。 ( 5 ) 烟气中水分的含量3 。 1 5 解决结露的措施 1 5 1 玻璃的防结露机理 润湿是固体( 或液体) 表面上的气体被液体取代的过程。根据取代的程度不同 润湿可以分为沾湿、浸湿、铺展三种类型。玻璃的防雾结露机理，即是使固体表 面的液体铺展在表面上。因为洁净玻璃的表面张力是很高的，洁净玻璃的表面即 使沾染液体也是能马上扩展开的。但是由于玻璃暴露在空气中，空气中的悬浮有 机物就会沉降在玻璃表面形成一层有机膜，大大降低表面张力而改变了润湿性。 玻璃防雾结露的本质就是要提高玻璃表面张力，使液滴尽量铺展开，这就要消除 玻璃表面的有机物，增大表面张力以达到防结露的目的“。 东北大学硕士论文第一章绪论 1 5 2 传统的解决方法 防止除尘系统结露，就须把烟气的温度控制在高于露点温度，常用的方法有 保温法、直接加热法、间接加热法。保温法就是通过对除尘系统的管道或除尘器 进行保温，以控制高温烟气的温降，使除尘器内的烟气温度高于其露点温度：真接 加热法是向除尘系统内混入热风加热烟气：间接加热法是在除尘系统的管道e 设 伴热管或在除尘器的外壁面( 或内部) 设盘管加热，以提高烟气的温度。这些方法 都是从系统温度的角度来防止结露的，但形成结露的原因往往比较复杂，对不 同种类、不同含湿量的烟尘其结露点也不尽相同。且加装这样一套温度控制系统 会大大增加整个系统的成本“。 1 5 3 本课题解决结露措施的基本原理 本课题研究的目的是“抗结露覆膜滤料”的研制开发。在系统运行当中，不 必过多的考虑系统各部分的温度，由于滤料表面覆有薄膜，这种薄膜表面光滑且 呈疏水性，即使形成结露也不会“侵入”滤料组织内部，这样就给除尘滤料增加 了一个完美的保护层( 当然，利用覆膜滤料结合传统的防结露方法也可以成为今 后的研究方向) 。 覆膜滤料由覆膜和滤料两部分组成，覆膜是一种涂层剂喷涂在滤料表面，并 通过在凝固浴中浸泡、在微波炉中烘干，使其彭化成一种具有多微孔性的薄膜。 为了不影响整个系统的运行阻力，在应用中尽可能的维持滤料较高的孔隙率、保 证良好的透气性，使得烟尘流畅地从其表面通过，以减小滤料的动态阻力。但形 成的结露水滴必须拒之表面以外。在除尘的过程中，由于常规滤料的除尘效率相 当高，能达到9 9 9 9 以上。加之本课题研制的微孔薄膜，不但起到过滤截尘的 作用，更主要起到防结露的作用。这样就充分的利用了二者的优点并使其充分 的结合达到所设计要求。 在工作中，气体分子可以顺利的通过薄膜的表面，而灰尘颗粒则被截留下柬； 那么水气分子将会怎样呢? ( 1 ) 在温度较高、水气分子在烟尘中没有达到饱和量的情况下，水分子以气态 1 0 东北大学硕士论文第一章绪论 的形式顺利的通过滤料表面，并不会滞留在滤料当中，对于滤料的除尘过程不能 造成任何不良影响。 ( 2 ) 在湿度较大的粉尘气体中，水分子由于遇冷凝结成小水滴，随着粉尘颗粒 一起运动。当到达覆膜滤料表面处，便形成结露。由于薄膜及疏水剂的作用，小 水滴被停留在滤料表面，不会渗透到滤料内部，小水滴越聚越多，最后形成大水 滴。在重力的作用下，大水滴从滤料表面脱落。在工作停止后，只需对滤料表面 部分做清灰、擦拭，便可清理滤料，延长其使用寿命“。 1 5 4 抗结露的覆膜滤料的优点 ( 1 ) 滤料表面疏水效果好： ( 2 ) 清灰效果好，清灰机构简单： ( 3 ) 布袋用抗结露布加工而成，使用寿命长 ( 4 ) 不必采取保温措施，除尘器即使冬季置于露天，也不会出现结露现象，前j 袋 不会潮湿糊死： ( 5 ) 可处理高浓度或高湿度含尘气流3 。 1 6 本课题研究目的及内容 进入2 1 世纪，我国烟气净化和工业除尘技术面临新的挑战，同时也有新的机 遇。除尘技术有了长足进步，袋式除尘技术的发展尤其迅速，采集微细粒子、降低 排尘浓度、降低造价、降低能耗、扩大应用领域，是总的发展趋势。目前，我国 用于除尘器上的滤料主要是纤维滤料、玻璃针刺毡、工业涤纶滤布、涤纶针刺毡、 玻璃膨体滤布等几种。 1 6 1 课题的提出 随着环境保护对烟尘治理的要求日益提高，国内外对袋式除尘器的应用也越 来越广泛，作为袋式除尘器的核心部位滤料结构已成为普遍关注的关键所在。目 前国内已有多种滤料材质供选择，且得到了广泛的应用。尽管如此，在我国仍存 东北大学硕士论文 第一章绪论 在空白和不足之处，如在能形成结露现象的烟尘处理措施上，我国目前还没有能 适应这类烟气处理的滤料。对于处理这类烟气的滤料主要靠进口，但进口的滤料 从价格来说相当昂贵，所以并没有得到广泛应用。由于除尘器结露，滤袋很快会 产生的淤积、会导致滤袋结块或蚀烂，且不易清理，滤袋使用寿命降低。同时会 增加系统的运行阻力，能耗大大增加，在多数场合下往往使运行成本增加了8 到1 0 倍以上，严重时会使整个系统处于瘫痪状态。针对这一缺陷，本课题主要 的研究方向是“固一气分离”领域当中的“抗结露覆膜滤料”为目的进行了系统 的实验研究。 1 6 2 本课题的主要研究内容 ( i ) 疏水剂及聚氨酯是配制薄膜试剂当中的两大主要试剂，在研究中做三项交 叉实验，分别讨论疏水剂、聚氨酯对覆膜滤料清湿性、透气度及运行阻力有什么 样的影响。从中得到某些规律，找出一个最佳的试剂配比配方。 ( 2 ) 在研制出成品后，通过一些常规性的滤料检测实验，来加以论证这种防结 露覆膜滤料的各项技术指标是否符合国家要求。 东北大学硕士论文第二章滤料覆膜的研究 2 1 实验方法 第二章滤料覆膜的研究 2 1 1 涂膜基布的特征及选择 选择高强7 2 9 平纹滤布作为复合过滤介质的基布，和其它合成纤维相比，高 强7 2 9 平纹滤布的成本较低，吸湿率小，耐酸碱性好；这种滤布的表面很少有细 小的羽毛，如果薄膜与长丝基布粘结牢固，那么薄膜与短丝织物问的粘结也不成 问题。此外高强7 2 9 平纹滤布表面相对平整，斜纹布和缎纹布表面有明显突出的 经纬组织点和由此产生的斜向纹路，因此选用长丝平纹织物即可以增加涂层与基 布粘结的牢固性，还可以减少涂层剂的用量。 由于复合过滤介质的力学性能主要由基布来保证，而加工成复合滤布单位面 积的质量越轻越好，所以在选择基布时即要保证覆合介质具有良好的力学性能， 又要使介质尽可能轻薄“”。 2 1 2 涂层剂的制各 纺织品涂层整理剂又叫涂层胶，是一种均匀涂布于织物表面的高分子类化合 物。它通过粘合作用，在织物表面形成一层或多层薄膜，使织物改善外观和风格， 增加附加功能，例如防水、透湿、阻燃等特殊功能。早在二千多年前，古代中国 人民就已经将生漆、桐油等天然化合物涂于织物表面，用于制作防水布。时至近 代，出现了性能优越的多种聚合物类涂层胶。自70 年代以来，科研工作者通过 改性涂层内部结构和改进涂层加工方法等手段研制出了一系列织物涂层胶。近年 来，功能型涂层胶和复合型涂层胶也发展较快。 研究表明，且前能用于织物涂层的有机高分子材料有许多种，如聚氨酯、聚 丙烯酸酯类、聚氯乙烯、聚四氟乙烯树脂和橡胶等。 在本实验中，所选用的药品及试剂为：硅油疏水剂、聚氨酯弹性体、二甲基 1 3 东北大学硕士论文第二章滤料覆膜的研究 甲酰胺和乙二醇甲醚。 2 1 3 制膜加工 凝固涂层加工方法简单，成孔率高，产品性能优异，是国内外公认的高档次 涂层织物的加工方法。这种方法虽然起步较晚，但发展速度很快。凝固涂层，又 称湿法涂层，它的特点是在凝固浴中凝固成孔，生成多孑l 薄膜，再利用转移涂层 的短时间加热使聚合物涂层呈凝胶态而牢固的粘结基布上，所以本复合薄膜滤布 既有大量微孑l 又不易和基布分离。制膜工艺共分为以下四步： ( 1 ) 试剂的制备 首先将聚氨酯弹性体至于烧杯中，然后配入一定比例的二甲基甲酰胺溶剂。 将烧杯至于酒精灯上加热，待聚氨酯全部溶解后停止加热，静置5 分钟加入2 0 的成孔剂( 聚乙二醇甲醚) ，配制成胶体，再不断的搅拌，成为均匀的涂料胶。 ( 2 ) 涂层 目前国内外所开发的微孔薄膜复合过滤介质均属于涂层织物，涂层是纺织工 业中一种用途广泛的织物处理方法，主要用来加工一些特殊功能性织物材料。织 物经涂层后，涂层剂在织物表面形成连续的薄膜，独立承担某种功能。 广义地说，凡是在织物表面复合薄膜的过程，都可称之为涂层，这种覆合材 料则为涂层织物。目前涂层的方法主要有直接涂层、转移涂层、凝固涂层和层压。 直接涂层是将涂层剂直接涂覆到织物上并经过烘干处理的一种工艺，所用的涂层 剂分为溶液型、乳液型、乳液泡沫体型、增塑糊型和被有机溶剂稀释的增塑糊型。 转移涂层是将涂层剂涂到片状载体上使它形成连续、均匀的薄膜。然后再在 薄膜上涂黏合剂和织物叠合，经烘干和固化，把载体剥离，这时薄膜就会从载体 转移到织物上。因此，涂层剂、载体( 离型纸) 和基布是转移涂层的三个组成部 分。 凝固涂层又称湿法涂层，它与直接涂层和转移涂层最大的差别是前者在凝固 浴中成膜，后二者在烘干中成膜。当涂层较厚时，烘干成膜后容易使膜表面产生 较多的突体而影响产品质量。凝固浴法加工方法简单，成孔率高，产品性能优异， 1 4 东北大学硕士论文第二章滤料覆膜的研究 是国内外公认的高档次涂层织物的加工方法m 。 由于此项实验中的试剂浓度比较稀，笔者尝试出了另外一种涂层工艺一喷 涂法。喷涂法类似于汽车工艺中表面喷漆，它是将配制好的试剂倒入喷壶中，借 助外力将试剂以雾状的形式均匀的喷涂到滤料的表面，由于此法实在实验室条件 下进行的，是否能够广泛的推广和应用还待今后加以考证。 ( 3 ) 凝固液中成孔 孑l 隙特征是微孔薄膜的重要特征，主要是指薄膜的孔径、i l 隙度孔径形状。 薄膜孔隙是在涂层剂凝固成膜的同时产生的。其成孔过程一般经过以下几个步 骤： 涂层表面的溶剂首先向凝固浴中扩散，凝固浴中水的比例越高扩散速度越快。 在涂层中的溶剂与凝固浴中的水进行双向扩散的同时，以t p u 为主要成分的 涂层转变成凝胶状态。 随着双向扩散的继续进行，涂层由凝胶状态转变成连续的固体沉淀薄膜。 固体薄膜脱液收缩，其内部形成了无数充满溶剂和水的微孔。薄膜经过后期的 水洗、烘干，除去内部残留的溶剂和水，即形成多孔薄膜。 凝固浴温度对控制涂层中的扩散速度具有一定的作用，直接影响着薄膜的孔 隙特征和力学性能【2 1 。 ( 4 ) 覆合布的烘干 涂层凝固成膜和经水漂洗后，必须经过烘干处理。烘干主要是为了将薄膜内 的水分蒸发出去，使薄膜进一步固化定型。 在这一工艺过程中，本研究采用的是微波烘干法。 微波技术最早出现在1 9 世纪末期，当时的人们对它只用做距离上的测量， 随着时代的进步和科技的发展，微波在各个领域中其到了举足轻重的作用，从航 空到航海、从医学到军事，神州五号的成功发射其中也得益于微波技术，一百年 后的今天已经逐步地走进了千家万户。 东北大学硕士论文 第二章滤料覆膜的研究 应用微波烘干法相对来说具有如下的优点 烘干速度快。 成孔率高、孔隙度发达。 加工时间短。 但是此法也存在不足之处，它无法使微波炉内部的物质保持在一种恒温的状 态，所以在实验过程当中，必须严格、仔细地控制内部滤料的状况。 2 2 涂层剂的筛选 聚氨酯和疏水剂是覆膜滤料的两大主要试剂，这两种试剂对覆膜滤料的性能 ( 如疏水性、透气性和运行阻力) 会产生什么样的影响呢? 本章将针对这一问题 加以探讨和研究。 涂层剂是一种能成膜的合成高聚物。随着涂层技术的加速发展，对涂层剂的 选择越来越重要。目前涂层剂的种类繁多，主要按化学结构和反应性能进行分类。 按化学结构分类：包括聚氨酯类、聚丙烯酸酯类、聚氯乙烯类、聚四氟乙烯类树 脂和橡胶等。其中以聚氨酯和聚丙烯酸酯两类涂层剂应用最为广泛。 ( 1 ) 聚丙烯酸酯类涂层剂 聚丙烯酸酯是不同的丙烯酸酯单体的共聚物，聚丙烯酸酯类涂层剂的性能随 共聚单体的结构而变化，涂层薄膜的弹性随共聚单体中烃基( r ) 碳原子数的增 大和r 碳原子数的减少而增强。在共聚单体中引入丙烯酸、丙烯酰胺和丙烯磺 酸钠等可改善涂层剂的溶解性能，n 一羟甲基丙烯酰胺、丙烯氰和丙烯酰胺等反 应性单体的引入，可提高涂层剂的反应性及涂层薄膜的强度和耐沈性。根据涂层 产品的要求可选择适当的共聚单体及其组成3 。 聚丙烯酸酯类涂层剂的涂层薄膜的弹性和柔韧性较聚氨酯类涂层剂差，手感 较硬，但合成方便，是重要的涂层剂之一。 ( 2 ) 有机硅弹性体 东北大学硕士论文 第二章滤料覆膜的研究 有机硅弹性体是聚硅氧烷类的高分子化合物，在聚硅氧烷的主链上含有反、v 性基团一o h 、c h c h 一等。通常在催化剂作用下，通过交联剂的作用，可形成 具有良好弹性和耐洗性的有机硅涂膜，改善了涂层织物的撕破强度和耐磨性，但 膜的粘结性能较差，通常和其它涂层剂并混使用1 。 ( 3 ) 聚四氟乙烯涂层剂 聚四氟乙烯微孔薄膜的制备技术尚处于专利保密阶段。据介绍，是将微细粉 末的聚四氟乙烯树脂，加热到熔点( 3 2 7 ) 以上，使之成熔融而尚未烧结成薄 膜时，立刻将其迅速拉伸成纤维状的微孔薄膜。 滤料覆膜有助于提高自身的疏水性，为除尘器在潮湿条件下工作防止团结露 造成滤袋结垢而失效创造了一定条件。 ( 4 ) 聚氯乙烯涂层剂 聚氯乙烯分子式可简写为一 c hz c hc 1 。一。由于它在自然环境中稳 定性很低，因此使用时必须添加稳定剂。防止活性基团的生成。它主要用f 塑料 溶胶工艺。其优点是价格便宜，透明性非常好，可用熔接法缝制，具有耐燃性和 抗药品性、耐磨损性欠佳。 ( 5 ) 聚氨酯类涂层剂 聚氨酯，全名为聚氨甲基酸酯，是多元异氰酸酯类化合物和含有活泼氢的聚 醚或聚酯醇类化合物而成的高分子化合物，是性能优良，应用广泛的一类涂层剂。 特点是在聚合物主链上有重复出现的聚氨基甲酸乙酯基，常用“p u ”表示，是发 展较晚而性能较好，应用广泛的一种高分子材料，“p u ”凝聚力很高，是其他各 类涂层剂( 如聚氯乙烯树脂、聚丙烯酸酯等) 所不及的口。 东北大学硕士论文 第二章滤料覆膜的研究 图2 - i 聚氨酯涂层荆薄膜的表面结构( 3 0 0 0 x ) 聚氨酯可用作各种衣料的涂层剂，由于聚氨酯类涂层剂是聚酯( 或聚醚) 醇 柔性链段嵌段共聚的高聚物，硬段和软缎的配合，使聚氨酯涂层剂结成的膜的强 度和弹性都很优越。 居于上述优点，在此项实验研究中，将采用聚氨酯作为涂层剂。 2 3 聚氨酯涂层的成膜机理 根据聚氨酯合成所用长链的多元酵来分，用聚酯多元醇作原料合成的为聚酯 型聚氨酯，用聚醚多元醇作为原料的为聚醚型聚氨酯。其性能区别见表2 - i 表2 - i 聚醑型及聚醚型试剂性能区别 本研究采用的聚氨酯涂层剂主要是溶剂型的，其中以单组分( 作为涂层剂用 于加工时，不需加交联剂即可成膜) 为主，为聚酯型聚氨酯弹性体( t p u ) 。t p u 是由二异氰酸酯与二元醇聚合而成的。 东北太学硕士论文第二章滤料覆膜的研究 t p u 是一种典型的多嵌段聚合物，具有a b a b a b 的嵌段结构，嵌段由柔 软的二元醇链和带有氨基甲酸酯基的刚性二异氰酸酯链组成。因此这种嵌段结构 可以分为嵌段区和硬段区，软缎部分及易运动，通常以缠卷状态与共性的硬段交 替存在于t p u 分子链中m 1 。 2 3 1 成膜机理 聚酯型聚氨酯涂层剂的分子量比较高，难溶解在一般的有机溶剂中，但可 溶于二甲基甲酰胺等极性大的有机溶剂。其中二甲基甲酰胺( d m f ) 是通过氢键 使聚氨酯分子链上的硬段溶剂化，从而解开分子链之间的硬段形成结点，使整个 分子链处于良好的溶解状态。涂膜后，经过微波烘干过程，让有机溶剂蒸发，聚 氨酯在溶剂挥发后，硬段部分相互靠拢，生成氢键。形成结点，使分子链之间不 能相对滑动，而软缎则柔软的卷曲与硬段配合，使聚氨酯涂层剂形成微孑l 薄膜， 微孔薄膜的强度和弹性都很优越“。 2 3 2 t p u 浓度对微孔薄膜性能的影响 将t p u 溶于二甲基甲酰胺，配成不同浓度的溶液，分别为2 0 、2 5 、3 0 、 3 5 、4 0 、4 5 、5 0 的t p u 溶液。用各种浓度的涂层剂涂于滤料表面，制成不同 浓度的样品进行检测。 由于滤料表面涂上了一层薄膜，那么势必将会对滤料的透气性及其阻力产生 负面的影响，但是它会对滤料的疏水性及抗结露产生积极的作用。同时，尽管总 7 l 隙率有小幅下降，但是由于孔径大大减小，提高了滤清空气的质量。 4 聚氨酯浓度对薄膜的影响 本课题研究的重点就是在于覆膜滤料能否有效的处理含湿气体。由于烟尘中 含湿量大，容易在滤料表面上形成结露，结露使滤袋很快会产生的淤积、会导致 滤袋结块或蚀烂，且不易清理，滤袋使用寿命降低。同时会增加系统的运行阻力， 能耗大大增加，运行成本增加了8 到1 0 倍以上。但如果在滤料表面涂上一层聚 东北大学硕士论文第二章滤料覆膜的研究 氨酯涂层，且含有疏水剂就可能很好的解决上述问题。 对于覆膜滤料，聚氨酯是其中主要试剂之一，那么它在试剂中所占比例0 i 同 会对滤料的性能造成什么样的影响呢? 本节将对以下三个方面进行研究清 湿效率、透气度及运行阻力。 2 4 1 聚氨酯浓度对清湿效率的影响 清湿效率在本研究中是反映滤料覆膜后，其疏水效果及憎水性好坏的一个指 标( 样见3 8 节) 。由于聚氨酯溶解在二甲基甲酰胺中，喷涂在滤料表面以后， 经过烘干、成孔剂的作用，便形成了一种光滑、结实的薄膜，并在滤料表面一h 形 成了大量细小的微孔。聚氨酯在二甲基甲酰胺中的浓度越高，形成的薄膜越致密。 表2 - 2 聚氨醌浓度对覆膜滤料清湿效率的影响( 其中添加疏水剂为1 5 ) 聚氨酯浓度( ) 02 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 ；o 清湿效率( )1 4 8 7 9 6 9 8 9 7 9 9 9 9 9 9 1 0 0 8 0 水 i 6 0 蓄4 0 烬 2 0 图2 - 2 清湿效率曲线 但是，在通过对除尘效率的测试中，我们可以看出，相对覆膜滤料的阻力来 说，不同聚氨酯的浓度对于清湿效率的影响并不是十分的明显。聚氨酯的浓度从 慨 6)! 蕃黻酯 一 雠飘 一 册 一 喜耄 一 _ 1 加 l l 东北大学硕士论文第二章滤料覆膜的研究 2 0 5 0 变化过程当中，清湿效率仅提高了5 6 个百分点，而滤料的阻力通过 计算却提高了4 2 个百分点( 参见2 4 3 节) 。 2 4 2 聚氨酯浓度对透气度的影响 滤料两侧存在压差时，将其通透空气的性能称作织物的透气性。为了表示透 气性的程度，采用透气度进行定量度量。透气度是指在滤料两侧施加1 2 7 p a 压差 时，单位时间、流过滤料单位面积的空气体积。纺织行业采用单位为m 4 ( m ! , m i n ) 。 滤料的透气度因滤料的结构形式和密度大小而异，它也是表示洁净滤料阻力 特性的一个指标，但它大于实际工作条件下滤料透气度的一个数量级，一般过滤 材料在具有同等过滤效率时，透气量越大越好，因为这意味着可以节省大量的能 源，在使用气流反吹清灰的除尘器中，在采用相同压力、相同风量的气流进行清 灰时，选用透气量大的那种覆膜滤料做滤袋时的清灰效果，要好于选用透气量小 的覆膜滤料。 表2 - 3 聚氨醣浓度对透气度的影响( 疏水剂浓度为1 5 ) 1 1 0 1 0 5 一 i 1 0 0 9 5 一 奄9 0 8 5 8 o 1 一一 01 02 03 04 0 5 0 聚氨酯浓度( ) 图2 3 聚氨酯浓度对透气度的影响 2 1 6 0 东北大学硕士论文第二章滤料覆膜的研究 由于滤料表面覆有聚氨酯涂层，使的表面的孔隙致密而结实。和普通常觇滤 料相比它的透气小一些，并且从图中来看透气度的变化要和