（环境工程专业论文）微孔薄膜复合过滤介质的开发.pdf

f 0 砖 硝 nl蔫曲o 苇 ad i s s e r t a t i o ni ne n v i m n m e n t a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nd e v e l o p m e n to fc o m p o s i t e m i c r o m e m b r a n ef i l t e rm e d i an 僵l c r 0 m e md r a n e 量il l t e r 上v l e n l a b yl i u j i n g s u p e r v i s o r p r o f e s s o rx i ux i n y a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 独创性声明 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 不包含其他人己经发表或撰写过 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己在论文中作了明确的说明并表示谢 亡巴 思 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留 使用学位论 文的规定 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索 交流 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年白一年口一年半口 两年7 学位论文作者签名 别穆 i 签字日期 驴譬 7 午 导师签名 弘事加 签字日期 d 铲 7 些 纷 酣 弘 c 卜 1 名 签 汐 者作 文 期 位学 日 e f 1 摘要 微孔薄膜复合过滤介质的开发 摘要 f l 二 机织过滤介质是过滤分离领域应用最广泛的一类过滤介质 在过滤过程中这类介质 i 极易被污染 严重影响了设备的正常运转 介质的使用寿命也明显缩短 微孔薄膜复合 i 过滤介质是一种具有良好防污性能的过滤介质 这种介质由微孔薄膜和基布组成 薄膜 具有良好的弹性 能完全匹配基布的各种力学性能 且与基布粘合良好 薄膜孔径可以 人为控制 且孔隙度较高 根据机织过滤介质污染的研究结果和目前预防介质污染的措施 从我国机织过滤介 质的实际情况出发并针对这类过滤介质的一些不足 开发一种新型的微孔薄膜复合过滤 介质 首先 参考目前国内外织物涂层的性能发展 选择适当的基布 涂层剂以及涂层方 法 结论是基布采用丙纶斜纹机织过滤介质 涂层剂为聚酯型聚氨酯弹性体 1 1 p u 采用凝固涂层法加工微孔薄膜复合过滤介质 其次 对不同制膜条件下微孔薄膜复合过滤介质的过滤性能进行了研究 制膜条件 包括不同的t p u 浓度 凝固浴中溶剂d m f 与水的不同配比 不同的凝固温度 烘干温 度等 结论是t p u 浓度越大 凝固浴中溶剂比例越高 凝固浴温度越高 烘干温度较 低时 薄膜的孔径及孔隙度越小 过滤速率亦随之变小 另外 为了使薄膜的孔径及孔隙度较高 在选择适当的制膜条件下 采用添加辅料 乙二醇 的方法来进一步改善薄膜的空隙特征 以达到流体透过性良好的目的 该介质可以广泛应用于选矿和环保等领域的过滤过程中 具有抗阻塞能力强 使用 寿命长和过滤效率高等优点 可在浮选铁 铜和金精矿的过滤过程中取得令人满意的 性能 关键词 过滤介质微孔薄膜透水速率孔径 l 确 c i f 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nd e v e l o p m e n to fc o m p o s i t em i c r 0 m e m b r a n e f i l t e rm e d i a a b s t r a c t w o v 吼f i l t 贸m d i ai so n eo f 1 em o s tp o p u l a rf i l t e rm e d i 舔璐e di nm ef i e l do ff i l 仃a t i o n a n ds e p 瑟a t i d 砸n gf i l 仃a t i o np r o c e s s 也em c d i a s1 i k d i h o o do f b c i l 唱p o l l l i t c di s1 1 i 曲 w h i d ls e v e r e l y 孵 e c t st l l en o n n a lo p e r a t i o no fc i 嘶c e s b e s i d 舔t l l a tm es e r v i c el i f eo fm e m e d i ai ss h 嘣e n e da p p a r e m l y 嬲w d l c o i n p o s i t em i c r 0 一m 朋曲啪e 矗l t e rm e d i ah 嬲al l i 曲 a n t i f o u l i n gq u a l 埘 i ti sn l ec o m p o s i t eo fm i c r 0 m 锄曲r 锄e 觚db 弱ec 1 0 m b c c a u s e o fn l e 丘n ee l 弱t i c i t r n l em 印曲r a i l ec 0 试dm a t c ha l lk i n d so fm e c h 越c a lp r o p e n i 懿o f l eb 勰e c l o m 锄dp m 讥d e9 0 0 da d h e r i n gt 0n l cb 弱ec l o n l i ti sf a d l et 0c d n 仃d lm ep r ed i a m e t e r o ft l l em i c r 0 m 锄b f 锄e a n d 吐l ep o r o s i t i sl l i g h b a s e do nt l l er e s e 疵h0 n1 0 u l i n gp r o c c s so fw o v 吼f i l t e rm e d i a 雒d 他伽删nm e 锄so f 锄 t i f l o u l i i l g an e wk i n do fc o m p o s i t em i c m m 即m 舳ef i l t e rm e d i ai sd e v e l o p e d w m c h a l s 0c o n s i d e r e dd o m e s t i cs i t u a t i o no fm ew o v 饥f i l t e rm e d i a 锄dm ed e f i c i e i l c yo fn l et l l i s l i n do f m e d i a f i r s to f a l l n 圮r i g h tb a s ec l o t l l c o a t i n ga g e n t 觚dc o a t i n ga p p r o a c ha r cd e t e n n i n d a a c 0 池g t 0p f 骼e n td e v e l o p m e n to ff a b r i cc 0 撕n gp e r f 0 衄觚c ea th o m ea n da b r o a d i ti s i i l d i c a t e d 廿l a t 圮f i 鹏p r o c 鹤so fp r o d u c i i l gc o m p o s i t em i c r 0 一m 觚l b 姗ef i l t e rm e d i as h o u l d b e 删e d u g l lc o n c e r t i n gc 0 如g w i m 铆i l li l y l w o v e nf a b r i c 嬲b 鸽ec 1 0 m t p u 嬲c o a t i n ga g 饥t s c c o n d l y m ec h 甜a c t e r so fm i 啪 m e i m m ef i l t e rm e d i a u n d e rd i 邸b 呦tp r o d u c i n g c o n d i 6 0 ma r e 讪懿t i g a t e d 跚c h 弱t h ec o n c e 删o no f 也ct p u t h e 枷oo fw a t i 贸锄d c o a t i n gr e g 肌t i nc o a g i l l 撕 b a m m e 妇n p 锄t l l o fc o a g l l l a t i b a m 雒d 蜥n g t 铷p 啪t l 鹏 t h e 啪d l l s i o ni s m a tl l i 曲e rt p u 枷oo fr e g 饥t c o a 则a 廿o nb 柚 t 印叩a a t u r e l o w e r d r i n gt 1 p 贸a t u r e 锄a l l e rp o r ed i 锄c t 盯 w i l lg e tl o w e rp 锄酬 r a t e 1 1 l i r d l y 嬲t 0i i l c r c 弱en l ep r cd i 锄e t 盯觚dp o r o s i 哆o f l em i c 吨1 即m 砌e t h r o u 曲a d d i n ge x c i p i e n t 鲫c h 弱g l y c 越 m em 踟i b 姗e sc h 嬲l c t 粥c 雒b c 岫v e d i i i i 户 东北大学硕士学位论文 a b s 恤c t n l a t 廿l ep 锄朗b i l i 锣o f l ef l u i d 阳u l db ei n c r e 嬲c du i l d e r 跚i 讪l em 伽曲r 雒e m a l i n g c o n d i t i o n s 1 1 1 i sk i n do fm c d i ac 趾b eu s c dw i d e l yd u r i n gf i l 仃a t i n gp r o c e s si nd i f j f 酿e n t 撇嬲跚c h 鹤 m i n e r a lp r o c 骼s i n g c h 锄i c a le 1 1 酉n e 嘶n g a l l de n v i r o 1 1 1 i l t a lp r o t e 以o n b e c a 邺eo fi t s h i 曲q 砌时o f a 1 1 t i o b s 仃u c t i o n l o n gs e el i f e 锄dh i g l lf i l 缸 a t i o ne 伍c i c y i ta l p e r f 0 1 m sw e l ld u r i n gt l l ef l o t a t i o no fi r o n m ef i l 仃a t i o np r o c e s so fc o p p e ri r o n 觚dg o l d c o n c e n n a t e1 n i n e r a l k e y w o r d s f i l t e rm e d i a l i l i c r o m e m b r a n e p e r m e a t i o nr a t e p o r ed i a m e t e r 确 l 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创性声明 i 摘要 i i a b s t r a c t i i i 目录 v 第一章绪论 1 1 1 微孔薄膜复合介质研究概况及方法 l 1 2 涂层技术 2 1 2 1 直接涂层 2 1 2 2 转移涂层 2 1 2 3 热熔剂层 3 1 2 4 粘合涂层 3 1 2 5 层压工艺 4 1 2 6 凝固涂层 4 1 3 涂层剂的种类 5 1 3 1 聚氨酯类涂层剂 5 1 3 2 聚丙烯酸酯类涂层剂 6 1 3 3 有机硅弹性体 6 1 3 4 聚四氟乙烯涂层剂 6 1 3 5 聚氯乙烯涂层剂 7 1 4 复合过滤介质的发展动态及研究现状 7 1 5 实验基础理论 8 1 5 1 过滤基础理论 8 1 5 2 过滤方程 9 1 5 3 流体透过机织过滤介质的基本理论 1 0 1 6 本课题的来源背景与研究目的和意义 1 2 1 6 1 课题来源 12 东北大学硕士学位论文 目录 1 6 2 课题背景 1 2 1 6 3 研究目的 1 3 1 6 4 研究内容 1 3 第二章实验材料及涂层方法的选择 1 4 2 1 基布结构特征及其选择 一1 4 2 1 1 机织过滤介质的纱线类型 1 4 2 1 2 基布的组织结构 1 4 2 1 3 基布材质的物理性质 15 2 1 4 基布的选择 16 2 2 涂层剂的选择 1 6 2 3 涂层方法的选择 1 8 2 4 聚氨酯的凝固和成孔的机理 1 8 第三章实验材料与方法 2 2 3 1 实验材料 药剂 2 2 3 2 实验装置与方法 2 2 3 2 1 涂膜及测试主要实验步骤 2 2 3 2 2 微孔薄膜孔径的测试 2 2 3 2 3 单位面积薄膜质量的测定 2 3 3 2 4 透水实验 2 4 3 3 试验所用的其他设备 2 5 第四章实验结果与讨论 2 6 4 1 r p u 浓度对复合过滤介质 m f m 过滤性能的影响 2 6 4 1 1 试验条件 2 6 4 1 2 实验结果及分析 2 6 4 2 凝固浴中d m f 含量对m f m 过滤性能的影响 2 8 4 2 1 试验条件 2 8 4 2 2 实验结果及分析 2 9 4 3 凝固浴温度对m f m 过滤性能的影响 3 0 4 3 1 试验条件 3 0 咱 一 东北大学硕士学位论文 目录 4 3 2 实验结果及分析 3 0 4 4 烘干温度对m f m 过滤性能的影响 3l 4 4 1 试验条件 3 l 4 4 2 实验结果及分析 3 2 4 5 烘干时间对m f m 过滤性能的影响 3 3 4 5 1 试验条件 3 3 4 5 2 实验结果及分析 3 3 4 6 添加乙二醇对m f m 过滤性能的影响 3 4 4 6 1 试验条件 3 4 4 6 2 实验结果及分析 3 5 4 7m f m 与w f m 的过滤性能对比 3 6 4 7 1 过滤压差对两种过滤介质过滤性能的影响 3 6 4 7 2 悬浮液浓度对两种过滤介质的过滤性能的影响 3 8 4 7 3 过滤次数对两种过滤介质过滤性能的影响 4 0 第五章结论与建议 4 2 5 1 结论 4 2 5 2 建议 j 4 2 参考文献 4 3 致谢 4 6 勾 l j 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 第一章绪论弟一早珀 下匕 1 1 微孔薄膜复合介质研究概况及方法 在固液分离领域 过滤是一种应用广泛的分离方法 1 1 4 1 它是利用多孔体把分 散于液相中的固体颗粒分离出来的 这种多孔体通常被称为过滤介质 f i l t c r m e d i a 由于过滤介质在过滤过程中起着非常关键的作用 因此过滤介质常被称为过滤机的 心脏 1 5 j 由于过滤的方式 设备和用途十分复杂 因而过滤介质种类也相当多 过滤介 质因用途各异 分类方法也不尽相同 例如按材质可以分为天然纤维型 合成纤维 型 无机非金属型和金属材质型四类 根据结构特征可以分挠性 刚性和松散性三 类 按照作用原理可以分为表层过滤型和深层过滤型 1 s 1 9 常规机织过滤介质 w f m 属于挠性过滤介质 是指将纱线按照一定的方式 编织而成的织物 常规机织过滤介质是使用历史较长 应用范围最广的一类过滤介 质 在过滤介质中占有很多的比例 广泛应用于化工 选矿 制药 染料 炼油 味精 冶炼 电镀等行业的过滤设备上 2 0 2 1 1 常规机织过滤介质的材质包括天然纤 维 动物毛及各种化学合成纤维 目前化纤类常规机织过滤介质在过滤介质领域占 据着统治地位 2 0 1 化纤类包括涤纶 维纶 腈纶和丙纶等 常规机织过滤介质的应用虽然广泛 但是在实践过程中也暴露了一些缺点 2 2 2 4 这些缺点主要有 1 空隙结构复杂 空隙尺寸不一 固体颗粒极易进入这些弯曲的空隙中对介质 造成污染 2 常规机织过滤介质被污染后再生困难 因而导致过滤速率减小 设备作业效 率降低 使用寿命缩短 3 常规机织过滤介质截留能力差 滤液浊度普遍较高 致使输送管道易于磨损 有价成分流失并对环境造成污染 针对常规机织过滤介质易被污染 多次过滤后过滤效率低 使用寿命短的缺点 研制一种新型高效防污过滤介质势在必行 东北大学硕士学位论文 第 章绪论 通过对机织过滤介质污染机理的研究 发现大幅度增大或减小介质的孔径都有 利于减轻介质的污染 而减小孔径 介质对流体的阻力会有很大的提高 但对过滤 指标的影响不是很大 由于机织机织过滤介质纱线间的形态是大口相对 小口相接 且大口朝外 固体颗粒极易进入这样的空隙并将其堵死 因此在机织过滤介质的表 面复合一层光滑平整的微孔薄膜 从而避免机织过滤介质与被过滤的固液两相体系 的直接接触 可减少机织机织过滤介质的污染问题 提高机织过滤介质的使用寿命 本课题所研究的微孔薄膜复合过滤介质就是涂层技术在过滤介质的研发中的具 体应用 所谓的微孔薄膜复合过滤介质就是将一层具有空隙的薄膜与常规机织过滤 介质复合到一起的新型过滤材料 1 2 涂层技术 目前主要的涂层技术有直接涂层 转移涂层 热熔涂层 粘合涂层 层压及凝 固涂层等几种 2 5 2 6 1 1 2 1 直接涂层 直接涂层 2 6 2 9 1 是将涂层剂通过物理和机械方法直接均匀地涂布于织物表面 然 后使其成膜的方法 将涂层剂溶于水或有机溶剂中 添加一定的助剂制成涂层浆 用涂布器直接均匀的涂布于织物上 然后加热烘干或焙烘 使挥发成分蒸发 涂层 剂在织物表面通过自身的凝聚力或树脂的交联作用 形成柔韧富有弹性的薄膜 直 接涂层操作方便 工艺简单 适用于各种涂层剂 是涂层工艺中应用最为广泛的工 艺方法 由于涂层剂有不同的品种和形态 直接涂层产品品种很多 一般可生产人 造革 防水帆布 地板革等 1 2 2 转移涂层 转移涂层 2 6 1 是将涂层济涂在片状载体 离型纸或钢带 上 使它形成连续的 均匀的薄膜 然后在薄膜上涂上粘结剂 与织物 或起毛织物 叠合 经过烘干和 固化 把载体剥离 涂层剂膜 包括粘结层 就会从载体上转移到织物上 膜的表 面也就带有离型纸的花纹 涂层剂 离型纸和基布是转移涂层的三个组成部分 涂 东北大学硕士学位论文 第一幸绪论 层剂包括皮层和粘结层 有的还包括发泡层 表皮层 基布是天然纤维或合成纤维 的机织物 针织物 它们的起毛织物 非织造布 离型纸有硅纸和聚丙烯纸等品种 可制成有花纹的 高光的 平光的 消光的产品 转移涂层是一个发展迅速的涂层工艺 应用聚氨酯涂层剂之后发展速度更快 其中最重要的原因是人类对天然皮革的需求 天然皮革是人类最早的御寒材料 历 经千百年而不衰 这一方面要归功于鞣皮技术的发展 另一方面也要归结于天然皮 革本身优异的性能和华丽的外表 天然皮革资源有限 仿制皮革是人们长期以来努 力的目标 转移皮革是在这方面获得满意结果的一个技术成果 目前 涂层组织在 外观上 纹理 光泽 触感等 已达到酷似天然皮革的程度 如果不是行家很难 分辨 转移涂层的产品绝大多数是人造革 它主要用于制鞋业 服装业 箱包业和服 装附件 1 2 3 热熔涂层 热熔涂层 3 0 是适应经济和环境保护方面的要求而发展起来的 成本低 省耗能 在工业用涂层织物中应用较多 其原理是以热塑性高聚物为涂层剂 根据不同性能 的热塑性性涂层剂 将其加热至熔融状态 然后涂布到基布上 经冷却而粘着于基 布表面 形成薄膜 连续的或不连续的 即在热和压力的作用下 经过熔融一涂布 一湿润扩散一固着等一系列物理变化 热熔涂层整理的涂布量大 适宜于作强度大 的工程织物 1 2 4 粘合涂层 粘合涂层 3 0 1 工艺有粘合剂粘合 熔融粘合 1 粘合剂粘合工艺 是将树脂薄膜与涂有粘合剂的基布叠合 经压轧而使其粘 合成一体 是粘合整理的基本工艺 它使用最早 也最方便 它与直接涂层技术关 系最密切 很多粘合剂是依靠刮刀或其它工具涂在织物上 再进行层压的 因此 使用的设备和粘合剂的成分与直接涂层相似 粘合剂法最大的优点是可以使用的粘 合剂种类很多 加工方法也很多 因此 对加工材料的适应性很强 2 熔融粘合工艺 是将具有热塑性的树脂薄膜与高温热熔辊接触 使树脂薄膜 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 表面熔融而后与基布叠合 再通过压轧而粘合成一体 这里的薄膜既是层压织物的 一个组成部分 又是粘合剂 与粘合剂粘合工艺相比 省去了涂布粘合剂的工艺 粘合涂层整理产品 涂层薄膜较厚 非常强韧 有良好的保温性 形态稳定性和厚 实感 1 2 5 层压工艺 层压 2 7 2 8 1 就是把薄片状材料一层层地叠合 通过加压粘结成为一体 这种技 术最初是将硬质材料 如多层木板浸胶 经过加热加压制成层压板 以后发展为用 于软质材料的粘结方法 层压织物 就是把一层或多层织物 或非织造布 粘结或 织物与高聚物薄膜以及其他软薄片材料粘结在一起 形成兼有多种功能的复合体 故层压织物又称为复合织物 粘合织物 得层织物 层压用设备称为层压机 叠合 机 叠压机 粘合机等 层压织物于2 0 世纪3 0 4 0 年代开始试制 6 0 7 0 年代 焰熔层压聚氨酯泡沫薄 片工艺获得成功 焰熔层压的服装面料风行一时 到2 0 世纪6 0 年代末 美国的层 压织物产量已达到5 亿平方米 此后 层压技术发展迅速 各种层压织物相继出现 工艺产品种类繁多 形成了一个庞大的系统 现代的生产和生活对服装和防护用纺 织品提出了各种各样的工能要求 而且需要纺织品集多种功能于一身 层压是获得 多功能复合织物的有效手段 它通过粘结的办法把具有各种功能的材料粘合在一起 首先 层压不仅是功能叠加 而且可以增加使用效果 通过巧妙设计 可以充分显 示层压技术的优势 其次 由于各种材料在层压织物内部是相互独立的 不必过多 考虑形容性问题 因此层压工艺对选择的材料要求不高 适用范围很广 第三 层 压工艺中 除溶剂型 水乳型粘合剂外 其他粘合剂不含溶剂和水 所以层压工艺 节省了其他涂层工艺无法回避的化学药品和能源消耗 也不会遇到溶剂污染 劳动 保护 消防安全等一系列问题 1 2 6 凝固涂层 凝固涂层 2 6 1 又称湿法涂层 它的特点是在凝固浴中生成多孔性膜 这与直接 涂层 转移涂层在烘箱中成膜大相径庭 其产品性能优异 是公认的高档涂层织物 凝固涂层产品在2 0 世纪6 0 年代初就出现于市场上 1 9 6 2 年美国杜邦公司的 东北大学硕士学位论文第一章绪论 c o r f a m 由于生产工艺中存在很多问题 直到7 0 年代中期以后才在市场上全面推 出 其中以日本和欧洲的产品居多 目前 由于其优异的品质 穿着舒适 外观 和手感更接近天然皮革 发展速度很快 凝固涂层所用的涂层剂只有一种 单组分聚氨酯 成膜的机理也十分简单 选择一种聚氨酯的溶剂 主要是d m f 二甲基甲酰胺 一种非溶剂 水 先 用d m f 把聚氨酯溶解成溶液 涂 或浸轧 在底布上 浸入水 或d m f 的水溶液 中 利用d m f 与水的混融性 让水在涂层膜 湿 内置换d m f 降低d m f 的浓 度 促使聚氨酯凝固成膜 其关键是如何稳定控制置换过程 使它既符合工艺要求 又能获得最理想的产品性能 影响置换过程的因素非常多 除了聚氨酯分子的结构 包括共聚体 外 一些 添加剂 主要是表面活性剂的品种 浓度 的作用也很显著 还有加工工艺条件 如 凝固浴的温度 d m f 浓度 滞留时间等 由于这些因素相互牵制 要正确控制很 不容易 如何稳定控制置换过程已成为涂层技术的重要课题 1 3 涂层剂的种类 涂层剂 2 4 1 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 的研究越来越重要 目前涂层剂的种类繁多 主要按化学结构进行分类 按其化学结构分类 包括聚氨酯 聚丙烯酸酯类 聚氯乙烯 聚四氟乙烯树脂 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 3 1 聚氨酯类涂层剂 聚氨酯类涂层剂 3 1 3 2 1 系多元异氰酸酯类化合物和含有活泼氢的聚醚或聚酯类化 合物聚合而成的高分子化合物 是性能优良 应用广泛的一类涂层剂 聚氨酯类涂 层剂分子结构表示如下 oo 0 0 n o c n r n c o n h o r 一o h 一巾一c n h r n h c o r 聚氨酯可用作各种复合材料的涂层剂 特别适用于制作防水透湿织物 由于聚 氨酯类涂层剂是聚酯或聚醚 醇柔性链段和异氰酸酯刚性链段嵌段共聚的高聚物 硬段和软段的配合 使聚氨酯涂层剂结成的膜的强度和弹性 都很优越 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 聚丙烯酸酯类涂层剂 聚丙烯酸酯 3 3 1 是不同丙烯酸酯单体的共聚物 其分子结构可表示为 平 七c h 2 一g l c o o r r r 可以是h 或c m h 2 m l 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 羟甲基丙烯酰胺 丙烯腈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 和耐洗性 根据涂层产品的要求可选择适当的共聚单体及其组成 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 是较重要的涂层剂之一 1 3 3 有机硅弹性体 有机硅弹性体 2 6 1 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应 性基团一o h c h c h 一等 通常在催化剂作用下 通过交链剂的作用可形成具 o 有良好弹性和耐洗性的有机硅涂层薄膜 改善了涂层织物的撕破强力和耐磨性 但 膜的粘结性能较差 通常和其它涂层剂拼混使用 1 3 4 聚四氟乙烯涂层剂 聚四氟乙烯 2 8 1 p t e e 是层压技术在防水透水织物中最重要的一种涂层剂 它 在功能上占很大的优势 因聚四氟乙烯为拒水性材料 所以聚四氟乙烯拉伸膜具有 良好的防水透水功能 p t f e 膜主要作用于袋式除尘器的滤料 而p t e f 微孔膜与织 物或非织造布复合制得的覆膜滤料用于除尘器 因其工艺复杂 价格昂贵 在应用 上受到很多的限制 穗 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 5 聚氯乙烯涂层剂 聚氯乙烯 3 4 1 分子式可简写为七h 2 c h 2 c l 壬 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 它主要用于塑料溶胶工艺 和压延工艺 其优点是价格很便宜 透明性非常好 可用熔接法缝制 且具耐燃性 和耐药品性 缺点是耐气候性 耐磨损性欠佳 常用于制成一次性产品 易对环境 产生不利的影响 1 4 复合过滤介质的发展动态及研究现状 目前国内外所开发的微孔薄膜复合过滤介质 3 5 均属于涂层织物 薄膜 基布 即在织物表面均匀的涂上一层高分子化合物 涂层剂 使得织物具有各种不同功能 的表面整理技术 织物经过涂层加工后 高分子化合物基本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 织物只是起到支撑的作用 最早开发出的具有复合过滤介质性质的产品是 滤纸 机织过滤介质 型的 其 中滤纸由美国e a t e n d i k 锄a l l 公司生产 机织过滤介质为常规机织布或无纺布 使 用时将滤纸浸湿覆盖到机织过滤介质上即可 当时这种复合过滤介质主要用来过滤 饮食行业的油类物质 如可可汁 鱼肝油 豆油 亚麻油和蔬菜汁等 这种 滤纸 机织过滤介质 型的复合介质具有4 个优点 即过滤高效快速 成本低廉 滤液澄 清度较高及介质使用寿命较长等 2 0 世纪7 0 年代初 美国人w l g o r e 用拉伸法研制成功聚四氟乙烯 p t f e 微 孔膜 大部分孔径为0 2 一o 3 m 孔隙率达8 2 膜的厚度仅2 5 m 为拒水性膜 具有良好的防水透湿功能 1 9 7 6 年 g o r e 公司试制成功p t e f 层压织物的第一代产 品 名为g o r e t e x 可以是三层或两层层压织物 1 9 7 9 年 日本润工社和g o 阳公 司合作推出第二代产品 它由p t f e 微孔膜和拒油 亲水的聚氨酯膜复合而成 弥 补了第一代产品拒水性不良的缺点 2 0 世纪8 0 年代 第二代g o r e t e x 层压织物问 世 成为当时最好的防水透湿材料 这种复合过滤材料属于 薄膜 机织过滤介质 型 薄膜与机织过滤介质通过层压的方式叠合到一起 其生产过程是先将p t f e 微 粉熔融成膜 薄膜经双向拉伸高温处理 产生许多微孔 其中孔隙的大小可由拉 伸力的强弱来控制 加工好的薄膜以层压 1 a i i l i n a t e 的方式叠合到基布上 这种复 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 合过滤介质的显著特点是孔隙不堵塞 滤液浊度低 使用寿命长 其缺点是薄膜 与机织物黏合不牢固 这是目前层压技术用于复合膜过滤介质中的一个最难解决的 问题 近年来 2 6 1 我国一些科研机构对p t f e 微孔膜进行了跟踪研究 北京有关单位 开发了单项拉伸p t f e 膜 并解决了一些复合技术问题 主要用于过滤膜和蓄电池 隔膜 上海有关单位1 9 8 9 年开发出双向拉伸复合膜 1 9 9 0 年制成1 2 m 宽的膜 用 作空气过滤袋 研制的p t f e 微孔膜与织物或非织造布复合制得覆膜滤料用于除尘 器 总后勤部某单位1 9 9 7 年建成国内第一条宽幅双向拉伸p t f e 微孔薄膜生产线和 年产3 0 0 万米层压织物的复合生产线 试验结果表明 我国生产的p t f e 层压织物 主要指标与g o r e t e x 产品相当 在某些性能上超越了g o r e t e x 产品 因p t f e 的价 格昂贵限制了其使用范围 除了利用层压工艺制得的p t f e 微孔膜 聚氨酯涂层织物也是国内外主要研究 的微孔复合材料 据介绍 2 6 日本东丽公司的i n t r a n t 和美国b u r l i n 垂o n 公司的u 1 t r e x 都是使用聚氨酯凝固涂层工艺 得到微孔膜复合织物 i n t r a n t 的微孔膜厚约4 0 m 表面呈蜂巢状 微孔孔径0 5 2 m 经过拒水整理 透湿量达5 0 0 0 9 m 2 d 以上 美国p o r v a i r 公司的产品p o r l l e 是聚醚型聚氨酯微孔膜 这种膜主要通过微孔结 构和高聚物的亲水性获得防水透湿功能 它的微孔结构相互联通 孔径约为l m 我国也研制成功防水透湿织物产品 是用水分散体聚氨酯涂层剂直接涂层 制 得微孔膜 耐水压4 9 1 k p a 透湿量达6 0 0 0 m 2 d 康勇 5 3 等利用凝固涂层技术进行 微孔薄膜复合过滤介质的合成技术研究 所制得的复合过滤介质孔径在 1 4 1 9 1 2 m 范围内变化 1 5 实验基础理论 1 5 1 过滤基础理论 过滤是从流体中分离固体颗粒的过程 其基本原理 3 6 8 1 是 在压强差 或离心力 的作用下 固 液两相悬浮液通过多孔性介质 过滤介质 而使固 液两相分离 其 中液体透过介质 而固体颗粒则截留在介质上 从而达到固液分离的目的 过滤按照其机理可以分为表面过滤和深层过滤 这两类过滤在生产中都广为使 用 表面过滤是以机织过滤介质 滤网 烧结材料 粉体为过滤介质 滤浆流向过 r 东北大学硕士学位论文第一章绪论 滤介质时 大于或相近于过滤介质孔隙的固体颗粒先以 架桥一方式在介质表面形 成初始层 其孔隙通道比过滤介质孔隙更小 能截留住更小的颗粒 因此其后沉积 的固体颗粒便逐渐在初始层上形成一定厚度的滤饼 悬浮体中的固体颗粒停留并堆 积在过滤介质表面 并逐步堆积成滤饼才是真正有效的过滤介质 深层过滤适用于过滤固形物量很少 o 1 的悬浮液 以除去其中的细小颗粒 经一段操作时间后 由于介质体内的通道部分被 截留 的颗粒所堵 流动阻力增 加 欲维持相同的过滤速率 必须提高过滤压强 所以 过滤介质在一定操作周期 后弃去或利用反冲力将被截留颗粒部分冲走 过滤介质得以重新使用 1 5 2 过滤方程 人们对表面过滤的研究始于十九世纪初 但对过滤速率的理论描述却是到了十 九世纪中期 根据d a r c y 定律及p o i s e u i l l e 方程 得到过滤速率的半经验模型 3 9 4 1 生 墨坐 1 1 d t 皿 式中 v 一过滤液体积 朋3 卜过滤时间 h p 过滤压力 m p a a 有效过滤面积 m 2 过滤液动力粘度 p a 8 三 滤饼厚度 翰一渗透系数 由于滤饼厚度 和滤层渗透性系数昂实质上是以阻力形式影响过滤过程的 因 此 上式可写成 如k a 世a 心 1 2 出 肚 如 尺 r r 过滤介质 机织过滤介质 的阻力 m o r c 滤饼过滤阻力 m d 在过滤操作中 滤饼阻力随过滤时间的延长而增大 而机织过滤介质阻力则常 被假定为常数 由过滤方程可以看出 过滤的速度一方面取决于过滤介质 另一方面与过滤压 力和有效过滤面积成正比 与污泥的动力粘度和滤饼阻力成反比 所以要想提高脱 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 水效率就要选择合适的机织过滤介质 增加有效过滤面积和压力 降低悬浮液动力 粘度和滤饼阻力 1 5 3 流体透过机织过滤介质的基本理论 固体颗粒对机织过滤介质所造成的污染主要是在固液两相体系中流过介质时产 一 生的 因此归纳分析流体透过过滤介质的研究成果对介质污染机理的研究有重要意 义 关于流体透过机织过滤介质的研究 国内外的学者做了大量的工作 4 2 捌 具有 代表性的主要有以下三种理论模型 1 机织过滤介质透过度阻力模型 2 多孔纤维垫模型 3 小孔模拟理论 机织过滤介质透过度阻力模型 是由o e m e r s l e b e n 4 2 1 提出的 该理论认为机 织过滤介质内孔隙的边壁是阻碍流体流动的障碍 每段微孔壁的流动阻力可以用 n a v i e r s t o k e s 方程予以确定 全部阻力的总和等于机织过滤介质的流阻 该理论假 设机织过滤介质的纱线均为圆柱形且两圆柱间的距离较大 因此 对于经纬纱线间 距离较大且孔隙度较高的过滤介质 模型的计算结果与实测值一致性最好 该理论 对于单丝机织过滤介质也有很好的预测结果 但对经纬线交织密度和经纬线孔隙度 较高的多织物 这种理论就不适用了 其原因是该模型只考虑了过滤介质纱线间的 孔隙而忽略了纱线内的孔隙 这对于单丝纱线织物来说是合理的 但对于由长丝或 短丝纱线织成的过滤介质 在过滤过程中有很大比例的流体是从纱线内的孔隙中流 出的 因此 过滤介质透过度阻力模型 只适合于大孔隙的织物也就不难理解了 进行这方面的研究的还有h c b r i i l k m 锄 4 3 1 j h a p p e l e m s p a r o n 和a l l o e f n 一4 5 1 等人 1 9 5 0 年a s i b e r a l l 4 1 1 提出 多孔纤维垫模型 这个模型主要是针对非织造过 滤介质建立的 为了能预测机织过滤介质对水流的阻力 h u t s o n 4 1 1 对这个模型进行 了修正 他假设织物是由两组互相垂直的圆柱体组成 每组圆柱相互平行且其直径 完全相等 如图1 1 h u t s o n 通过解s t o k e s 方程得到了机织过滤介质透过度的近似表 达式 一 砟 衫南 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 式中厂 动是工的函数 工 盖 且厂为介质单位长度的阻力 当工 o 6 时 厂 x 的值需要通过测定才能计算出来 图1 1 流体通过平行圆柱体的流动 h u t s 模型 f i g l l l l f l u i dn o wt h r o u g hp a r a l l e lc y l i n d e r h u t s o nm o d e l b 缸 h m 2 图1 2 利用方程1 1 对b f 的计算值与实测值比较 f i g l l 他l 2c o m p 硪s o nc a l 伽l a t e dv a l u eb ye q u a t i 1 1 蛆dm 蛐舱dv a l u eo fb f 方程 1 1 表示在经纬线排列方式完全相同时平纹机织过滤介质的透过度 h u t s o n 将6 的计算值与平纹组织的线网和尼龙布的实测值进行了对比 结果如图 1 2 所示 这说明平纹组织的机织机织过滤介质对水流的阻力用h u t s o n 方程可以预 一e e 彳 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 测 由于对机织过滤介质过分简单化 h u t s o n 和e m e r s h e b e n 一样都没有考虑纱线内 的孔隙对流体透过度的作用 当工 0 6 时忽略纱线内孔隙是可行的 但当工园0 6 特别是x 西1 o 时 若不考虑纱线内的孔隙 h u t s o n 模型是否应能成立值得怀疑 h u t s o n 等人对经纬线交织密度较高的织物未加研究 当然也没有提出解决问题的方 法 后来r u s h t o n 4 7 1 根据d a v i s 方程 4 8 证实了h u t s o n 模型不适合经纬线交织密度较 高的织物 小孔模拟理论 是由r o b e r t s o n 4 8 提出的 该理论认为过滤介质内的孔隙可以 看作是许多小的流管 流体通过过滤介质孔隙的流速取决于流管的横截面积及流体 通过流管时的阻力 为了使问题简单化 假设机织过滤介质的纱线是不可渗透的 机织过滤介质内纱线的微孔是流体流动的主要通道 r o b e r t s o n 首先用平纹金属网对 他的理论进行了验证 但当他把这种方法推广到具有复杂孔隙的松散编织过滤介质 时 实验结果与计算值相差太远 r o b e r t s o n 认为这种失败是由织物的组织结构造成 的 g r a c e 5 0 1 后来认为 对于多丝过滤介质尤其是紧密编织的过滤介质 流体既可能 在纱线里流动 也可能在纱线周围流动 s b a c k 一4 9 认为 r o b e r t s o n 模型具有局限 性的原因是由于多纤维织物的孔隙结构复杂 1 6 本课题的来源背景与研究目的和意义 1 6 1 课题来源 本课题来源于东北大学与辽宁天泽产业集团纺织有限公司的合作课题 新型高 效复合过滤介质的研制与开发 课题 1 6 2 课题背景 机织过滤介质的污染在固液分离领域是一个非常突出的问题 我国过滤行业每 年因为这类介质被污染而造成的直接和间接经济损失相当的惊人 因此研制一种新 型高效抗污过滤介质势在必行 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 6 3 研究目的 本课题以减少机织过滤介质污染 提高涂层的耐磨性和剥离性为主要的目的 开发一种新型的微孑l 薄膜复合过滤介质 该滤材可以广泛应用于选矿和环保等领域 的过滤过程中 具有抗阻塞能力强 使用寿命长和过滤效率高等优点 可在浮选铁 铜和金精矿的过滤过程中取得令人满意的性能 1 6 4 研究内容 1 对微孔薄膜复合过滤介质的功能进行设计 确定基布 涂层剂的成分以及涂 层方法 2 单一溶剂下各影响因素的条件试验 研究涂层剂的浓度 凝固温度 凝固时 间 烘干温度及烘干时间等对微孔薄膜复合介质的过滤性能的影响规律 3 采用二甲基甲酰胺 d m f 作溶剂 水作凝固剂 乙二醇作致孔剂 研究致 孔剂含量对复合过滤介质微孔结构和过滤性能的影响 4 对比微孔薄膜复合过滤介质 m f m 与常规机织过滤介质 w f m 在不同 过滤条件下的过滤性能 东北大学硕士学位论文 第二章实验材料及涂层方法的选择 第二章实验材料及涂层方法的选择 2 1 基布结构特征及其选择 基布在微孔薄膜复合过滤介质中主要起支撑的作用 但它的结构对复合织物的湿传 导性能却有一定的影响 基布的结构特征主要包括基布的组织结构 孔隙形态和大小等 基布的结构特征对流体的透过性能 过滤性能和污染特征有直接的影响 基布由机织过 滤介质中选择 2 1 1 机织过滤介质的纱线类型 构成机织过滤介质的纱线 3 用 分长丝 短丝和单丝三大类 长丝纱线是由多根长丝 组合而成的 其抗拉强度在三种纱线中最好 用这种纱线织成的机织过滤介质的卸饼能 力优于短丝纱线的机织过滤介质 短丝纱线是将天然或合成短纤维捻成一根连续的纤维 线 其表面有许多小的毛羽 因而用它织成的过滤介质具有良好的截留固体颗粒的能力 但其卸饼率最差 单丝纱线 即一根单纤维纱线 由这种纱线织成的过滤介质空隙分布 均匀 堵塞率最低 卸饼率及抗污染能力极高 这三种纱线织成的机织过滤介质对过滤 指标的影响见表2 1 表2 1 纱线类型对机织过滤介质过滤指标的影响 t a b l e 2 1e 胁o f y 黜t y p e s0 n mf i l 删0 np e 渤m 锄c c 5 l 2 1 2 基布的组织结构 常规机织过滤介质最基本的组织结构有三种 5 1 1 5 平纹 斜纹和缎纹 这三种组织 是其它各种组织的基础 因此常称之为三原组织或原组织 5 2 1 三种组织结构如图2 1 所 不o 1 4 第二章实验材料及涂层方法的选择 a 平纹组织b 斜纹组织c 缎纹组织 图2 1 机织过滤介质原组织结构 5 2 f i g i l 他2 1 b 嬲i cw 髓v es 缸1 l c t u 托o f w f m 5 2 平纹组织是织物最简单的组织结构 由经纬线上下相间交织而成的 两根经线和两 根纬线交织构成一个组织循环 在一个组织循环中有两上经组织点和两个纬组织点 由 于经纬线每隔一根就交织一次 经纬交织点排列稠密 因而平纹组织结构紧密 质地坚 牢 表面相对平整 斜纹组织有连续的经或纬组织点 且呈斜向纹路 斜纹组织通常用分式表示 分子 表示一个完全组织内一根纱线上的经组织点数目 分母表示纬组织点数目 斜纹组织因 其组织循环数大 而组织中每根经线或纬线只有一个交织点 使斜纹组织产生了浮长 有正反面的差别 缎纹组织是经线或纬线在织物中形成一些单独的 互不连续的经组织点或纬组织 点 这些组织点分布均匀 并为其两旁另一系统的纱线的浮长线所遮盖 缎纹组织的过 滤介质对固体颗粒的截留能力低 滤液的浊度较高 使用寿命相对短 这种组织的常规 机织过滤介质适合粗粒物料的过滤 常规机织过滤介质组织结构对过滤指标的影响见表 2 2 表2 2 常规机织过滤介质组织结构对过滤指标的影响 5 l 1 a b l e 2 2e 虢c to f w e a c es t m c 衄 eo nw f m6 1 眦i o n p e r f o m a i l c e 5 1 2 1 3 基布材质的物理性质 常规机织过滤介