机织滤布的生产与使用
谭 蔚1 刘丽艳1 魏传胜2 朱企新1
(1天津大学化工学院,天津, 300072; 2莱芜市万利兴滤材树脂有限公司,莱芜, 271100)
摘 要 介绍了国外固液分离用机织滤布的生产与使用现状,分析了国外过滤介质孔径、开孔率、透水和透气性能等测定标准,对机织滤布的材料、织造、精整加工技术等的发展趋势进行了讨论,并着重介绍了目前重点发展的单丝滤布、双层复合滤布和涂膜滤布。
关键词 过滤介质,单丝滤布,双层复合滤布
中图分类号 TQ 028.53, TS 106.62 文献标识码 A 文章编号 1000-6613 (2002) 06-0420-05
允许非均相物系中的液体或气体通过,而将固体颗粒截留以达到液-固或气-固分离目的的可渗透性材料通称为过滤介质。它是过滤设备的关键组成部分,是过滤设备的心脏。无论何种过滤设备必须选配与其相适应的过滤介质,若选配不当再先进的过滤设备也无法发挥其应有的作用。
近25年以来,国外除了以化纤织物全面取代棉、毛等天然织物以外,无论对滤布所用材料、编织方法、精整技术、系列产品开发,还是滤布性能的测定方法及标准的制定、理论研究等都是十分重视,工业滤布的生产发展十分迅速[1,2]。
随着工业的发展,要求滤布必须具有以下性能能截留的颗粒越来越小;有低流通阻力和大滤液通过量;表面光滑不易堵塞;滤饼易剥落,好再生;可靠性好,使用寿命长。具备上述性能的滤布在国外已相继出现,并可以满足不同行业的需要[3]。
国外滤布均已有系列产品,在20世纪80年代末、90年代初美国、日本两个国家工业滤布在整个纺织市场所占比例分别超过31%~33%。我国工业滤布生产占纺织品比例的份额极小,无论在品种、规格上,还是在材质、过滤精度、强度、耐蚀和耐磨性等方面均与国外存在较大的差距[4]。国外对滤布从材质、制造工艺、强度及耐磨性、空隙率及过滤精度、应用范围、安装方法、再生方式等都有较深入的研究。瑞士、德国、比利时、日本、美国等滤布公司的样本均列出密度、抗拉强度、透气量、透水速度、孔隙率、平均孔径、耐温性、吸水性、耐酸碱性及耐氧化等性能参数,用户可以根据提供资料,选择理想的滤布,以提高设备处理能力和分离质量。
国内外对滤布过滤性能的测定方法也进行了大量研究,因为无论是滤布制造厂商、销售商和使用者,都要求对滤布有定量的描述,以利于评价、正确选择和使用滤布。国外在70、80年代分别制定了测定织物当量鼓泡孔径试验、截留性能、渗透性、孔隙率测定等标准。从标准内容上看,有美国ASTMF 902—84《通过测量孔隙率与渗透率计算当量平均孔径的标准规程》、ASTMF 3162—86《最大孔径与平均孔径鼓泡法测定方法》、英国BS3321—86《泡点法测量滤布当量孔径》以及国际标准、德国标准等。由于各国标准针对使用场合不同,技术发展水平不一,因此,从内容、实验方法、计算公式不尽一致。以测孔径为例,英国BS3321—86标准与美国ASTMF3162—86标准均用鼓泡法测定织物定量孔径(包括平均孔径与最大孔径),但在测定的孔径范围、浸润液种类、规定液面高度、计算公式等均不完全相同[5、6]。
20世纪90年代中,天津大学与合肥工业通用机械研究所共同承担基金项目“过滤介质(机织滤布)过滤性能测定方法的研究”,近期将制定出滤布过滤性能的国家标准。
1 织造滤布所用材料
棉布是历史上使用最早的滤布,在室温下可耐3%的酸性料浆及10%的碱性料浆,在100℃以下用以过滤中性料浆。以化纤为材料织成的滤布与天然材料相比,除了有更好的物理化学性能和价格低廉外,还具有表面光滑、溶水性低、使用寿命长等优点,目前主要有涤纶(聚酯)、丙纶(聚丙烯)、锦纶(尼龙6,聚己内酰胺)、腈纶(聚丙烯腈)、维纶(聚乙烯醇)、尼纶(尼龙66,聚酰胺)、氯纶(聚氯乙烯)等。在工况不太苛刻的条件下,由上述材料织成的滤布可以满足不同行业的要求。对于如高温、浓酸、浓碱的工况下,可以采用玻璃纤维、聚四氟乙烯纤维编织成的滤布。
同时,由于化纤织物都具有不同程度的亲水性或疏水性,对过滤不同流体组成的悬浮液,开发了对纤维有针对性改性的产品,即在纤维的高分子链上接枝其他官能团。例如,为改变聚四氟乙烯纤维的疏水性,可以在纤维表面的分子上接枝极性基团,使四氟乙烯滤布变成亲水性;又如在新型的油水分离设备中采用改性的强亲油性纤维,可以使含油污水中的油滴通过这种强油性过滤介质时合并成大油滴,进而实现油水分离。也有对纤维表面“镀膜”,即将整个纤维用另外一种物质完全包裹起来,使纤维表面完全改变了原来的性质[9~11]。
因此利用不同液体能在纤维上或金属丝上有或无良好的浸润性质这一特点,调整不同的液-固两相间的表面张力,包括调整液体对过滤介质、液体对固体颗粒表面张力来改变滤液对过滤介质材料的穿透阻力与湿润性以及滤饼的含湿率,成为当今化纤滤布开发的重点之一。
此外,采用尼龙66、聚酰胺6、聚酯、聚丙烯、低密聚乙烯、新型氟塑料、碳氟化合物(包括PTFE、ECTFE、PEEK、PCTA、FEP、PVDF、PPS)以及其他材料制成单丝滤布,并可以编织特殊要求的截留孔径。
利用特种纤维可制作高强度、耐高温、耐高剪切、复合、阻燃、抗静电、抗紫外线等具有不同功能的专用滤布,以满足不同行业高精度过滤的要求。
2 机织滤布的制作与加工
滤布的加工,包括与编织方法直接有关的滤布构成及精整加工方法。国内外采用改变加工编织方法与精整加工方法,使液固分离时滤液透过度、过滤速度、滤饼含湿量、滤布对细小颗粒的保持性、卸饼性能、再生性能和滤布的使用寿命等方面都可有改善与提高。
不同的纱线构成、丝的直径、拗度、织物密度、织法等,对于滤布的截留粒子能力、过滤速率、滤饼最低含湿量、剥离特性、滤布寿命和再生性能,都会有不同的影响,如表1所示[6]。
不同纤维其形态也各不相同,横断面也不一样,如涤纶、锦纶、丙纶多为圆形,维纶为扁平型,
粘胶纤维为锯齿型(而实际上可以将纤维作成不同的形状)。不同断面形状的纤维显然其摩擦系数也不一样,如锯齿形的摩擦系数大,抗变形小,纤维所形成的孔隙易堵塞。同时纱线捻度、纺织方法也都会对滤布的堵塞与再生造成影响。目前机织滤布所用的纤维基本上有单丝与复丝,织法有平纹、斜纹与缎纹等几种,为提高织物强度与减小孔径在织法上还有一些新的改进。
精整加工技术包括了如砑光、起绒和热处理。这几种精整加工技术在国外生产的滤布采用已相当普遍,可以达到或改变滤布正面的光滑程度,以改善卸除滤饼的能力,或改善滤布对固体颗粒的保持性;而且通过热定形,可以提高化纤滤布的结构稳定性。
国外化纤滤布大多数经过砑光处理[6],经过砑光处理后的滤布纱线间的形状为嗽叭状,如图1所示[11],排液通畅,固体颗粒不会被卡堵,滤布表面光滑,滤饼易剥落,可减少滤布的清洗与再生;纱线间距离缩小,拦截效果明显提高;同时由于砑光是在加热加压下进行的,所以其结构稳定性更好。表面砑光处理对单丝滤布影响最有效,也只有单丝滤布才能始终保持其表面砑光的效果。
国内化纤滤布几乎很少采用砑光技术,有的生产厂正在试制。但由于砑光设备的水平、技术操作工艺等方面,目前还不能保证砑光后的滤布能有稳定的质量。
3 重点发展的滤布
目前国外重点开发,并已进入实际应用的主要有单丝滤布、双层复合滤布及涂层(膜)滤布。
3.1 单丝滤布
单纤维织物是单纤维织成,单纤维是单个挤出的合成丝,其直径为20μm~ (2~3) mm。表面光滑、均匀,有精确的几何形状,耐疲劳、韧性和弹性好,有所谓“记忆”功能。首批单纤丝是由杜邦公司用聚酰胺66制成,并命名为尼龙,最初用做为降落伞布,又替代丝绸制成女袜,随后又取代丝绸做成面粉厂细筛进行面粉分级。这种单纤维织物不论在价格、耐用程度、孔隙均匀等方面都优于丝绸。
由于多纤丝一般要捻纱和合股,具有阻力大、孔隙结构复杂、抗污染能力低、使用寿命短的缺点,而单丝滤布由单丝纤维直接织布,再加以适当整理,其优点是:孔隙分布规则均匀,孔径分布范围很窄,滤布没有纤维间的细小孔隙,因此有很高的分离能力;表面光滑整齐、卸饼容易;单位面积开孔多、流通量大;不易出现多丝滤布似的严重阻塞,抗污染强。其使用寿命可用改变织法加以提高。
目前瑞士ZBF公司生产的滤布,用于液体过滤的大部分已是单丝滤布,只有一小部分是复丝滤布;德国公司的滤布也有此种趋势。国外已生产孔径为11~250μm的滤布,甚至1~10μm的致密单丝滤布。
由于合成单丝纤维有韧性和记忆功能,反复弯曲不会加工硬化与疲劳,与金属滤布相比,可以折弯或压平而较少损坏,又由于金属丝布对于化学稳定性有局限性,因此可以用单丝滤布替代金属丝布,经济上也比金属丝网低许多倍,并且质量相对较轻。
3.1.1 纤维材料
单丝滤布的性能与纤维材料密切相关。纤维的挤出能力取决于合成材料的晶体结构,其长的分子链取向是提高纤维抗拉强度的主要因素。所以许多合成材料不一定都能制成单丝纤维,可以制成单丝纤维的,成品纤维也必须适合经受成品的环境。目前编织的单纤维织物的范围还受到个别合成纤维直径限制。一般制造0.15 mm以下纤维是困难的,只有合成纤维尼龙和聚酯可制成0.08 mm以下的直径[4]。
国内单丝滤布已有多个厂家有产品,并用于生产实际。目前主要问题是单丝纤维丝径不够稳定,不能提供微米级丝径的单丝纤维。
3.1.2 编织方法
单丝滤布的织法主要有普通(方格)织法、斜纹织法、荷兰织法和密斜纹织法[6]。
普通织法纤维反复上下搭接,开孔直接垂直于纤维织物表面。由于纤维直径和纤维网孔数在经线(长)和纬线(宽)方向上相同,所以纤维织物的孔隙必须大于单纤维织物直径,因此滤布孔径的大小受纤维直径限制。如可提供最小单丝直径为28~30μm,普通方格织法织成的最小孔隙大约32~35μm。为编织出更小的孔隙,必须改变织法。
单丝普通织法的优点是处理能力大,易清洗;不只是织成小孔径时质量轻,使用于转鼓真空过滤机、带式真空过滤机与加压过滤机上易损坏。
斜纹织法是每根纬线交替浮于两根经线之上,然后沉于两根经线之下,可以生成较小微米级孔隙的精密纤维织物。这种方法编织出的滤布形成的网孔是呈不规则形。
荷兰织法是在经线和纬线方向上由不同规格直径的纤维织成。编织后在滤布上产生两个开孔,一个在织布表面的两个平行纤维之间,另一个是三角形或泪珠状开孔,位于织物表面的对应方向。荷兰织法适合于晶体颗粒的过滤,颗粒容易从荷兰式织物上被反冲洗掉,因此减少了堵塞;但不适合于胶体、泥浆,因为这类物料易堵塞三角形开孔。
密斜纹织法被称为非对称两侧纤维织物,与滤饼接触的上侧很光滑。这一光滑表面是经向纤维从一根纬线下穿过之前越过几根纬线而形成。通过对纤维织物进行砑光可以进一步提高表面光滑度,从而使滤饼易剥落。因此,可以适用于胶状、泥浆状颗粒的过滤。
3.1.3 精整工艺
滤布往往需要精整后才能使用,最通用的方法有砑光、起绒和其他热处理等。热处理的目的是稳定纤维织物,可以使单丝织物形成卷曲,从而保持纤维取向,并在使用时不会严重收缩与伸长。砑光可以使滤布表面平整而有光泽,在使用中可改善滤布的卸饼性能。
国内化纤滤布生产采用砑光技术还很少,少数厂正在试制,因为砑光设备及工艺技术水平还不能保证砑光后的滤布有稳定的质量。
3.2 双层复合滤布
目前化工、制药、冶金、精细化工、生物化工希望能截留的粒径越来越小,所以要求滤布孔径小,开孔均匀,并减少细小颗粒的流失。图2给出了近一个时期对于滤布孔径要求的发展趋势[3]。
用普通方法编织的滤布随着孔径变小,滤布会因变薄而使其强度降低,进而使过滤机的处理量下降。因此,从提高机械性能、抗磨损、使用寿命、承载滤饼质量等综合要求考虑,普通滤布的传统结构已不能为用户所认可,所以出现了带支撑和排液层的细小开口的双层复合滤布[7,11]。
目前不论过滤离心机、转盘真空过滤机,都在滤布与支撑滤布的过滤机的支架之间再衬上一层支承网或滤网,如采用双层复合滤布就无需此支承网,同时可以省去支承网的安装与固定之劳,如图3所示[5]。
一般当细薄的滤布编织厚度小于20μm,就需加支撑底网以利于滤液的横向流动,这对于提高过滤离心机、加压过滤机和真空过滤机的有效过滤面积都是十分重要的。滤布有了排液的支撑底网,增加了滤液的横向流动,提高了有效过滤面积,其滤液流量会有明显提高,见图4所示[5]。
与单层滤布相比,由于双层复合滤布有专门用于支承的底层,工作寿命长,不易突然断裂和失效;可以避免滤网堵塞而引起过渡失效;有支承和排液层的双层滤布在抗断裂和抗拉上有优势,提高了弯曲能力,见图5所示[3],可以防止在带滤机上起皱、打折;也允许操作时工艺条件有某些波动。
双层复合滤布正向小开孔(聚丙烯单丝滤布可达4μm)、改善排液能力、滤饼易剥落、耐高温性能好的方向发展,预计双层复合滤布将有广泛的应用前景。
我国也已研制出双层复合滤布[7],有的厂商针对不同物料设计试制了不同的双层复合滤布,正在生产上试用,并已申请专利。
3.3 微孔涂膜滤布
膜技术、膜介质和纺织涂层技术的发展,启发了人们从这一途径来减小过滤介质孔径。
W.L.Gore公司1976年开发了防水、透湿织品, 20世纪80年代中期推出Gore-TexR微孔薄膜复合滤布。该滤布用层压涂层技术,以聚四氟乙烯为主要膜材料,经拉伸及高温处理形成多孔薄膜,涂粘合剂层压在机织或针刺织物(基布)上。
薄膜孔径为0.2 ~15μm,孔隙率ε=80~97,厚度仅0.2 mm。
由于采用聚四氟乙烯(PTFE),所以具备高耐磨、耐酸碱等化学条件,并且可以改变对液体的亲和能力。其优点为具有高渗透率、高强度、滤液清洁、卸饼快,寿命长;不足是在反吹时,薄膜与基布存在脱落问题[9,10]。
目前国外生产的主要涂膜滤布还有P&S公司生成的PrimaporTH微孔聚合物覆层滤布、澳大利亚Ravlex生产的复合于滤布式针刺毡上以四氟乙烯共聚物为主要原料制作的微孔膜(孔径1~5μm)。
我国也试制出聚四氟乙烯微孔膜复合滤布用于除尘。用射线加工聚酯和氟碳化合物的混合物制成孔径1~10μm多孔膜,也是新研究开发的一个新品种。有的镀膜滤布已申请了专利,但还应尽快实现规模化生产。
随着过滤要求的不断提高,纤维改进及单丝织物、双层复合滤布、涂层滤布等必将随着过滤行业的需要,而有进一步的发展。
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