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微纳米纤维复合滤纸反吹性能的研究

- ORCID：
刘思含 ¹
- ORCID：
梁云 ¹
- ORCID：
冉超 ¹
- ORCID：
于天 ²
- ORCID：
唐敏 ¹
✉

1. 华南理工大学轻工科学与工程学院，广东广州，510640； 2. 广西华原过滤系统股份有限公司，广西玉林，537005

中图分类号： TS761.2

最近更新：2023-03-22

DOI：DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2023.03.009

摘要

本研究探讨了3种微纳米纤维复合滤纸在不同面流速及发尘浓度条件下的反吹性能，主要对初始过滤效率接近的湿法纤维复合滤纸、熔喷纤维复合滤纸和静电纺纤维复合滤纸的性能进行了对比研究。结果表明，在面流速11.1 cm/s、发尘浓度1 g/m³时，没有反吹的情况下，湿法纤维复合滤纸、熔喷纤维复合滤纸和静电纺纤维复合滤纸的一次容尘量分别为85.3、84.8、64.1 g/m²；而容尘性能不佳的静电纺纤维复合滤纸在反吹过程中表现优异，完成30次反吹清灰用时约3700 s，是一次容尘实验时用时的13.8倍，终止时阻力为554 Pa；湿法纤维复合滤纸与熔喷纤维复合滤纸的反吹用时分别为2587、2527 s，明显低于静电纺纤维复合滤纸，终止阻力分别为854和724 Pa。随着面流速从11.1 cm/s提高至19.4 cm/s，或发尘浓度由1 g/m³增加至4 g/m³时，滤材的反吹清灰用时均急剧下降。

关键词

空气过滤; 复合滤纸; 反吹性能; 微纳米纤维

空气滤清器是汽车发动机的重要部件，滤清器的作用是确保进入发动机气缸的空气质量。空气中含有固体颗粒物，一旦颗粒物随空气进入发动机，会对气缸、曲轴等部件造成磨损，降低发动机的使用效率与使用寿命^[

1]。随着滤清器的运行，不断积累的粉尘颗粒会使滤清器的阻力增加，为保证滤清器的运行阻力在可接受的范围内，需要定期更换滤清器或对滤清器进行清灰以延长滤清器的使用寿命。常用的清灰措施包括机械振动清灰、反向气流清灰、脉冲喷射反吹清灰，其中脉冲喷射反吹清灰由于其可靠性及清洁效率高更受欢迎^{[参考文献 2-3}2-3]。

反吹清灰常用在电厂、燃煤厂等工业除尘领域，脉冲喷吹气流在极短的时间内，从滤袋或滤筒上的喷吹孔中，以与过滤气流相反的方向喷入滤袋或滤筒，从而使过滤材料表面的粉尘脱落。工业除尘领域使用的过滤材料主要为聚苯硫醚（PPS）针刺滤袋、聚四氟乙烯（PTFE）覆膜滤袋等。为进一步改善滤袋或滤筒的反吹清灰效果，目前有较多团队对脉冲喷吹参数（如喷嘴参数、喷吹压力等）进行了研究^[

4-5]。Gao等人^{[参考文献 6

百度学术}6]通过数值模拟的方法对脉冲反吹清洁系统进行了优化设计，得出了聚酯纤维无纺布制备的滤筒清灰效果最佳时的锥座尺寸与安装高度，使清洁性能得到了改善；Furumoto等人^{[参考文献 7

百度学术}7]研究了定时清洁过程中脉冲时间间隔对聚酯纺粘纤维滤筒的过滤性能的影响；Jeon等人^{[参考文献 8

百度学术}8]通过模拟发现小颗粒会引起滤饼阻力上升加快；Cho等人^{[参考文献 9

百度学术}9]和Cirqueira等人^{[参考文献 10

百度学术}10]对脉冲喷吹过程中的颗粒物的沉积过程进行了研究，发现使用织物过滤材料的滤筒对小颗粒（如烟颗粒）反吹清灰效果较差；Boudhan等人^{[参考文献 11

百度学术}11]探究了颗粒物湿度对聚四氟乙烯滤袋反吹性能的影响，研究发现空气湿度可增加滤袋的除尘效率，但会增加压降从而降低滤袋的寿命；Andersen等人^{[参考文献 12

百度学术}12]对聚丙烯、丙烯酸、聚酯3种织物过滤材料在面流速0.10 m/s的反吹清灰能力进行了研究，发现聚丙烯材料在反吹清洁后残留在滤材上的颗粒物最多，颗粒物和织物间的黏附力较高，阻碍了颗粒物的去除；Saleem等人^{[参考文献 13

百度学术}13]通过对总过滤面积4 m²的聚亚酰胺滤袋和针刺滤袋进行了反吹清灰的研究，发现当粉尘浓度从4.53 g/m³增加至7.32 g/m³时，滤袋实验寿命从3700 s降至2600 s，且过滤速度对滤袋寿命的影响比粉尘浓度大，当过滤速度从20.5 mm/s增加至34.1 mm/s时，寿命从3700 s降至1000 s；Tsai等人^{[参考文献 14

百度学术}14]研究发现随着过滤速度的增加，滤饼与织物间的黏附力增大，会影响过滤器的脉冲反吹清洁性能。使用反吹清灰的过滤器已在工业除尘领域得到了广泛应用，大量学者对滤袋或滤筒的脉冲反吹清灰影响因素的研究，均证明了反吹清灰可有效延长滤袋或者滤筒的寿命，并得出了对于滤袋或滤筒最佳的反吹清灰装置的安装、脉冲气流等参数，但对于反吹清灰在其他领域应用（如发动机滤清器等）的研究较少。

货车、重型卡车及矿区用车的滤清器使用环境恶劣，环境空气中的粉尘浓度最高可达4~5 g/m³，约是普通公路的10倍，因此这类滤清器的寿命短暂，需频繁更换^[

15]。针对这类应用场景，为延长滤清器的使用寿命，有学者参考工业除尘领域的反吹清灰功能设计出了具有自清洁功能的滤清器，以减小滤清器的使用与维护成本^{[参考文献 16

百度学术}16]。黎长青等人^{[参考文献 17

百度学术}17]设计了一种车用发动机的自清洁式滤清器；赵金国等人^{[参考文献 18

百度学术}18]对矿用自卸车辆发动机进气系统进行自清洁改进，使空气自清洁式滤清器的使用效率得到提高。目前发动机滤清器常用滤纸包括多种纤维混杂制备的滤纸、熔喷纤维复合滤纸、静电纺丝纤维复合滤纸^{[参考文献 19-21}19-21]。目前，较多研究集中在滤纸的过滤性能与容尘量领域，蔡晓堑等人^{[参考文献 22

百度学术}22]探究了以玻璃棉为主体的微纳结构滤纸的过滤性能；张涛等人^{[参考文献 23

百度学术}23]对超细纤维复合滤材对油灰混合颗粒的容尘性能进行了探究，但针对这类滤纸反吹性能的研究不多。赵晨等人^{[参考文献 24

百度学术}24]对由100%植物纤维制备的滤纸与由60%低表面能纤维与40%植物纤维混合制备的滤纸的反吹性能进行了研究，发现含有60%低表面能纤维的滤纸清灰性能较好；余娇等人^{[参考文献 25

百度学术}25]、杨家喜等人^{[参考文献 26

百度学术}26]分别探究了静电纺滤纸与熔喷滤纸、静电纺滤纸与造纸湿法复合滤纸的过滤性能，并对反吹性能进行了初步探究，但没有对发尘浓度、过滤速度的影响进行具体探究。

本研究以湿法纤维复合滤纸、静电纺纤维复合滤纸、熔喷纤维复合滤纸为研究对象，对包括面流速、发尘浓度在内的反吹清灰性能的影响因素进行了探究，为发动机等领域自清洁式滤清器中滤纸的选用与研发提供参考依据。

1 实验

1.1　实验材料

本研究使用的是汽车发动机进气过滤系统中常用的3种滤纸，分别是湿法纤维复合滤纸（K01）、熔喷纤维复合滤纸（K02）、静电纺纤维复合滤纸（K03），K01和K02由广州华创化工材料科技开发有限公司提供，K03由广西华原过滤系统股份有限公司提供；ISO A2细灰12103-1，由美国PTI粉末技术公司提供。

1.2　滤纸性能表征

1.2.1　物理性能与形貌表征

使用YG142型手提式测厚仪按照标准GB/T 3820—1997测量滤纸厚度。使用荷兰Phenom G2 Pro Y型扫描电子显微镜（SEM）观察滤纸的表面形貌，通过Image J软件测量SEM图片中滤纸的物理结构，包括微纳米纤维层厚度、入流面纤维直径，每个样品测量100根纤维。按照GB/T 451.2—2002测量滤纸定量。使用瑞士FX3300-Ⅳ型透气度仪测试透气度。使用美国PMI CFP-1100-A型毛细管流动孔隙度仪测试平均孔径、最大孔径以及孔径分布。使用美国TSI 8130型气体透过自动测试台测试过滤效率。

1.2.2　容尘量测试

滤纸对A2灰的容尘性能测试系统如图1所示，测试系统由发尘器（RGB1000，德国PALAS公司）、测试管道、测试滤纸夹具、绝对滤夹具组成，通过调节发尘器的加灰速度可以改变发尘浓度。本测试中，参考标准ISO 5011—2014，测试面流速为11.1 cm/s，加载A2灰的浓度为1 g/m³；A2灰经发尘后进入测试管道，到达测试夹具上的滤纸，当滤纸的压差达到2000 Pa时，实验停止，将滤纸拿出并称量，容尘量计算如式(1)所示。

图1 容尘测试台结构图

Fig. 1 Experiment structure of dust holding test

D H C = \frac{M_{1} - M_{0}}{A}

（1）

式中，DHC表示容尘量，g/m²； $M_{1}$ 为容尘实验结束后滤纸的质量，g； $M_{0}$ 为滤纸初始质量，g；A为滤纸的有效过滤面积，本研究中取0.01 m²。

1.2.3　反吹清灰测试

滤纸的反吹清灰测试系统如图2所示，使用德国TOPAS公司的AFC131型滤料动静态测试台，测试系统主要由发尘装置、测试管道、流量控制单元构成，由软件AFC131进行控制。测试管道水平放置，实验粉尘A2灰通过发尘装置分散并与压缩空气混合，含尘气流沿气流方向进入管道中，到达滤纸表面，颗粒物被滤纸拦截，当滤纸两端的压差上升至预先设定值时，脉冲反吹阀自动开启60 ms，使用500 kPa的喷吹压力对滤纸进行反吹清灰。

图2 TOPAS AFC131测试台结构图

Fig. 2 Experiment structure of TOPAS AFC131

本研究中，参考容尘测试标准、实验台测试范围及高尘情况下的道路粉尘量，选择的测试标准流速与高流速分别为11.1与19.4 cm/s，标准发尘浓度与高发尘浓度分别为1与4 g/m³，本研究在温度为(23±2) ℃，相对湿度为(55±5)%的环境下进行。

2 结果与讨论

2.1　物理结构与形貌分析

3种滤纸的入流面、出流面与截面的SEM图如图3~图5所示，表1是3种滤纸的物理结构与纤维组成，3种滤纸的入流层纤维均为微纳米超细纤维，K01与K02的出流层为植物纤维与合成纤维混合抄造而成，K03的出流层纤维为纯植物纤维。从图3~图5及表1可以看出，K01与K02的厚度较大，分别为0.417、0.414 mm，K03的厚度最小，仅0.262 mm；K01表面层纤维是玻璃棉与天丝纤维，微纳米纤维层厚度为0.064 mm，入流面的纤维直径分布不均匀，分布范围为78~3246 nm，平均直径约为590 nm；K02表面层是熔喷PP纤维，表面层的厚度为0.082 mm，平均直径最大，为1434 nm；K03的入流面为PVDF静电纺纤维层，表面纤维层厚度仅0.001 mm，纤维直径相对均匀且较小，平均直径为186 nm，由于静电纺纤维层强度较低，在使用过程中受到外力拉伸或摩擦等作用时，易发生破损或脱落，可能降低过滤材料的过滤效率及使用寿命。

图3 K01入流面、出流面、截面SEM图

Fig. 3 SEM images of filter paper K01 inlet surface, outlet surface， and section

图4 K02入流面、出流面、截面SEM图

Fig. 4 SEM images of filter paper K02 inlet surface, outlet surface， and section

图5 K03入流面、出流面、截面SEM图

Fig. 5 SEM images of filter paper K03 inlet surface, outlet surface， and section

表1 3种滤纸的纤维组成与物理结构

Table 1 Fiber composition and physical structure of three kinds of filter paper

滤纸	微纳米纤维组成	厚度/mm	微纳米层厚度/mm	微纳米纤维直径/nm
滤纸	微纳米纤维组成	厚度/mm	微纳米层厚度/mm	分布范围	平均值	标准偏差
K01	玻璃棉与天丝纤维	0.417	0.064	78~3246	590	428
K02	PP纤维	0.414	0.082	328~5166	1434	730
K03	PVDF纤维	0.262	0.001	90~365	186	63

2.2　基本性能测试结果分析

3种滤纸的基本性能测试结果如表2所示。由表2可知，K01与K02的定量较大，分别为126.7和136.6 g/m²，K03的定量最小，为86.4 g/m²；K03的透气度最大，为275 mm/s，透气度最小的是K01，为202 mm/s；3种滤纸的初始过滤效率接近，K02的初始过滤效率略大，为44.4%，K01与K03的初始过滤效率分别为40.0%和42.6%。图6为3种滤纸的孔径分布图，结合表2中的数据可以看到，K02的平均孔径最小，且分布较为集中，近50%的孔径分布在4~8 μm，最大孔径为32.1 μm，K01的孔径较多集中在4~16 μm，最大孔径39.9 μm，K03的孔径多集中在8~20 μm，最大孔径为45.1 μm。

表2 3种滤纸的基本性能测试结果

Table 2 Basic performance test results of three kinds of filter paper

滤纸	定量/g·m^-2	透气度/mm·s^-1	挺度/mN·m	平均孔径/μm	最大孔径/μm	初始过滤效率/%
K01	126.7	202	4.40	13.5	39.9	40.0
K02	136.6	256	4.33	8.1	32.1	44.4
K03	86.4	275	1.09	16.0	45.1	42.6

图6 3种滤纸的孔径分布图

Fig. 6 Pore size distribution of three kinds of filter paper

2.3　容尘性能分析

表3为3种滤纸在面流速11.1 cm/s、发尘浓度1 g/m³、终止阻力2000 Pa时的一次容尘测试结果，这通常用于反映没有反吹设计时的滤材寿命。图7为3种滤纸在容尘过程中的实时阻力图。从表3可以看出，K01与K02的容尘量较大，分别为85.3和84.8 g/m²，K03的容尘量最小，为64.1 g/m²。从图7可以看出，K03在容尘过程中阻力迅速增大，用时约280 s即达到终止阻力，K01与K02达到终止阻力的用时分别为640和580 s。通过3种滤纸入流面的SEM图（如图3~图5所示）可以发现，K01与K02的入流面纤维直径分布较广，孔隙结构较开放，同时K01与K02的微纳米层厚度远大于K03，可以容纳更多的颗粒物，因此K01与K02的一次容尘性能更好。

表3 3种滤纸容尘量测试结果

Table 3 Dust holding capacity of the three kinds of filter paper

滤纸	容尘量/g·m^-2
K01	85.3
K02	84.8
K03	64.1

图7 3种滤纸容尘过程阻力曲线图

Fig. 7 Resistance curves of dust holding process of three kinds of filter paper

2.4　滤纸的反吹性能分析

2.4.1　滤纸结构对反吹清灰性能的影响

图8为3种滤纸反吹30次的实时阻力曲线图，测试条件为面流速11.1 cm/s，发灰浓度1 g/m³，终止压差2000 Pa。图9为3种滤纸在反吹过程中的单次循环时间图。表4为3种滤纸在相同流速和发尘浓度测试条件下，一次容尘达到终止压差的用时与反吹30次用时的对比。

图8 3种滤纸反吹30次的实时阻力曲线图

Fig. 8 Real-time resistance curves of three kinds of filter paper back-blowing for 30 times

图9 3种滤纸的单次反吹循环时间曲线图

Fig. 9 Single back-blowing cycle time curves for three kinds of filter paper

表4 3种滤纸的一次容尘用时与反吹30次用时

Table 4 Three kinds of filter paper used for one dust and 30 times of back blowing

滤纸	一次容尘用时/s	30次反吹用时/s	反吹用时∶一次容尘用时
K01	640	2590	4.0
K02	580	2530	4.4
K03	270	3729	13.8

从图8可以看出，3种滤纸在完成前10次反吹清灰循环时，用时差别不大，K03的反吹用时为1500 s，略长于K01和K02的反吹用时，但反吹次数增加至30次时，K03的反吹用时远大于K01和K02，K03的用时为3729 s，是其他2种滤纸的1.5倍。同时，K03在完成30次反吹清灰后的阻力最低，为554 Pa，K01与K02的阻力分别为854与724 Pa。这是因为随着反吹次数的增多，入流面微纳米纤维层较厚、孔隙结构较开放的K01和K02的入流层内部会容纳更多的颗粒物，随着反吹过程的进行，被纤维黏附的颗粒物越来越多，难以被反吹气流吹落，因此随着反吹次数的增加，K01与K02的单次循环时间越来越短。由图9可以看出，3种滤纸的单次循环时间均随循环次数的增加，先快速下降后逐渐平缓下降。快速下降的过程是颗粒物被纤维捕获的过程，由于颗粒物与纤维间的黏附力较大，难以被反吹气流吹落，造成滤纸的阻力增加，循环时间减少，当颗粒物逐渐沉积在滤纸表面时，会形成滤饼，此时的过滤方式为滤饼过滤，反吹气流吹落的颗粒物为沉积在滤饼上的颗粒物，因此循环时间的下降程度减缓。而K03由于入流面纤维为静电纺纤维，直径小，且静电纺层很薄，颗粒物在静电纺层表面会快速形成滤饼，因此K03循环时间的下降速度会较慢。

通过表4可以看出，当对滤纸采取反吹保养的方式时，滤纸到达终止阻力的时间大幅度延长，湿法纤维复合滤纸与熔喷纤维复合滤纸的实验终止用时分别是一次容尘用时的4倍和4.4倍，静电纺纤维滤纸的效果提升最多，是一次容尘用时的13.8倍。

2.4.2　面流速与发尘浓度对反吹清灰性能的影响

图10为3种滤纸在不同面流速与发尘浓度条件下反吹10次实时阻力曲线图。实验条件分别为：面流速11.1 cm/s、发尘浓度4 g/m³；面流速11.1 cm/s、发尘浓度1 g/m³和面流速19.4 cm/s、发尘浓度1 g/m³。从图10可以看出，当发尘浓度不变，面流速由11.1 cm/s增至19.4 cm/s时，K01、K02、K03反吹10次用时分别从1900、1931、2085 s降低至367、367、416 s；当面流速不变，发尘浓度由1 g/m³增至4 g/m³时，K01、K02、K03的10次清灰用时分别降至353、366、408 s。

图10 3种滤纸在不同面流速与不同发尘浓度下的30次反吹实时阻力曲线图

Fig. 10 Real-time resistance curves of three kinds of filter paper at diffenent kinds of surface flow rate and dust concentration

为了更直观地评价3种滤纸的反吹清灰性能，参照GB/T 6719—2009《袋式除尘器技术要求》，用粉尘剥离率来表示清灰时从滤纸上剥离的粉尘质量与清灰前试样上堆积的粉尘质量之比，剥离率计算见式（2）。

K =

\frac{P - P_{i}}{(P - P_{0})}

×100%

（2）

式中，K为粉尘剥离率，%；P为清灰阻力（本研究中为2000 Pa），Pa；P_i为第i次清灰阻力，Pa；P₀为洁净滤料阻力，Pa。

粉尘剥离率可以反映每一次反吹清灰后滤纸的阻力恢复程度，粉尘剥离率越高，阻力恢复的程度越好，滤纸可使用的时间可能会更长。图11为3种滤纸在不同面流速和发尘浓度下的粉尘剥离率。通过图11可以看出，粉尘剥离率整体呈下降趋势，当面流速为11.1 cm/s、发尘浓度为1 g/m³时，3种滤纸的粉尘剥离率均最高，当面流速为11.1 cm/s、发尘浓度为4 g/m³时，滤纸的粉尘剥离率略高于面流速为19.4 cm/s、发尘浓度为1 g/m³的粉尘剥离率。结果表明，面流速与发尘浓度均对滤纸的反吹性能有影响，面流速的影响比粉尘浓度对滤纸反吹性能的影响大，因为面流速越大，滤纸表面形成的滤饼压缩程度越大，形成的滤饼结构越致密，而粉尘浓度的增加会影响滤饼的密度，可能会导致粉尘颗粒难以被反吹气流吹落。

图11 3种滤纸在不同面流速与发尘浓度下的粉尘剥离率

Fig. 11 Dust stripping rate of three kinds of filter paper at different kinds of surface flow rate and dust concentration

为了探究3种滤纸反吹后的滤纸与颗粒物的结合情况，观察发尘浓度为1 g/m³、面流速为11.1 cm/s时，反吹10次后滤纸的入流面SEM图，如图12所示。从图12可以看出，湿法纤维复合滤纸和熔喷纤维复合滤纸的入流面纤维上黏附大量颗粒物，这些颗粒物没有被反吹气流吹落，同时有部分颗粒物进入滤纸内部，静电纺纤维滤纸经过反吹后，表面出现了明显破洞现象，这是因为静电纺的强度较弱，在使用过程中出现了破损，可能会造成部分颗粒物通过破洞处进入滤材内部与基材纤维黏附在一起，从而降低滤纸的过滤效率与清灰效率。

图12 3种滤纸反吹10次后的SEM图

Fig. 12 SEM images of three kinds of filter paper after 10 times of back-blowing

注从左至右依次为入流面、入流面、截面。

3 结论

本研究对3种初始过滤效率接近的湿法纤维复合滤纸、熔喷纤维复合滤纸、静电纺纤维复合滤纸（K01、K02、K03）的过滤性能、容尘性能和在不同面流速、不同发尘浓度下的反吹性能进行了研究。

3.1 K01、K02、K03的过滤效率分别为40.0%、44.4%、42.6%，加载相同浓度的A2灰时，K01和K02的一次容尘量较大，分别为85.3和84.8 g/m²，K03的容尘量较小，为64.1 g/m²，微纳米纤维层厚度较大、结构较开放的滤纸具有较好的一次容尘性能。

3.2 当面流速为11.1 cm/s、发尘浓度为1 g/m³时，与一次容尘相比，反吹30次时3种滤纸终止实验的用时均显著提升，K03提升至3729 s，是一次容尘用时的13.8倍；K01和K02用时约为2500 s，分别是一次容尘用时的4倍和4.4倍，因此一次容尘性能不佳的K03有较好的反吹清灰性能。

3.3 当面流速由11.1 cm/s增至19.4 cm/s时，3种滤纸K01、K02、K03完成10次反吹用时分别从1900、1931、2085 s降至367、367、416 s；当发尘浓度由1 g/m³增至4 g/m³时，K01、K02、K03完成10次反吹清灰用时也大幅下降，分别降至353、366、408 s，因此当面流速增加或发尘浓度增加时，在3种滤纸中，K03仍有最好的反吹清灰效果，但反吹性能均会大幅下降。

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CPP [百度学术]

微纳米纤维复合滤纸反吹性能的研究

摘要

关键词

1 实 验

1.1 实验材料

1.2 滤纸性能表征

2 结果与讨论

2.1 物理结构与形貌分析

2.2 基本性能测试结果分析

2.3 容尘性能分析

2.4 滤纸的反吹性能分析

3 结 论

参 考 文 献