摘要:分析了粉尘的性质及其危害性;介绍了各类过滤除尘用纺织材料的应用情况;阐述了各种功能性除尘纺织材料的主要特性及其国内外的发展状况;指出了过滤粉尘用纺织材料的发展方向。
    关键词:粉尘，过滤用纺织材料，发展现状
    中图分类号:TS156．62文献标识码:A文章编号:1004－7093(2011)01－0001－06
    大 气中几乎每时每刻都存在着粉尘，人类活动的加剧导致工业、生活、交通和建筑等各类排放源排放了大量的烟尘和粉尘，使大气中粉尘颗粒物急剧增加。由粉尘而引 起的各种隐患，严重影响着人类的生产活动和身体健康。随着科学技术和现代化工业的不断发展，人们越来越重视空气质量，对个人的防护要求也越来越高，因此越 来越关注能安全防护粉尘的材料，并进行开发和应用。随着除尘净化技术的不断发展、水平的提高及其应用范围的扩展，对应用于除尘行业的纺织品在数量、品种和 质量上都有更高的要求，使得应用于过滤除尘的防护纺织材料的研制与开发显得越来越重要。
    1·粉尘的性质及其危害性
    粉尘是大气的主要污染源之一。国际标准化组织将粒径小于75μm的固体悬浮物定义为粉尘。在大气污染控制中，依照粉尘的不同特征有不同的分类方法。按粉尘颗粒大小分类方法［1］，粉尘可分为三类:
    (1)可见粉尘，用眼睛可以分辨的粉尘，粒径大于10μm;
    (2)显微粉尘，在普通显微镜下可以分辨的粉尘，粒径在0．25～10μm之间;
    (3)超显微粉尘，在超倍显微镜或电子显微镜下才可分辨的粉尘，粒径在0．25μm以下。
    在 人类活动中，工业生产、交通运输和农业活动产生大量粉尘，尤其是建材、冶金、化学工业以及工业与民用锅炉产生的粉尘最为严重。粉尘的危害表现在危害人体健 康、影响生产和污染环境三个方面。粉尘危害人体健康的主要因素为粉尘的化学成分、粉尘的颗粒度和粉尘的浓度。有毒粉尘(铅、砷、汞、铬、锰、镉、镍等)能 引起中毒;对人的五官和皮肤有刺激作用，会引起炎症;各类粉尘进入人体肺部会引起尘肺病等。对于生产的影响主要是粉尘会降低机器工作精度，降低产品质量， 降低光照度和能见度，从而诱发事故。粉尘污染环境易造成空气能见度降低，导致发生交通事故，有些粉尘还会造成火灾及影响人体健康。
    2·过滤除尘用纺织材料
    2．1纺织材料的特点
    纺 织材料用于过滤除尘历史悠久。由于纺织材料的结构是具有无数微小孔隙的纤维三维网状结构，尘埃微粒必须沿着纤维弯弯曲曲的网状路径行进，随时都有可能与纤 维发生碰撞而被截留，因此过滤效率很高［2］。近年来对滤料的研发进展迅速，一般纺织滤料可用不同的加工工艺制得，其类型有机织物［3］、针织物［4］和 非织造布［5-7］。其中，在气体过滤中以非织造布应用最为广泛(占所有滤料的70%左右)［8］。非织造滤料作为一种新型的纺织滤料，以其优良的过滤效 能、高产量、低成本、易与其他滤料复合且容易在生产线上进行打褶、折叠、模压成型等深加工处理的优点，逐步取代了传统的机织和针织滤料，在各行各业得到了 广泛应用，用量越来越大［9］。随着现代工业需求及工业技术的发展，对现代纺织滤料有以下几点要求［10］:
    (1)透气性能好，易清灰，滤尘阻力低;
    (2)滤尘效率高，过滤后排放的空气含尘浓度须符合国家环保和纺织行业对滤尘设备空气排放标准的要求;
    (3)阻燃和抗静电性能必须符合纺织行业滤尘设备阻燃防爆的要求;
    (4)具有防水、防油和抗黏结性能，使滤料抗板结、易清灰，使用寿命延长，可适应滤尘设备在棉纺、化纤纺、毛纺、麻纺等不同行业和工况条件下的应用，以扩大滤料及其滤尘设备的应用领域。
    2．2除尘用纺织材料
    除尘用纺织材料广泛应用于人类的日常生活和工业生产中。目前粉尘防护类产品主要以口罩、防护服、除尘器三大类为主，用于如发生火灾的场所、扬沙天气环境以及冶金、钢铁、水泥等工业粉尘含量很高的特殊场合。
    2．2．1口罩及防护服
    口 罩对进入肺部的空气有一定的过滤作用。防尘类口罩滤料的材质有多种，包括普通织物，动物毛，非织造布等，目前在国际上非常流行的是一种由合成纤维制成，经 过静电处理的非织造布。世界上比较先进的口罩生产商3M公司的颗粒物防护口罩就是采用静电滤棉，用特殊的静电纤维制成，能够高效防护有害颗粒，过滤超细粉 尘。目前市场上各类型号的粉尘防护服则主要由DuPont，Lakeland，BaCou和3M等公司研发制造。
    2．2．2除尘器
    在我国颁布的《工厂企业设计卫生标准》中，对车间空气中粉尘的最高容许浓度作了具体规定，见表1。
           
    冶金、钢铁、水泥等工业粉尘含量很高的场所需要使用合适的除尘设备和进行有效除尘才能达到国家标准。对不同除尘要求的场合使用的除尘设备不尽相同，各类除尘器的过滤效果也有所差异。各类不同介质除尘器的过滤效率见表2［8］。
            
    在 各类除尘器中，纺织滤料除尘器在处理的粉尘颗粒尺寸和过滤效率两方面都明显优于其他类别的除尘器。纺织材料能用于气体过滤主要是因为其孔径的大小和纤维的 形状可广泛地进行选择，并能进行结构设计。采用不同的纱线和编织方法可生产出织物组织松紧度不同的机织滤料，并可确定孔径的大小;采用两种或两种以上的纤 维可以形成一种机械性能和过滤性能俱佳的织物/非织造布复合滤料，具有任何单一材料所无法比拟的优势，因而成为目前及至将来滤料的必然发展趋势。在各类纺 织滤料除尘器中，以袋式除尘器应用最为广泛。
    袋式除尘是利用三维立体多孔过滤介质来分离捕集气体中的粉尘，对捕集细粒尘的过滤效率一般可 达99．99%以上，即使是对亚微米级的粉尘也具有较高的捕集效率;不受粉尘比电阻等性质的影响，适应性强，设备结构简单，投资成本低，不耗水也不形成二 次污染，便于直接回收物料，被广泛用于水泥、钢铁与有色冶金、火力发电、汽车［11］、垃圾焚烧发电等行业。袋式过滤器是目前空气净化领域最为广泛使用的 除尘设备。袋式除尘是治理大气粉尘污染的主要手段，其优越性正在逐渐显露，应用领域在不断扩大。发达国家袋式除尘器的增长最为迅速，并早已占据市场的主导 地位，我国近年来也发展迅速。
    3·功能性除尘纺织材料
    对于一些特殊的行业，如钢铁、化工、电站、焚烧、冶金、医疗等行业，普通过滤粉尘的材料不能达到这些行业的要求，为此而开发的一系列具有耐高温、耐腐蚀、防静电、阻燃、防水防油、除菌及消除有害气体的安全防护纺织材料越来越受到重视。
    3．1耐高温纺织材料
    常 规聚酯、聚酰胺和聚丙烯等合成纤维的使用温度在120～150℃，只适用于一般烟气的处理。用于钢铁、电站及焚烧等工业废气过滤粉尘的滤料，能够耐高温是 其必备的基本条件。耐高温纤维滤料品种繁多，几种常见高温材料如聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(P84)、聚四氟乙烯(PTFE)、间位芳香族聚酰胺纤维 (Nomex为其中一种产品的商品名)和玻璃纤维的主要性能比较见表3。
           
    1973 年美国菲利普石油和纤维公司首先实现了PPS纤维的工业化生产。用PPS纤维制成的过滤袋使用温度可达到190℃，瞬间温度可达230℃，有相当长的使用 寿命。目前PPS纤维制成的过滤袋已成为电厂燃煤锅炉烟气除尘和城市垃圾焚烧炉废气处理的首选材料之一。当前PPS纤维的生产技术几乎全部由日本的帝人、 东丽，美国的FIT及法国的Nexis等几家公司掌握，而国内由于PPS原料的研究开发落后，无法满足纺丝要求，虽建有很多PPS纤维和非织造布生产厂， 但基本都是依靠进口原料纺丝。
    从1985年底起，许多各种不同的滤料生产厂已开始采用P84纤维。用P84纤维针刺毡制成的纤维袋，具有 良好的耐高温性，在250℃下加热10min其热缩率小于1%，连续使用最高温度240～260℃以上，最高瞬间工作温度可达300℃，已成功地在电厂及 炼钢厂使用。目前P84滤料已广泛应用于高温烟气过滤，并取得了很好的效果。上海一家公司研制的PPS与P84纤维复合耐高温针刺过滤毡，在以PPS机织 布为基布的上下面对称粘贴PPS与P84混合纤维层。该复合材料有显著的耐温性，作业温度为190℃;良好的抗化学性、耐腐蚀性;过滤效率高，运行阻力 低，使用寿命长。
    DuPont公司推出的Teflon纤维［12］(PTFE纤维)以其较好的耐高温性得到用户的好评。PTFE针刺毡滤 料是一种具备耐高温的高性能滤料，耐用温度可达260℃。PTFE纤维过去只有奥地利和日本的两家公司批量生产，价位很高，目前国内已有公司生产该产品， 在垃圾焚烧炉袋式除尘器和火电厂燃煤锅炉袋式除尘器上都有应用，并取得了良好的业绩。
    玻璃纤维滤料用于空气过滤于1940年10月在美国 取得专利。玻璃纤维及其复合材料一直被认为是优质的耐高温滤料，是处理高含湿量、高温烟气的较理想的滤料。奥地利一家公司开发的玻璃纤维针刺毡可长期在 260℃左右的高温下使用，使用寿命在两年以上，是脉冲喷吹除尘和反吹风除尘的优质滤料［13］。采用90%左右的玻璃纤维与10%左右的P84纤维进行 复合而成的材料，可广泛用作钢铁、水泥等行业除尘设备的滤料，其使用寿命和使用性能均大大优于其他类型的滤料。玻璃纤维膨体纱过滤布是在连续玻璃纤维平幅 过滤布基础上发展起来的一种新型织物，与连续玻璃纤维过滤布不同之处在于纬纱全部或部分由膨化纱组成，由于纱线蓬松、覆盖能力强、透气性好，因而可提高过 滤效率，降低过滤阻力，且除尘效率高(可达99．5%以上)，过滤速度在0．6～0．8 m/s(比织物滤料的过滤速度提高1～2倍)，是一种高速高效的 耐高温滤料。我国用玻璃纤维作为滤料的研究起步较晚，针对玻璃纤维的特性并克服其脆性，南京玻璃纤维研究院共研制成功四代玻璃纤维表面处理和配方工艺，取 得了明显的技术经济效益［13］。
    Nomex是美国DuPont公司的专利产品，由于Nomex具有优异的耐高温性和阻燃性、良好的尺寸 稳定性、较好的机械性能、手感柔软、可纺性好等特性，已经成为目前应用最广泛的耐高温纤维，用其制成的滤袋能经受200℃的高温烟气，瞬时耐温能达到 250℃，大量用于水泥回转窑窑头、窑尾高温烟气除尘工程中。国外除在各种工业炉窑烟气净化中普遍应用Nomex滤料外，在燃煤锅炉烟气净化方面也已取得 满意效果。国内企业在2004年也已经成功地实现了间位芳香族聚酰胺短纤的产业化，而且在长丝以及对位芳香族聚酰胺纤维领域也取得了突破性进展。
    美国唐纳森公司研发的耐高温褶皱滤料，其过滤面积比普通滤料大许多倍，而今已经能够过滤数百摄氏度的高温烟气。2004年俄罗斯研制出的新型耐高温非织造布采用进口含氟制剂喷洒和含氟制剂涂覆两种方法，将产品的使用寿命从循环3．5万次提高到6．5万次［14］。
    目 前我国耐高温纤维的研制仍处于初级阶段，国产的耐高温合成纤维较少，多数依赖进口。火电厂用的PPS滤料，水泥厂用的P84滤料、玻璃纤维覆膜滤料，垃圾 焚烧炉用的P84滤料、PTFE滤料、玻璃纤维覆膜滤料等附加值比较高的高端滤料市场主要被日本、美国和欧洲一些国家的滤料公司所垄断，国内芳香族聚酰 胺、PPS、P84和PTFE纤维等原材料主要依赖进口。耐高温合成纤维原料是我国的一大薄弱环节，由上海市纺织科学研究院和上海市合成纤维研究所共同开 发的芳砜纶(聚砜酰胺纤维)［15］及其滤料产品是唯一的国内开发项目。以芳香族聚酰胺纤维为主体原料开发的非织造材料可以作为高效空气滤料，利用纤维本 身的耐高温、耐酸碱腐蚀等性能，用针刺、水刺等工艺进行加工。该材料具有过滤精度高、流量大、耐腐蚀等特点，可以满足特殊情况下的过滤需求。中国烟台氨纶 集团于2004年实现间位芳香族聚酰胺纤维的工业化生产，目前年生产能力达到4 300 t，位居全球第二，仅次于美国DuPont公司［13］。
    3．2耐腐蚀纺织材料
    燃 煤锅炉、垃圾焚烧炉排放的废热烟气中一般都含有SOx、NOx、HCl等气体，这些腐蚀性的烟气会严重影响除尘器滤料的过滤性能及使用寿命，因此该类烟气 的过滤不仅要求滤料耐热性能好，而且还要求滤料兼具耐化学腐蚀、耐水解等性能。PTFE、PPS［16］、P84、玻璃纤维等除了具有良好的耐高温性外， 都具有一定的耐化学腐蚀性。PTFE纤维具有极强的耐化学腐蚀性，由其制成的滤料是目前耐化学腐蚀性最好的一种滤料，可耐受各种酸碱及强氧化物的腐蚀，水 解稳定性和阻燃性都很好，同时具有较高的过滤效率和良好的清灰性能，即使在温度较高的情况下，表面也只黏附少量的灰尘，具有很高的性价比，适合在各种炉窑 特别是电力燃煤锅炉、垃圾焚烧炉上使用;PTFE滤料的缺点是抗拉、耐磨和抗折性较差，且价格较高(相当于玻璃纤维滤料的10倍);PTFE滤料在国外使 用很多，在国内多用于复合滤料中。玻璃纤维滤料是比较有代表性的耐腐蚀滤料，是过滤含有腐蚀性化学成分烟气的较理想的滤料;由美国Midwesco公司提 供的玻璃纤维滤料具有极好的尺寸稳定性，较好的耐化学腐蚀性，很适合在高温、腐蚀性强的烟气中使用;玻璃纤维滤料已在国内大面积推广使用，取得了巨大的社 会效益、环境效益和经济效益。
    意大利Monte公司生产的Ricem纤维是一种高性能均聚型100%丙烯腈系纤维，有极好的力学性能，优 异的耐水解性能，很好的耐热性能，较好的耐化学试剂性能和极好的耐晒性、耐气候性、耐霉变性和抗细菌性能，由其制成的滤料最主要应用于过滤有腐蚀性的气体 ［2］。
    3．3抗静电及阻燃纺织材料
    在粉尘与纤维的碰撞、摩擦过程中会产生静电，一般的工业粉尘在达到爆炸极限浓度后， 如遇外界摩擦放电产生的火花或外界点火等因素，能引燃除尘器中的可燃粉尘，容易导致爆炸和火灾。为降低不必要的损失，需要滤料具有抗静电和阻燃性。目前一 般使滤料具有导电性的方法有［17］:
    ①在机织滤料的经纱中间隔布入导电纱线;②在针刺滤料基布的经纱中间隔布入导电纱线;③在针刺滤料的纤网中混入导电纤维。
    通过在滤料中添加导电物质使滤料具有导电的能力，当易荷电的粉体聚集在纤维表面时，表面的电荷可通过接地的除尘器壳体释放。
    P84 纤维滤料因其具有突出的耐高温性、难燃性、电绝缘性和耐辐照性，受到了国内外研究人员的关注。P84纤维是一种难燃材料，发烟率低，具有自熄性，且电绝缘 性优良，由P84纤维制成的滤料有很好的阻燃性。日本东丽公司最早开发成功并实现工业化生产的聚酰胺纤维Paral是最早出现的抗静电纤维。法国 Kermel公司生产的Kermel纤维滤料［18］，连续使用温度可达260℃，短时间使用最高温度为460℃，连续使用温度比同类产品高出30%，用 于烟尘过滤可提高过滤器的可靠性和耐久性。由于Kermel纤维是一种从本质上不燃的聚酰胺氩氨材料，因此其阻燃隔热性能是持续保持的，可作为高温行业 (如垃圾焚烧站、电站)使用的除尘滤料。Visil纤维［19］是一种新型耐高温阻燃粘胶纤维，是由纤维素和硅酸盐组成的纤维。Visil纤维中加入 25%～30%的芳香族聚酰胺纤维，不仅可保证其阻燃效果，而且解决了耐磨问题。德国BASF公司的Basofil纤维［20-21］也是一种可耐高温及 防火的热固型三聚氰胺纤维，适用温度达200℃。该纤维阻燃性能高、热传导性低、热稳定性优良，是可以应用于耐焰领域的除尘用纺织制品。
    3．4拒水拒油纺织材料
    空 气中的粉尘含水含油，具有吸湿性和潮解性，在分离过程中粉尘极易黏附在滤料表面，发生黏袋现象。黏袋将引起除尘设备清除滤层困难，阻力上升，甚至使设备无 法正常运转而必须停机换袋，因此要求过滤含水含油气体的滤料能够拒水拒油。降低材料的表面张力，使其小于水和油的表面张力，才能使滤料在一定程度上不被水 或油润湿。拒水拒油整理一般有两种方法［22］。一是反应法，使防水油剂与纤维大分子结构中的某些基团发生反应，形成大分子链，改变纤维与水和油的亲和性 能，变成拒水拒油型纤维;另一是涂敷法，用涂层的方法来防止滤料被水或油浸湿。1969年美国Gore公司首创制取膨体聚四氟乙烯(e-PTFE)薄膜的 工艺方法，GORE-TEX薄膜非常光滑，与水100%不浸润，具有良好的拒水性。国内多用含氟类防水防油剂对纺织材料进行涂覆，使材料具有拒水拒油的功 能。中国科学院化学所的研究人员提出的纳米界面结构理论以及在此基础上开发出的具有超双疏界面性能(同时具有超疏水性能及超疏油性能)材料，具有较强的拒 水拒油性能。
    3．5抗菌(病毒)纺织材料
    无论是在医院、食品行业还是一些特殊的场合，对有害病菌和病毒的含量都有严格的 控制。有害病菌和病毒大多是依附于空气中的粉尘而进行传播的。抗菌纺织材料可以通过采用功能性整理或直接采用抗菌纤维加工的方法，使具有抗菌灭菌作用的化 学制剂牢固地吸着在纺织材料的纤维上，因而使材料具有显著的抗菌灭菌效果。Amicor抗菌纤维［23］是全球最大纤维生产公司英国Acordis公司发 明的新型抗菌纤维。与一般抗菌产品相比，Amicor纤维有着对人体安全性高、耐洗性好、抗菌针对性强、效果显著且永久、不会使细菌产生抗性的优点。添加 纳米氧化钛［24］、纳米银与纳米氧化锌［25］于纺织材料中，不但对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌有很好的抑制作用，而且对人体基本无毒，安全性能强。美 国3M公司的N95口罩是世界卫生组织推荐的防H1/5N1流感口罩，对流感病毒的最低过滤效率大于95%，其生产的医用1860口罩能够针对某些微生物 颗粒(如病毒、细菌、霉菌、炭疽杆菌、结核杆菌等)进行有效过滤。美国NanoHorizons公司和GJ Littlewood＆Son公司开发了一套 将SmartSilver［26］的抗菌性能结合到产业用纤维中的工艺，研制出一种持久性抗菌纤维。国内也有大量研究单位研究抗菌类纺织品，如东华大学 ［27］、上海海事大学、上海市合成纤维研究所［28］等。东华大学研制的AB抗菌系列产品，具有较好的抗菌功能。由上海市合成纤维研究所的科研人员研制 的永久性抗菌纤维，采用对人体无害，与纤维用高分子材料相容性好，具有广谱抗菌效果(可抗革兰氏阳性菌、抗革兰氏阴性菌、抗真菌、抗霉菌)的抗菌剂，经数 十次标准方式洗涤后仍可保持90%以上的抗菌率，纤维特性与常规纤维相同，使永久性抗菌纤维的研究和生产达到了一个新的水平。
    4·展望
    现代科技的发展提高了人们对于纺织产品的需求，不断提高的生活水平也提升了人们对空气质量的要求，全球对滤料的需求量逐年增长。
    (1)随着纺织技术的发展，新型纺织材料的品种越来越多，非织造布逐渐取代传统纺织材料，产品由单一型走向多元复合型。
    (2)具有特殊功能的纺织材料的种类越来越多，功能也越来越丰富。功能性纤维纺织材料作为过滤技术使用的关键性材料有着广阔的发展前景，针对性和实用性强的功能性滤料将成为今后的发展方向。
    (3) 纳米纤维技术的发展近年来取得长足的进步，静电纺纳米纤维以其极大的比表面积和孔隙率、极高的过滤精度等优势而得到滤料研究者的青睐。具有优异性能的纳米 纤维将逐步应用于粉尘滤料，成为今后纤维除尘材料发展的一大方向。我国除尘技术起步晚，经过数年的发展取得了一定的成就，但是大多数高性能纤维滤料仍然需 要进口，高性能纤维产品有待进一步研发。
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