一种基于聚芳噁二唑纤维的耐热滤毡及其制备方法与流程

1.本发明涉及耐热滤毡技术领域，具体为一种基于聚芳噁二唑纤维的耐热滤毡及其制备方法。


背景技术：

2.使用滤袋过滤是降低大气污染的手段之一；随着滤袋在工业中的普及，国内的空气质量也呈现优化的趋势。现阶段，由于沥青、水泥窑等工况中，作业温度较高，这也使得对滤袋不仅仅需要优异的过滤效果，同时需要优异的耐高温和力学性能。
3.聚芳噁二唑纤维简称宝德纶纤维，该纤维具有优异的耐高温性和耐磨性；但是其耐酸耐腐蚀性差。因此，中国专利cn106268027a中使用聚四氟乙烯纤维与聚芳噁二唑纤维混合制备了一种高温滤材，通过引入聚四氟乙烯纤维增加耐化学性，从而延长使用寿命；但是，该滤材中聚四氟乙烯纤维密度较大，需要高克重才能满足过滤要求，且聚四氟乙烯纤维本身成本加高，使得成本偏高；同时，其长期使用后由于摩擦系数低，会使得过滤效果变差，影响使用寿命。而中国专利cn102836593a中使用玻璃纤维与聚芳噁二唑纤维制备得到复合过滤材料，具有耐高温且廉价的特点，但是玻璃纤维材料会使得整体材料耐磨性减弱，影响使用寿命。
4.因此，解决上述问题，制备一种基于聚芳噁二唑纤维的耐热滤毡具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于聚芳噁二唑纤维的耐热滤毡及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于聚芳噁二唑纤维的耐热滤毡，所述耐热滤毡包括第一纤维网层、第二织物增强层、第三纤维网层；所述第二织物增强层为聚芳噁二唑纤维或间位芳纶短纤维制得的机织布；所述第一纤维网层的原料包括以下纤维：按重量百分比计，20~70%第一种纤维、15~40%涤纶短纤维、15~40%尼龙66短纤维；所述第一种纤维包括聚芳噁二唑纤维、间位芳纶短纤维中一种；所述第三纤维网层的原料包括以下纤维：按重量百分比计，20~70%聚芳噁二唑纤维、15~40%涤纶短纤维、15~40%尼龙66短纤维。
7.较为优化地，所述耐热滤毡的克重为400~600g/m2；第二织物增强层的克重为70~180g/m2；所述第一纤维网层、第三纤维网层的克重比为（50:50）~（70:30）。
8.较为优化地，所述第一纤维网层、第三纤维网层的克重比为（55:45）~（65:35）。
9.较为优化地，所述第一纤维网层中任意100μm
×
100μm的断面内存在2根以上的第一种纤维；第三纤维网层的任意100μm
×
100μm的断面内存在2根以上的聚芳噁二唑纤维。
10.较为优化地，所述第一纤维网层中，第一种纤维的平均纤度为1.0~2.5d，涤纶短纤
维的平均纤度为1.2~2.0d，尼龙66短纤维的平均纤度为1.5~3.0d；第三纤维网层中，涤纶短纤维的平均纤度为1.5~2.0d；尼龙66短纤维的平均纤度为1.5~3.0d。
11.较为优化地，包括以下步骤：步骤1：将第一纤维网层的原料第一种纤维、涤纶短纤维、尼龙66短纤维分别通过混合、开松、混棉、梳理铺网，得到第一纤维网层；将第三纤维网层的原料聚芳噁二唑纤维、涤纶短纤维、尼龙66短纤维分别通过混合、开松、混棉、梳理铺网，得到第三纤维网层；其中，混棉过程为：不同纤维经过不同的开包机，根据工艺要求设定，对不同纤维定时定量抓取，采用国内先进混合方式，通过旋风气流输送至混棉箱，在气流作用下，在混棉箱内进行充分混棉，混合时间为一般混棉时间的1.6倍，约为10~15分钟；步骤2：将第一纤维网层、第二织物增强层、第三纤维网层依照次序层叠；通过针刺结合，再经过后加工，得到耐热滤毡。
12.较为优化地，将所得耐热滤毡进一步处理，得到耐热滤毡b；具体过程：将耐热滤毡置于氯化铁溶液中，振荡浸渍，干燥；转移至氢氧化钠溶液中，振荡浸渍，干燥；得到耐热滤毡a；将耐热滤毡a浸渍在聚四氟乙烯分散液中，振荡浸渍，压轧；转移至多巴胺混合液中，振荡浸渍，压轧；干燥定型，得到耐热滤毡b。
13.较为优化地，氯化铁溶液是浓度为0.8~1.2wt%的氯化铁-二氯甲烷的溶液；氢氧化钠溶液的浓度为2mol/l；聚四氟乙烯分散液是浓度为4~6wt%的改性聚四氟乙烯-去离子水的溶液；多巴胺混合液是由体积比为1:2的硅酸乙酯-乙醇溶液与浓度为0.28~0.32wt%的多巴胺溶液混合得到；较为优化地，改性聚四氟乙烯的制备方法：将浓度为0.18~0.22wt%的多巴胺溶液与聚乙烯亚胺溶液分散在去离子水中，调节ph=9.7~10.2；加入聚四氟乙烯，均质化，洗涤干燥；转移至三氯氧磷溶液中，搅拌，洗涤干燥，得到改性聚四氟乙烯。
14.较为优化地，所述的一种基于聚芳噁二唑纤维的耐热滤毡的应用，其特征在于：将耐热滤毡采用三针缝合或热熔缝合制备滤袋，应用于沥青搅拌站、水泥窑领域。
15.上述技术方案中，采用具有耐热性的聚芳噁二唑纤维（pod纤维）提高耐热滤毡的耐温性能，同时还引入具有耐磨性的涤纶短纤维和尼龙66短纤维，降低成本的同时，提高力学性能和抗酸性，从而增加使用寿命。所制备的耐热滤毡具有高使用温度、高瞬时温度、高过滤性能。由于耐温性佳且造价便宜，可以的广泛地使用在垃圾焚烧、沥青搅拌站、钢铁、玻璃窑、水泥等场所，且特别适合于沥青搅拌站、泥窑领域。
16.（1）第一纤维网层为迎面层，由三种纤维组成，其中，第一种纤维为pod纤维或间位芳纶短纤维中的一种，平均纤度为1.0~2.5d，纤度决定了耐热滤毡的过滤效果，当过滤性能要达到排放10mg/nm3以内时，使用1.0~1.3d的纤维；当过滤性能要达到排放20mg/nm3以内时，使用1.3~1.7d的纤维，当对排放无要求时，由于纤维越细原料成本越高，使用1.7d以上的纤维；但是，当纤维纤度在2.5d以上时，由于纤维之间交络减少，成网后整体强力降低，因此，需要控制平均纤度。
17.其中，引入了涤纶短纤维，其价格便宜，但是耐热性能较差，如果是纯涤纶纤维制备的滤毡，长期使用温度为130℃。当引入量不超过50wt%时，由于滤毡中存在耐热性的pod纤维或间位芳纶短纤维，使得长时间使用温度为180℃，最高瞬时使用温度为220℃。方案
中，出于成本、力学性能、耐腐蚀性能考虑要求，控制涤纶纤维引入量不低于20wt%，较为优化方案是25~35wt%的引入量。另外，涤纶短纤维的选取，对应第一种纤维，纤维越细能多对应低排放要求。
18.其中，引入了尼龙66短纤维，其耐热性介于第一种纤维和涤纶短纤维之间，且具有极高的强度，可以增加滤毡的整体强力，同时其还提供耐碱性，低成本的特性。
19.以此，三种纤维结合，优化互补，在减少成本的同时，还能对应高温和腐蚀环境。
20.（2）第三纤维网层为非迎面层，同样的三种纤维组成，为pod纤维、涤纶短纤维和尼龙66短纤维。其中，由于pod纤维不仅耐热性不低于间位芳纶短纤维，而且耐磨性、低成本性均优于间位芳纶短纤维，因此，于第三纤维网层与龙骨接触，为了抵御摩擦，不采用芳纶纤维，而是采用pod纤维。同样的，出于耐温性、耐磨性、耐腐蚀性等综合考虑，需要控制三种纤维的引入量。
21.（3）第一纤维网层与第三纤维网层相辅相成，第一纤维网层提供过滤效果，第三纤维网层提供强度，保护第二织物增强层；因此，在第一纤维网层与第三纤维网层构造相似的基础上，总克重相同的前提下，第一纤维网层占比越多，过滤效果越好，因此其占比需要达到50wt%以上；而为了防止第三纤维网层与龙骨的摩擦，导致磨损，使得产生强力降低和破损的情况，因此第三纤维网层的占比需要达到30wt%以上，因此，较为优化的方案是第一纤维网层、第三纤维网层的克重比为（55:45）~（65:35）。
22.另外，第二织物增强层是机织布，由宝德纶短纤维或者间位芳纶短纤维制得；主要提供径向强力，其克重在70~180g/m2，而总体耐热滤毡的克重为400~600g/m2，剪取第二织物层的克重，第一纤维网层与第三纤维网层的克重应大于等于300g/m2，否则难以达到所需的过滤效果，且会使得纬向强力偏低。
23.（4）方案中，所制备得到的耐热滤毡的径向强力≥800n/5cm，纬向强力≥1000n/5cm；该力学性能的意义在于所制备的滤毡是都能够长期、稳定的使用在除尘器中，因为喷吹行为会对滤毡的经纬方向产生一定压力，因此需要滤毡具有优异的径向强力和纬向强力。
24.另外，耐热滤毡的密度为0.25~0.45g/cm2；当其＜0.25g/cm2时，纤维之间过于稀疏和蓬松，孔洞较大，无法达到很高的过滤效果。而＞0.45g/cm2时，压缩过于紧密，导致压力升高的同时不会提高过滤效率。
25.（5）方案中，设定第一纤维网层中任意100μm
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100μm的断面内存在2根以上的第一种纤维；第三纤维网层的任意100μm
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100μm的断面内存在2根以上的聚芳噁二唑纤维。目的是保证了耐热性纤维（第一种纤维、聚芳噁二唑纤维）的分散性，从而保证整体耐热性。
26.其中，以第一纤维网层为例，其任意100μm
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100μm的断面内存在的纤维综述量约在6~40根，如果此区域内第一种纤维的分布少于2，则说明其在整体纤维网中分布很不均匀，过滤过程中会发生局部劣化和破损情况。
27.另外，为了保证耐热性纤维的均匀性，采用复合混棉法，混合方法优选程差混棉、时差混棉、翻滚混棉但不局限于以上三种方式中的至少两种。且混棉时间为一般混棉时间的1.6倍以上才能保证达到目标。因为一般的混棉技术无法完全保证达到任意100μm
×
100μm的断面内存在2根以上的目标。
28.（6）应用中，将这种耐热滤毡采用三针缝合，制得的一种滤袋、滤袋。三针缝合相对
于双针缝合能够更有效地提升缝合处强力。在制作滤毡时需要注意、如果排放要求低于10mg/nm3，则需要在缝合处做特殊处理加工，例如用耐热胶水堵住缝合口等。
29.（7）为进一步提高耐热滤毡的耐腐蚀性能、力学性和耐磨性，方案中，进一步通过多步浸渍处理，得到耐热滤毡b。
30.一步浸渍是在氯化铁溶液和氢氧化钠溶液中的处理过程，利用聚芳噁二唑纤维中含氮含氧的噁二唑环，或间位芳纶纤维中的含胺基团，与三氯化铁fecl3配位，然后将氯化铁在氢氧化钠溶液中转化成氢氧化铁fe(oh)3；一是可以提高表面羟基基团和铁离子，从而利用后续涂层的浸渍和粘附，同时表面的氢氧化铁，可以有效提高纤维的耐紫外线性能，提高聚芳噁二唑纤维的抗光照性能。同时，氢氧化铁的形成提高了其耐碱性。但是由于氢氧化铁在酸性条件下易与h

反应，因此方案中，进一步浸渍过程提高耐酸性。
31.二步浸渍处理在聚四氟乙烯分散液中，表面负载聚四氟乙烯形成的。现有工艺中，由于聚四氟乙烯在水中分散性不好，易聚集，所以将其乳化形成聚四氟乙烯乳液用于浸渍处理，提高分散性；但是浸渍涂层中聚四氟乙烯的粘附性不强，易脱落。因此，本技术方案中，通过对聚四氟乙烯进行改性处理，将其在低浓度多巴胺和聚乙烯亚胺的溶液中在其表面交联包覆聚多巴胺-聚乙烯亚胺层，将其表面电荷由负变为正电荷，从而提高了其分散性；同时，将其置于三氯氧磷中。其可以与聚多巴胺-聚乙烯亚胺层的氨基反应，磷酸化，增加其表面与金属离子的螯合性，从而增强其与一次仅此处理后含有氢氧化铁表面的耐热滤毡的粘附性；通过聚四氟乙烯的表面均匀负载，有效提高了耐腐蚀性。
32.为了提高耐磨性和长期使用性，方案中，进一步将其置于多巴胺和硅酸四乙酯的混合液中，利用碱性环境中，硅酸四乙酯水解成具有丰富羟基的二氧化硅。亲水性二氧化硅可以通过多巴胺辅助共沉积在聚四氟乙烯表面。利用二氧化硅与聚四氟乙烯之间的滑动性；增加高温耐磨性，从而增强长期使用温度。同时辅助聚四氟乙烯增加耐酸性。
具体实施方式
33.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.以下实施例中，纤维的购买来源为：宝德纶纤维购买自江苏宝德新材料有限公司，ptfe纤维购买自南京英斯瑞德高分子材料股份有限公司，尼龙66纤维购买自潍坊博菲特新材料有限公司，芳纶纤维购自帝人芳纶贸易（上海）有限公司，ptfe乳液购买自山东东岳高分子材料有限公司，第二织物增强层购买自威尔克工业纺织品（嘉兴）有限公司。
35.实施例1~实施例7、对比例1~对比例3的制备过程如下：步骤1：将第一纤维网层的原料第一种纤维（聚芳噁二唑纤维或间位芳纶短纤维）、涤纶短纤维、尼龙66短纤维分别通过混合、开松、混棉、梳理铺网，得到第一纤维网层；将第三纤维网层的原料聚芳噁二唑纤维、涤纶短纤维、尼龙66短纤维分别通过混合、开松、混棉、梳理铺网，得到第三纤维网层；其中，混棉过程为：不同纤维经过不同的开包机，根据工艺要求设定，对不同纤维
定时定量抓取，采用国内先进混合方式，通过旋风气流输送至混棉箱，在气流作用下，在混棉箱内进行充分混棉，混棉时间为15分钟；步骤2：将第一纤维网层、第二织物增强层、第三纤维网层依照次序层叠；通过针刺结合，再经过后加工，得到耐热滤毡。
36.步骤3：将耐热滤毡三针缝合后不需要使用胶水密封针眼，得到滤袋。
37.其中，实施例1~实施例7、对比例~对比例3的具体的参数见下述表格。另外，对比例3的制备过程中略有差异，步骤3：将耐热滤毡三针缝合后使用胶水密封针眼，得到滤袋。
38.实施例8：以实施例1中制备得到的耐热滤毡为基础，进行后续处理；如下：（1）将不同质量的多巴胺溶于ph=8.5的tri-hcl缓冲溶液中，得到浓度为0.2wt%的多巴胺溶液a、浓度为0.3wt%的多巴胺溶液b；将聚乙烯亚胺分散在去离子水中，得到1wt%的聚乙烯亚胺溶液；将三氯氧磷分散在乙腈中，得到浓度为25%v/v的三氯氧磷溶液；将氯化铁分散在二氯甲烷中，得到1wt%的氯化铁溶液；（2）改性聚四氟乙烯的制备：将200mg的多巴胺溶液a和1g的聚乙烯亚胺溶液分散在100ml的去离子水中，加入氨水调节ph=10.1；加入100mg聚四氟乙烯，室温均质化30分钟，洗涤干燥；将其转移至50ml的三氯氧磷溶液中，设置温度为2℃，搅拌30分钟，室温搅拌2小时，洗涤干燥，得到改性聚四氟乙烯；称取改性聚四氟乙烯分散在去离子水中，得到5wt%的聚四氟乙烯分散液，备用；（3）将0.5g硅酸乙酯分散在50ml乙醇溶液中，搅拌15分钟，得到硅酸乙酯溶液；将其加入至100ml的多巴胺溶液b中，搅拌30分钟，得到多巴胺混合液；（4）将实施例1中制备得到的耐热滤毡，将其置于氯化铁溶液中，浴比为1:（20~30），室温振荡浸渍4小时，干燥；转移至浓度为2mol/l的氢氧化钠溶液中，浴比为1:20，室温振荡浸渍6分钟；干燥，得到耐热过滤毡a；将耐热过滤毡a浸渍在聚四氟乙烯分散液中，浴比为1:15；室温振荡浸渍2小时，在0.5mpa下压轧；转移至多巴胺混合液中，浴比为1:20，室温振荡浸渍1小时，在0.5mpa下压轧，在100℃下干燥定型，得到耐热滤毡b；（5）将耐热滤毡b三针缝合后不需要使用胶水密封针眼，得到滤袋。
39.对比例4：使用固含量60wt%的聚四氟乙烯乳液（ptfe乳液），将其使用去离子水稀释至5wt%浸渍处理；其余与实施例1相同。
40.具体：将实施例1中制备得到的耐热滤毡，将其聚四氟乙烯乳液中，浴比为1:15；室温振荡浸渍2小时，在0.5mpa下压轧；在100℃下干燥定型，得到耐热滤毡b；对比例5：改性聚四氟乙烯过程中，不使用三氯氧磷溶液改性处理；其余与实施例8相同。
41.对比例6：不使用氯化铁和氢氧化钠浸渍过程；其余与实施例8相同。
42.对比例7：多巴胺混合液中不引入硅酸乙酯；其余与实施例8相同。
43.实验：将实施例和对比例中的材料，进行相关性能检测，具体如下：（1）纤维的平均纤度：采用扫描电子显微镜（sem）对过滤材料的断面进行测试，在断面上随机抽取10个点进行制样测试，每个点的放大倍率为100-500倍，每个点分别至少标出10根间位芳纶短纤维或者聚芳噁二唑纤维，10根涤纶纤维以及10根尼龙66纤维的直径。一共各种纤维至少标出100根的直径，取其平均值，通过直径以及密度可算出纤度。
44.（2）100μm
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100μm的区域间位芳纶短纤维或者聚芳噁二唑纤维的根数：采用扫描电子显微镜（sem）对过滤材料的断面进行测试，在断面上随机抽取10个点进行制样测试，每个测试点放大倍率为600-700倍，取图片中100μm
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100μm的区域，找出区域中间位芳纶短纤维或者聚芳噁二唑纤维的总根数。
45.（3）克重：采取gb/t4669-2008标准，将材料剪为20cm
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20cm的形状，总计不少于5块，分别称重，然后通过计算得到过滤材料的克重，取其平均值。
46.（4）密度：基于hg/t2014-2009标准测试厚度，再将克重除以厚度，算出其密度。
47.（5）强度：根据标准gb/t3923.1-2013样条法测试样品的拉伸强度。分别对经纬向取样，取样的尺寸为20cm
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5cm，拉伸速度为10cm/分钟。夹头间隔为10cm。
48.（6）耐腐蚀性：基于gb/t6719-2009滤料耐腐蚀性测试要求，将其浸泡在温度为85℃，质量分数为60%的h2so4中24小时；之后取出，经清水充分漂洗后干燥，根据gb/t3923.1测试其断裂强力和保持率。
49.所有数据如下述表1~6所示：表1：
表2：
表3：
表4：
表5：
表6：结论：上述实施例和对比例的数据表明：表1~4的数据可知：通过优化各种纤维的比例和各项参数，可以降低成本的同时，有效提高毛热滤毡的高温性能和力学性能。表5~6的数据可知：通过进一步浸渍处理可以有效提高其耐酸性能。其中，对比例1中，由于第一纤维网层中间位芳纶短纤维含量较低，使得其长期使用温度较低；对比例2与实施例4的长期使用温度相同，但是，其成本相较于实施例4更高。而对比例3中不仅成本相较于实施例5有所提高，且过程中出现大量棉结现象，生产性能降低。对比例4中，虽然使用了聚四氟乙烯乳液改性，但是其粘附性不佳，长期使用易脱落，因此其性能弱于实施例8；对比例5中由于未使用三氯氧磷溶液改性处，使得力学性能和耐酸性有略微下降；对比例6中，由于未引入铁离子使得热性能和螯合性下降，使得性能下降；对比例7中，由于未引入硅酸乙酯，使得高温耐磨性和耐酸性下降。
50.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备
所固有的要素。
51.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。