濾袋接縫耐疲勞性評價方法研究

申業彤，黃景瑩，李毓陵，王 洪

(1.東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620；2.中國產業用紡織品行業協會，北京 100076)

0 引言

作為控制工業煙塵超低排放的主要手段，袋式除塵廣泛應用于燃煤電廠、鋼鐵冶煉、水泥窯爐、垃圾焚燒等工業領域[1-2]。袋式除塵技術是依靠濾料本身特有的性質，以及被攔截在濾料表面粉塵的特性，而起到攔截過濾物中粉塵的作用[3]。在實際應用中，袋式除塵的過濾效率可以達到99.99%[4]，完全實現了粉塵的高效過濾，滿足低排放甚至零排放的標準要求。

濾袋是袋式除塵中的過濾元件，一般由針刺非織造材料或機織覆膜材料制成，按照接縫成形工藝，可分為縫制濾袋與熱熔濾袋?？p制濾袋是指接縫區域采用縫紉線縫制成形，在實際運行時，濾袋縫合處由于存在針孔縫隙，在長期反復的過濾和清灰過程中，粉塵有從濾袋針孔滲入甚至穿透的風險[5-7]。因此，一般需要對縫制濾袋接縫區域采用涂膠封堵處理。熱熔濾袋是指接縫區域通過加熱熔融再熱壓的方式成形，由于接縫區域沒有針孔的存在，微細粉塵不存在從針孔穿透的風險。因此，在同等試驗條件下，相比縫制濾袋，熱熔濾袋具有更高的過濾效率[8-10]。但是，并不是所有的濾袋都能采用熱熔工藝，通常面層為單一熱塑性纖維材質的濾袋可采用熱熔工藝成型，但其接縫處強力不如縫制濾袋出色[11-15]。

目前，關于濾袋的技術要求包括GB/T 6719-2009《袋式除塵器技術要求》[16]、T/CAEPI 21-2019《袋式除塵用濾料技術要求》、T/CAEPI 33-2021《袋式除塵用濾袋技術要求》等。其中，GB/T 6719-2009對濾料的形態性能、透氣性、強力和伸長率、阻力特性、濾塵性能、耐溫特性以及防靜電性、耐腐蝕性、疏水疏油、阻燃性等特殊功能的考核指標與檢測方法都進行了規定。此外，還對縫制濾袋的縫紉線材質、縫紉針數與線跡、縫合質量進行了具體要求。T/CAEPI 21-2019中增加了濾料外觀、耐磨、耐折、覆膜牢度、面層剝離強度的性能檢測指標，并采用動態除塵效率與PM2.5捕集效率綜合評價濾袋的除塵效果。T/CAEPI 33-2021對縫制濾袋的縫紉線、縫制的針數線跡給出了更加具體的要求，對熱熔濾袋的粘合寬度與粘合強力做了規定。但濾袋作為一種使用壽命長達3年甚至更長時間的產品，上述標準都未給出其耐疲勞性的評價方法與指標。

本文作者前期申報成功了《工業除塵濾袋接縫性能的測定及評價》標準(申報號為2020-1013T-FZ，見工業和信息化部辦公廳編制的關于2020年第二批行業標準制修訂和外文版項目計劃公告)，擬在標準中引入接縫耐疲勞性評價指標。這是因為作為濾袋的特殊部分，濾袋接縫在濾袋長期使用過程中容易出現疲勞，導致接縫區域透濾或者破損而影響濾袋的整體過濾除塵效果。因此，建立濾袋接縫耐疲勞性評價方法意義重要。本實驗計劃采用圓球形頂桿對濾袋接縫進行反復沖頂，模擬濾袋在實際工況下受到的來自含塵氣流及脈沖清灰的噴吹作用，測試不同沖頂力和沖頂次數下接縫處的透氣率，通過測試反復沖頂后濾袋接縫處的透氣率變化率來評價其耐疲勞性。

1 實驗

1.1 實驗原理

參照GB/T 19976-2005《紡織品 頂破強力的測定 鋼球法》，以濾袋接縫中心線為直徑裁取圓片型試樣，將試樣夾持在固定基座的圓環試樣夾內，圓球形頂桿以設定的負荷垂直頂向試樣，設置循環次數，實現圓球形頂桿對試樣的反復沖頂。測試試樣在反復沖頂前后的透氣率，通過透氣率的變化值來表征其耐疲勞性。

1.2 實驗儀器

等速伸長型試驗儀(CRE)，包括一個試樣環形夾持器和一個球形頂桿組件。環形夾持器內徑為45mm±0.5mm，表面應有同心溝槽，以防止試樣滑移。頂桿的頭端為拋光鋼球，球的直徑選擇38mm±0.02mm。

可執行GB/T 5453-1997《紡織品 織物透氣性的測定》的透氣率測試儀。

1.3 濾袋試樣

本實驗收集了不同纖維材質的濾袋，分為縫制與熱熔兩大類，縫制濾袋涵蓋了接縫區域涂膠與未涂膠，具體如表1所示。在除塵領域內，縫制濾袋市場占有率和使用率遠遠高于熱熔濾袋，因此，本實驗收集的試樣中，縫制接縫試樣占比約為2/3?？p制和熱熔接縫如圖1和圖2所示。

表1 接縫試樣類別與編號

圖1 縫制接縫照片

圖2 熱熔接縫照片

1.4 實驗步驟

參照GB/T 19976-2005《紡織品 頂破強力的測定 鋼球法》進行取樣，以濾袋接縫區域中心線為直徑裁取符合要求的圓片型試樣，取樣方法如圖3所示。頂壓和回程速度皆為300mm/min，在設置的負荷和循環次數下進行沖頂實驗。參照GB/T 5453-1997《紡織品 織物透氣性的測定》測試樣品的透氣率，測試面積20cm2，測試壓差200Pa。

圖3 濾料接縫沖頂試驗取樣示意圖

沖頂前后接縫試樣的透氣率變化率計算見公式(1)。

式中:μ——透氣率變化率，%；Q0——濾料接縫初始透氣率，mm/s；Q1——濾料接縫經定負荷反復沖頂后的透氣率，mm/s。

2 結果與討論

2.1 濾袋頂破性能測試與分析

鑒于目前除塵領域暫無關于濾袋接縫頂破性能方面的研究，本實驗首先測試濾袋接縫的頂破強力，以了解接縫處頂破強力的大致范圍。在實際測試時發現，當圓球形頂桿施加的沖頂力達到一定數值后，部分試樣會在夾持處發生滑移現象，結果如表2所示，試樣A-D為縫制接縫，試樣E-F為熱熔接縫。

表2 試樣的頂破強力

從表2數據可知，縫制接縫試樣頂破強力普遍較高，A組試樣發生滑移時的沖頂力高達2600N，B和D兩組試樣在2000N時發生滑移，C組試樣的頂破力值為2200N，說明縫制濾袋接縫處的頂破強力平均在2000N以上。對于E和F組的熱熔接縫試樣來說，E組試樣的頂破力為1600N，F組在1500N時發生滑移現象，皆低于縫制接縫試樣。

2.2 沖頂定負荷值設定的理論計算

反復沖頂法是為了模擬濾袋接縫在實際工況下受到的來自于含塵氣流及脈沖清灰噴吹作用后的耐疲勞性，因此需要確定反復沖頂時的負荷值。首先，可以根據濾袋在工作運行時受到的脈沖清灰噴吹力大小來設定。

噴吹壓力與噴吹高度是濾袋脈沖清灰效果的兩大影響因素。鐘亮明等通過對長濾袋除塵器在實際應用工況條件下的脈沖清灰實驗發現，噴吹壓力的增大可提高清灰強度，改善清灰效果，但噴吹壓力增大至0.35MPa后，清灰效率趨于飽和[17]。呂娟等自建脈沖噴吹試驗裝置，采用壓力傳感器測試長濾袋側壁壓力峰值，發現噴吹壓力為0.3MPa時濾袋側壁壓力峰值的最大值約為8000Pa[18]。本試驗中，用于沖頂的圓片形試樣面積為50cm2，沖頂力F計算見公式(2)

上式中，P為濾袋側壁壓力，Pa；S為沖頂試樣面積，m2。

當濾袋側壁噴吹壓力為8000Pa時，相當于沖頂力為40N。另外，從上頁表1中可以看出，這個噴吹力遠小于接縫的頂破強力，因此，可以設定反復沖頂的負荷為50N和100N。

2.3 不同沖頂實驗條件下濾袋接縫透氣率變化研究

GB/T 6719-2009要求濾料透氣率CV值≤8%，濾料經熱處理或酸堿腐蝕處理后，斷裂強力保持率≧95%。那么，如果反復沖頂后試樣透氣率變化率≥8%，則可認為樣品的耐疲勞性較差。進一步地，在相同的沖頂負荷和循環次數下進行循環沖頂實驗，當透氣率變化率≥8%的樣品比例為10%時，則認為該沖負荷和循環次數能夠較好地用于評價試樣的耐疲勞性。

分別設置定負荷值為50N和100N、循環沖頂次數為10次和20次，進行循環沖頂實驗。試樣選取涵蓋縫制接縫與熱熔接縫兩大類，分別從兩家工廠收集表1中的A、B、C、D四種樣品，共8組，從1到8依次編號。另外，收集滌綸針刺和丙綸針刺非織造熱熔濾袋，依次編號為9和10，共計10組試樣。

在定負荷值50N、循環次數10次反復沖頂樣品，然后測試沖頂前后10組樣品的透氣率，進而計算其透氣率變化率，結果如表3所示。

表3 負荷50N和循環次數10次沖頂處理前后樣品的透氣率

從表3數據可知，當定負荷值50N、循環次數10次反復沖頂后，10組試樣透氣率增量很小，透氣率變化率分布在0.1%～4.5%之間，可認為此實驗參數下，試樣透氣率均無明顯變化，無法評價樣品的耐疲勞性。

進一步在定負荷值50N、循環次數20次下進行沖頂實驗，然后測試沖頂前后樣品的透氣率，進而計算其透氣率變化率，結果如下頁表4所示。

從表4數據可知，當定負荷值50N、循環次數增加至20次時，反復沖頂后，10組試樣透氣率增量相較循環10次有所提升，透氣率變化率分布在0.5%～10%之間，透氣率變化率≥8%的樣品比例為10%，說明經定負荷值50N、循環次數20次反復沖頂處理后，部分試樣已經發生了結構變化。

表4 負荷50N和循環次數20次沖頂處理前后樣品的透氣率

為了驗證是否可以縮短測試時間，進一步在定負荷值100N、循環次數10次條件下進行沖頂實驗，然后測試沖頂前后樣品的透氣率，進而計算其透氣率變化率，結果如表5所示。

表5 負荷100N和循環次數10次沖頂處理前后樣品的透氣率

從表5數據可知，當定負荷值增至100N、循環次數10次時，反復沖頂后，10組試樣透氣率增量相較定負荷值50N時有所提升，透氣率變化率分布在5%～30%之間，透氣率變化率≥8%的樣品比例為60%，說明部分試樣已經發生了明顯的結構變化。分析認為，沖頂后樣品透氣率的變化主要是由濾料部分引起的，而非接縫。這是因為，濾袋所用濾料基本都由機織基布增強，沖頂時無機織布經緯紗增強處容易發生變形，因此透氣率變大。

2.4 接縫透氣率測試制樣方法優化與接縫耐疲勞性評價方法探究

濾袋接縫處為雙層濾料堆疊結構，透氣率測試時，壓環與試樣間的密封性差，可能會引起測試數據的失真。因此，采用同種濾料對試樣進行找平處理，并分別測試接縫的透氣率和接縫試樣的綜合透氣率，通過對比兩者沖頂前后的變化來評價濾袋接縫的耐疲勞性。

綜合透氣率的測試方法為:在濾袋非接縫處裁出兩個與圓片型試樣直徑相同的半圓片型濾料，使用雙面膠將其分別黏附在濾袋接縫試樣的上下兩面的非接縫區域，使之成為雙層圓片型試樣。透氣性測試時，將接縫位于測試口徑正中，此時測試孔徑覆蓋樣品接縫區域與接縫兩側部分非接縫區域，測試所得結果即為試樣的綜合透氣率。

接縫透氣率的測試方法為:按照上述處理方法使接縫試樣成為雙層圓片型試樣后，使用密封性良好的膠帶將非接縫區域覆蓋，如圖4所示。透氣率測試時，將接縫位于測試口徑正中，測試所得結果即為試樣的接縫透氣率。

圖4 接縫透氣率制樣照片

設定反復沖頂定負荷值為100N，循環次數為50次，對濾袋接縫試樣進行反復沖頂，然后按照上述的透氣率測試制樣方法，測試樣品沖頂前后的接縫透氣率和綜合透氣率。試樣涵蓋縫制接縫與熱熔接縫，濾料覆膜與否、縫制接縫涂膠與否亦考慮在內，具體分為四組，第一組:滌綸未覆膜濾袋，縫紉未涂膠接縫，滌綸縫紉線；第二組:滌綸未覆膜濾袋，縫紉涂膠接縫，滌綸縫紉線；第三組:PPS未覆膜濾袋，熱熔接縫；第四組:PPS覆膜濾袋，熱熔接縫。四組樣品接縫透氣率變化率與綜合透氣率變化率如表6所示。

表6 接縫透氣率和綜合透氣率變化率

從表6數據可知，除第二組因針孔涂膠，反復沖頂后涂膠出現裂隙導致透氣率大幅度增加外，其余三組試樣的接縫透氣率變化率均遠小于綜合透氣率變化率，說明接縫透氣率變化率和綜合透氣率變化率可較好地反映試樣經反復沖頂后的耐疲勞程度。

因此，建議濾袋接縫耐疲勞性的評價方法為:在反復沖頂定負荷值為100N、循環次數為50次的條件下對接縫試樣進行反復沖頂處理，然后測試其沖頂前后的接縫透氣率變化和綜合透氣率變化，當接縫透氣率變化率小于綜合透氣率變化率時，認為濾袋接縫有較好的耐疲勞性。

3 結語

本實驗采用圓球頂桿對濾袋接縫反復沖頂，模擬濾袋工作中受到的含塵氣流及脈沖空氣的噴吹作用，以評價縫制和熱熔濾袋的接縫耐疲勞性。通過測試分析不同負荷和循環次數沖頂后接縫試樣的透氣率，優化透氣率測試制樣方法，認為濾袋接縫耐疲勞性的評價方法為:定負荷100N、循環次數50次反復沖頂后，濾袋接縫試樣的接縫透氣率變化率應小于綜合透氣率變化率。

本實驗采用圓球頂桿反復沖頂的方法，在很少的循環次數下就可以反映出不同縫紉線、不同接縫方式所制濾袋接縫的耐疲勞性，評價指標明確，方法簡便省時，為評價濾袋接縫的耐疲勞性建立了方法標準。