玻璃纤维滤材厚度对液体过滤性能的影响

摘要

本研究探究了平均流量孔径接近的玻璃纤维过滤材料（简称滤材）厚度对液体过滤性能的影响。首先对短切玻璃纤维和3种玻璃棉共4种纤维原料进行了形貌分析，通过调节4种纤维原料的配比和滤材定量，制备了平均流量孔径接近而厚度不同的滤材，然后将制备的滤材在多次通过实验台上做航空液压油液体过滤性能检测。结果表明，在平均流量孔径接近的情况下，滤材相同的平均过滤比对应的污染物颗粒粒径尺寸接近。4种厚度的滤材在实验前50 min压差接近，到达终止压差时间随滤材厚度的增大而延长；纳污容量随滤材厚度的增大而提高，厚度为0.12 mm的滤材纳污容量为38.7 g/m²，厚度为0.84 mm的滤材纳污容量为82.1 g/m²。厚度增大到7倍，纳污容量仅为原来的2.12倍，纳污容量增加倍数和滤材厚度增加倍数不一致，但二者存在线性关系。

关键词

玻璃纤维; 厚度; 平均流量孔径; 液体过滤

液体过滤已经渗透到了工业、农业、国防、科研等各方面^[1]，液压油过滤是液体过滤的一种，其清洁度对实际应用关系重大。液压油不仅是液压传动系统中的工作介质，而且还起着润滑、冷却和防锈的作用^[2]；但液压油质逐渐受到污染而劣化会降低系统的使用寿命，从而增加了维修费用及生产成本。实践表明，液压系统75%以上的故障均与液压油受到污染有关。液体过滤材料（简称滤材）的开发一直是人们致力解决的问题^[3]，与其他纤维相比，玻璃纤维在抗拉强度、耐温性等方面具有一定优势，且过滤性能很好，可以达到很高的过滤比^[4,5]。玻璃纤维滤材以其优异性能和极高的过滤比而越来越广泛地应用于液体过滤。

玻璃纤维滤材厚度对滤材过滤性能有很大的影响。根据实验资料，厚度增加1.3倍，透气度减小53.1%^[4]。Bachinski^[6]提出过滤介质的厚度可影响过滤介质的打褶性能，如果过滤介质太厚，则过滤介质可能难以折叠成所需的褶皱尖端。Wang等人^[7]提出在相同的纤维直径和孔径下，压降与滤材厚度呈线性关系。朱吕等人^[8]在研究滤材加工成滤芯时，发现其打褶处的断裂现象会严重影响滤材的过滤性能，而且在使用过程中，其受损程度会加深甚至破裂。而较薄的滤纸其折叠工艺性好，并在折叠时不容易损坏^[4]。因此，在保证过滤比和机械强度的前提下，若减小滤材的厚度，可以增大折叠在滤芯内滤纸的面积，从而提高滤芯的纳污容量。所以，探究滤材厚度对液体过滤性能的影响对高性能滤材的设计具有重要意义。

胡晓侠等人^[9]、叶琳昌^[10]都曾做过滤材过滤比与平均流量孔径的对应实验，发现二者有相关性，且平均流量孔径测定方法简单、快捷，因而本研究把平均流量孔径接近作为不同厚度滤材对比液体过滤性能的基础。

本研究通过调配3种玻璃棉和玻璃纤维配比和滤材定量，制备平均流量孔径接近的不同厚度滤材，探究了玻璃纤维滤材厚度对液体过滤性能的影响。首先分析了4种纤维原料，调节滤材纤维配比和滤材定量，并通过树脂处理后，抄造平均流量孔径接近的不同厚度滤材。然后利用多次通过实验台对滤材的流阻、过滤比、纳污容量进行检测，分析了玻璃纤维滤材厚度对其液体过滤性能的影响，为液体滤材的厚度设计提供了依据。

1 实　验

1.1　原料

玻璃纤维、玻璃棉1^#、玻璃棉2^#、玻璃棉3^#，广州华创化工材料科技开发有限公司；无纺布，东莞市达恒实业有限公司；实验油液，Aeroshell Fluid 41航空液压油（黏度范围（15±1.0）mm²/s）；实验粉尘，ISO 12103-1 A3中级（A3灰），其颗粒粒径分布见表1。树脂（水性丙烯酸），陶氏化学公司。

表1 ISO 12103-1 A3中级（A3灰）颗粒粒径分布^[11]

颗粒尺寸/μm	体积分数/%
≤0.97	2.0~2.4
≤1.38	3.8~4.4
≤2.75	10.3~11.1
≤5.50	22.1~23.2
≤11.00	42.3~43.6
≤22.00	62.5~64.5
≤44.00	82.0~83.5
≤88.00	94.7~96.0
≤124.50	97.2~98.6
≤167.00	99.0~100

1.2　实验设备

G2Pro Y扫描电子显微镜，荷兰Phenom-World公司；No.2530标准纤维疏解机、No.2542-A自动抄片器，日本KRK公司；YG142厚度仪，厦门欣锐仪器仪表有限公司；FX3300透气度测定仪，美国TEXTEST公司；CFP-1100-A毛细管流量孔径仪，美国PMI公司；Emerson 140平板干燥器，美国Emerson公司；JA 2003精密电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；YH-23抽滤装置，青岛仪航实验设备有限公司；MPTB-50-25多次通过实验台，德国GMN公司；FAS-2A可调高速匀浆机，国立实验研究所；电热恒温鼓风干燥箱，上海福玛实验设备有限公司；真空干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司。

1.3　性能检测与表征

1.3.1　纤维原料形貌分析

玻璃纤维形貌对滤材性能至关重要^[12,13]。对玻璃纤维、玻璃棉1^#、玻璃棉2^#、玻璃棉3^# 共4种纤维原料，分别以单一组分抄造定量80 g/m²的手抄片。将制备好的手抄片在扫描电子显微镜（SEM）下观测，并用Image j测量软件分析SEM照片，测量纤维直径，取平均值。

1.3.2　滤材制备和基本性能检测

改变定量调节滤材的厚度，改变4种纤维配比控制4种厚度滤材的平均流量孔径相一致，然后使用树脂增强处理得到平均流量孔径接近的不同厚度滤材。将制备好的滤材做基本性能检测。目前用于液体过滤的玻璃纤维滤材厚度大多在0.30~0.60 mm^[3]，故选择厚度为0.12、0.36、0.60、0.84 mm的滤材，平均流量孔径选择在（8.7±0.3）μm范围，用于下一步的多次通过实验。

1.3.3　液体过滤性能检测

按照ISO 16889^[14]标准，测试4种厚度滤材的流阻、过滤比和纳污容量。实验条件如表2所示。

表2 多次通过实验条件

实验条件	实验参数
实验流量	5 L/min
污注流量	50 mL/min
上游基本杂质质量浓度	3 mg/L
终止压差	100 kPa
测试面积	200 cm2
测试油液	航空液压油
污染物	A3灰

1.3.4　多次通过实验后样品SEM分析

滤材经过多次通过实验后，因含有大量油液，不能直接制样做SEM观测。故将经过多次通过实验后的滤材先放入真空干燥箱中干燥，温度设定为160℃，真空度0.1 MPa，干燥时间6 h。对干燥后的样品进行SEM分析，观测颗粒物在滤材上的分布情况。

2 结果与讨论

2.1　纤维原料形貌分析

图1为单一纤维原料手抄片SEM图。从图1可以看到，玻璃纤维表面光滑，直径比较均一且纤维没有弯曲现象；3种玻璃棉纤维直径差异比较大，纤维存在弯曲现象。

图1 单一纤维原料手抄片SEM图

通过Image j测量软件分析电镜照片，测量纤维直径，4种纤维原料直径如表3所示。

表3 4种纤维原料直径测量结果

纤维种类	平均直径/μm	标准差
玻璃纤维	6.39	0.77
玻璃棉1#	1.62	1.06
玻璃棉2#	1.44	1.52
玻璃棉3#	0.54	0.50

由表3可知，玻璃纤维、玻璃棉1^#、玻璃棉2^#、玻璃棉3^#的平均直径分别为6.39、1.62、1.44、0.54 μm。

2.2　滤材基本性能检测

表4为本实验所制4种玻璃纤维滤材的基本性能。由表4可以看到，经过调整4种纤维原料的配比和滤材定量，4种不同厚度的滤材具有相近的平均流量孔径。随着滤材厚度增大，透气度从392 mm/s降低到178 mm/s。

表4 玻璃纤维滤材基本性能

滤材厚度 /mm	平均流量孔径/μm	最大孔径/μm	定量/g·m-2	透气度/mm·s-1
0.12	8.8	18.7	19.2	392
0.36	8.8	17.7	59.5	254
0.60	8.7	21.7	98.9	208
0.84	8.7	20.9	138.1	178

2.3　滤材厚度对其液体过滤性能的影响

2.3.1　滤材厚度对流阻的影响

滤材压差与时间间隔的关系反映了滤材在多通测试过程中空隙被颗粒堵塞以及滤饼形成过程；滤材压差和时间的关系则反映不同滤材被颗粒物堵塞的快慢。

图2为滤材压差随时间间隔的变化曲线。由图2可知，4种厚度的滤材压差随时间间隔的变化曲线几乎完全重合。过滤时间从开始到80%，滤材的压差曲线比较平缓；当达到过滤时间的80%~90%时，压差上升速度增大；而达到过滤时间的90%~100%时，压差急剧增大，很快到达终止压差。这说明不同厚度的滤材被颗粒物堵塞的过程一致，其原因是在过滤初期，颗粒物进入滤材内部孔径，主要沉积在滤材孔隙内部，基本不堵塞孔径，而到了过滤后期，颗粒基本堵塞滤材内部孔隙和入流面，颗粒无法进入滤材内部，在滤材入流面形成滤饼，导致压差急剧增大。

图2 滤材压差随时间间隔的变化曲线

图3是滤材压差随时间的变化曲线。由图3可知，4种厚度的滤材初始压差接近，且在测试前50 min，不同厚度的滤材压差曲线增长缓慢且几乎完全重合，说明4种滤材的孔隙结构接近且在测试前50 min并未发生太大变化；在此期间颗粒物主要进入滤材内部孔径凹槽和被纤维拦截，没有堵塞孔径，故对滤材压差影响不大。随着测试时间增加，不同厚度的滤材压差随时间曲线出现分化，滤材厚度增加，滤材到达终止压差的时间延长。厚度为0.12 mm的滤材67 min到达终止压差，厚度为0.84 mm的滤材到达终止压差的时间为127 min。滤材厚度增加使更多的颗粒物进入滤材内部，延缓了颗粒物在滤材入流面形成滤饼，阻塞滤材过滤通道的时间，从而使滤材到达终止压差的时间延长。

图3 滤材压差随时间的变化曲线

2.3.2　滤材厚度对过滤比的影响

平均过滤比等于每个尺寸x的总的上游平均颗粒数除以总的下游平均颗粒数，计算见公式（1）。

βx=$$\frac{A{u}_x}{A{d}_x}$$

（1）

式中，β_x为对于某一给定尺寸x的平均过滤比；Au_x、Ad_x分别为上游和下游单位体积液体中尺寸大于x的平均颗粒数。

表5为不同厚度滤材在不同平均过滤比下所对应的污染物颗粒粒径尺寸。由表5可知，4种厚度的滤材平均过滤比相同时，对应的污染物颗粒尺寸接近。4种厚度的滤材平均过滤比为75时，对应的污染物颗粒尺寸为（8.7±0.3）μm，这与滤材的平均流量孔径接近。说明本研究所制备的滤材在平均流量孔径接近的情况下，相同平均过滤比对应的污染物颗粒粒径尺寸接近。

表5 不同厚度滤材在不同平均过滤比下所对应的污染物颗粒粒径尺寸 ( μm )

滤材厚度/mm	平均过滤比
	2	10	20	75	100	200	1000
0.12	＜4	6.01	7.05	8.97	9.38	10.63	14.65
0.36	＜4	6.24	7.15	8.77	9.09	9.88	13.03
0.60	＜4	6.19	7.11	8.72	9.04	9.81	12.39
0.84	＜4	6.09	7.16	8.81	9.23	10.24	12.95

2.3.3　滤材厚度对纳污容量的影响

纳污容量是过滤材料持续加污染物到一定阻力时，单位面积上所容纳污染物的质量，纳污容量反映了过滤材料的使用寿命。

图4为滤材厚度对纳污容量的影响。由图4可知，滤材纳污容量随着滤材厚度的增加而增大。纳污容量为滤材达到终止压差时单位面积滤材所容纳的污染物质量。由于4种滤材随着厚度增加到达终止压差的时间延长，故纳污容量也随着滤材厚度增加而增加。厚度为0.12 mm的滤材纳污容量为38.7 g/m²，厚度为0.84 mm的滤材纳污容量为82.1 g/m²。厚度增加了6倍，纳污容量仅增大了1.12倍，纳污容量增加倍数和滤材厚度增加倍数不一致。

图4 滤材厚度对纳污容量的影响

由图4可知，滤材纳污容量和滤材厚度接近线性关系，本研究建立数学模型从过滤机理解释纳污容量和滤材厚度的线性关系。这里用最小二乘法对曲线做线性拟合^[15]，见式（2）和式（3）。

设

s(x)=a0+a1x

（2）

得拟合曲线为：

s(x)=33.31+57.2x

（3）

其中，平方误差：27.54，拟合优度：0.9613。

式中，x表示滤材厚度，mm；s(x)表示纳污容量，g/m²。

把滤材截面简化为如图5所示的由滤材入流面和滤材内部组成的模型，由式（3）可推出，在本研究的多次通过实验条件下，对于平均流量孔径在8.7 μm左右的滤材，33.3 g/m²的纳污容量主要是滤材表面过滤形成滤饼贡献，与滤材厚度无关；57.2x为滤材深层过滤通过拦截和吸附贡献的纳污容量，与滤材厚度成正比，57.2为滤材深层过滤贡献的纳污容量与滤材厚度的系数。

图5 滤材截面简化模型

2.4　多次通过实验后样品SEM分析

对多次通过实验后的4种不同厚度的滤材进行SEM分析，结果见图6~图9。从图6~图9可以看到，过滤过程中的大量颗粒物被拦截在滤材靠上游一侧的表面层，容易在表面形成滤饼，使压差在后期急剧上升。此外可以看到有部分小颗粒沉积在出流面，结合滤材过滤比在过滤后期有一定程度的下降，这部分颗粒一是在过滤过程中由流体挟带穿过滤材；二是在过滤后期由于压差的增大，产生二次夹带，导致后期过滤比的下降。

图6 厚度为0.12 mm滤材SEM图

图7 厚度为0.36 mm滤材SEM图

图8 厚度为0.60 mm滤材SEM图

图9 厚度为0.84 mm滤材SEM图

由图6~图9中SEM截面图可以看出，颗粒物从入流面进入时，大量颗粒物集中在靠近滤材上游的表面层。对比入流面对颗粒物的拦截，滤材中靠近出流面部位并不能起到显著的纳污作用。尤其是当颗粒物在滤材入流面表面形成滤饼后，颗粒物主要被滤饼拦截，很难进入滤材内部，导致滤材急剧上升到终止压差，因此滤材厚度的增加并不会导致纳污容量显著增加。

3 结　论

本研究以玻璃纤维、玻璃棉1^#、玻璃棉2^#和玻璃棉3^#为原料，制备了4种厚度的液体过滤材料（滤材），将该滤材在多次通过实验台上进行航空液压油液体过滤性能测试。

3.1　4种厚度滤材在平均流量孔径（8.7 μm）接近的情况下，相同平均过滤比对应污染物颗粒粒径尺寸接近。

3.2　平均流量孔径接近时，4种厚度的滤材压差与时间间隔的曲线几乎完全重合；从滤材压差与时间的曲线中可以看出，在实验前50 min，4种厚度的滤材压差与时间曲线基本一致，随着时间增加，不同厚度的滤材压差曲线出现分化，且滤材厚度增加，滤材到达终止压差的时间延长。

3.3　当4种厚度滤材的平均流量孔径接近时，纳污容量随滤材厚度的增大而增大，厚度为0.12 mm的滤材纳污容量为38.7 g/m²，厚度为0.84 mm的滤材纳污容量为82.1 g/m²。厚度增加了7倍，纳污容量仅增大了1.12倍，纳污容量增加倍数和滤材厚度增加倍数不一致，但二者存在线性关系。滤材截面可以简化为由滤材入流面和滤材内部组成的模型，滤材入流面通过表面过滤提供的纳污容量为固定值；滤材内部通过深层过滤提供的纳污容量随滤材厚度增加而增大，这部分的纳污容量与滤材厚度呈线性关系。