3種增強樹脂體系在空氣過濾紙的應用性能
● 張 文，于 天
(廣西華原過濾系統股份有限公司，廣西玉林 537005)
摘要：研究專用水性環氧樹脂增強空氣過濾紙的性能并與商品用苯丙乳液和醇溶性酚醛樹脂進行對比。主要探討 增強空氣濾紙的強度性能、抗水性能、微觀孔隙結構形貌以及增強濾紙所制濾芯的過濾性能。實驗結果表明：水性 環氧樹脂增強空氣濾紙的強度性能和抗濕性能與醇溶酚醛樹脂接近，且明顯優于苯丙乳液。掃描電鏡和孔徑測試 結果表明：3種增強樹脂體系基本都能夠保持濾紙的孔隙結構以及過濾性能，且醇溶性酚醛樹脂增強濾紙的透氣度保持率略高于其他兩種水性增強樹脂體系;3 種樹脂體系增強后的濾紙制備的空氣濾芯均具有良好的過濾性能，表明專用水性環氧樹脂在高抗濕性能空氣濾紙的工業化應用具有廣泛前景。
關鍵詞：增強樹脂;空氣濾紙;性能
中圖分類號：TS761.2 文獻標識碼：A 文章編號：1001-6309(2018)05-0038-03
汽車空氣濾紙原紙是由木漿纖維為主要原料抄造制得，由于原紙存在結構疏松，質地柔軟，抗濕 性能差，強度低的問題，無法滿足加工與使用上的性能要求 [1]。因此，空氣濾紙都需進行增強樹脂浸漬處理，以提高濾紙的強度性能、抗水性能以及結構穩定性能，從而滿足使用要求。汽車三濾濾紙的增強樹脂體系主要包括(苯乙烯改性)丙烯酸樹脂、酚醛樹脂和環氧樹脂。在國內，汽車空氣濾紙一般采用苯丙乳液進行增強，這是由于(苯乙烯改性)丙烯酸乳液具有優良的粘結性能、成膜性能以及環保 性。雖然酚醛樹脂具有優良的抗水耐潮性能，但是由于增強酚醛樹脂一般是醇溶體系，存在有機溶劑 回收等問題，并且由于酚醛樹脂在固化和放置過程 中有甲醛釋放，因此國內酚醛樹脂在空氣濾紙中增強的應用較少，而主要用于機油濾紙的增強 [2-4]。但是由于丙烯酸樹脂體系的抗潮耐濕性能相對較差，并且木漿纖維容易吸潮潤脹，特別是在華南地區濕熱氣候時，苯丙乳液增強的空氣濾芯容易發生 形變，導致過濾性能下降，即便是在苯丙樹脂體系中加入固化劑，也未能很好地解決該問題。
環氧樹脂作為一類重要的熱固性樹脂體系，具有優良的抗水耐潮性能，但是由于成本較高以及國內水性環氧樹脂技術相對薄弱等原因，國內則極少有關于水性環氧樹脂在汽車濾紙應用方面的研究報道。本研究詳細對比了專用水性環氧樹脂與國內汽車濾紙增強用商品苯丙乳液、醇溶酚醛樹脂在空氣濾紙的應用性能，探討專用水性環氧樹脂在空氣濾紙的工業應用可行性。
1 實驗
1.1 實驗原料
空氣過濾濾紙原紙(定量 90 g·m-2)，廣州華創化工材料科技開發有限公司;苯丙乳液，工業級，上海復熙化工有限公司;專用水性環氧樹脂，華南理工大學提供;機油濾紙增強用醇溶性酚醛樹脂，工業級，濟南圣泉集團股份有限公司。
1.2 增強濾紙的制備
將增強樹脂稀釋至一定濃度后浸漬濾紙原紙，濾紙原紙浸漬 3 min 后取出，置于紅外烘箱中120℃烘干 30 min，然后升溫到一定溫度下進行固化后即可取出，上膠量控制在(25±0.5)% 范圍內。
1.3 測試與表征
上膠量的測試：分別準確稱量浸漬前后原紙的絕干質量m0、m1，按下式計算上膠 G ：
G=[(m1-m0)/m0]×100%
參照 ISO 相關標準( ISO 2758，ISO 5635，ISO 5635)測定不同樹脂增強過濾紙的耐破度、挺度、抗張強度。濕強度性能：將樹脂增強濾紙放入表面活性劑NP-10 濃度為 0.1% 的水溶液中浸泡 30 min，取出吸干后測試紙頁相應的強度性能。紙張濕伸長率： 將樹脂浸漬增強后的濾紙裁剪為 20 cm×20 cm 大小，然后浸入表面活性劑 NP-10 濃度為 0.1% 的水溶液中，浸泡 12 h 后取出，吸干，測量橫向與縱向的伸長率。采用美國 PMI 公司生產的毛細管孔徑測定儀CFP-1100-A 測定濾紙的孔徑以及孔徑分布。采用飛納 PhenomTM 全自動臺式掃描電子顯微鏡，在電流和電壓分別為 20 mA、10 kV 的條件下觀察濾紙微觀空隙形貌。濾芯過濾性能采用空氣過濾性能臺測試，參照標準為 ISO 5011。
2 結果與討論
2.1 3種增強樹脂體系對濾紙強度性能的影響
空氣過濾紙必須滿足一定的強度性能才能滿足加工和應用需求。一般來講，強度越高，濾材的應用性能越好。對比 3 種不同增強樹脂體系對濾紙增強性能的影響，結果如表 1 所示。
表1 增強樹脂體系對濾紙強度性能的影響
從表 1 看出，3 種不同增強樹脂體系都能夠明顯提高濾紙的強度性能，都能滿足空氣濾紙的基本應用需求。而酚醛樹脂與水性環氧樹脂體系對于濾紙的強度增強性能，無論是耐破度、挺度或是抗張強度都基本接近， 且明顯高于苯丙乳液。這是由于酚醛樹脂和環氧樹脂屬于熱固性樹脂體系，樹脂固化后交聯密度更高，具有更高的強度性能， 因此對于濾紙的增強性能更加明顯。
2.2 3種增強濾紙抗水性對比與濕強度對比
以植物纖維為主的空氣濾紙原紙具有較強的吸濕性，因此濕強度是衡量空氣濾清器濾紙應用性能的一項重要指標。對比3種增強樹脂體系的紙張濕伸長率以及濕強度，結果如表 2 所示。
表2 樹脂增強濾紙的伸長率以及濕強度性能
從表 2 看出，苯丙乳液增強的濾紙的紙張的橫向伸長率與縱向伸長率分別高達 3.2% 和2.2%，而濕耐破度保持率低，只有30.4%，紙張伸長率的增加容易造成加工制備后的濾芯形態上發生變化，導致相鄰濾紙間發生貼合，大大降低過濾面積，導致濾清器過濾性能與過濾壽命的嚴重下降。而熱固性樹脂體系無論是酚醛樹脂或者水性環氧樹脂，由于熱固性樹脂體系的交聯密度高，因此抗濕抗水性能好，相對的濕伸長率明顯小很多，并且其濕強度保持率也明顯高于苯丙乳液增強體系。這說明專用水性環氧樹脂不但具有產品環保的優勢，并且可應用于高抗濕的空氣濾紙產品中。
2.3 3種樹脂增強濾紙微觀形貌與孔徑性能對比
圖1 3種增強樹脂體系制備的濾紙的微觀形貌以及孔徑分布圖
表3 透氣度以及濾紙孔徑
從上頁的圖 1 和表 3 看出，3 種樹脂增強體系浸漬后的濾紙，基本都能保持濾紙優良的孔隙結構，從而保持較好的透氣度。其中，醇溶酚醛樹脂的透氣度保持率最高，可以達到 95%，并且基本觀察不到任何堵孔現象，而專用水性環氧樹脂和苯丙 乳液的透氣度保持率分別只有大約 91% 和 90%。這可能是由于水性環氧樹脂和丙烯酸乳液浸漬的濾紙在烘干過程中水分揮發速度較慢，相對于醇溶酚醛樹脂體系熱遷移相對明顯 [5]，因此堵孔比較明顯，所以透氣度的下降也較為明顯。
2.4 3種增強濾紙濾芯過濾性能測試
將以上 3 種不同樹脂體系增強后的濾紙加工成空氣濾芯，考慮到增強樹脂主要對濾芯的初始過濾效率和初始過濾阻力形成影響，故對濾芯的初始過濾性能進行了測試，結果如表 4 所示。
表4 3種樹脂增強空氣濾紙所制濾清器的過濾性能
從表 4 看出，3 種樹脂增強空氣濾紙所制濾清器的過濾性能——無論是初始效率、初始阻力，還是品質因子均比較接近。這說明 3 種樹脂的增強對所制濾紙濾芯的過濾性能影響差別不明顯，均能夠使濾芯獲得良好的過濾性能。
3 結論
專用水性環氧樹脂、商品酚醛樹脂和苯丙乳液 3 種不同增強樹脂體系對空氣過濾紙應用性能的影響結果表明：
(1)水性環氧樹脂增強空氣濾紙的強度性能和抗水性能能夠接近商品醇溶酚醛樹脂的性能，并且大大優于苯丙乳液的性能。
(2)3 種增強樹脂增強后空氣濾紙的孔徑大小基本一致，而醇溶酚醛樹脂的透氣度保持率略高于其他 2 種水性樹脂體系。
(3)3 種增強樹脂增強后的空氣濾紙所制備的空氣濾芯均具有相近的過濾性能，表明水性環氧樹脂可替代其他樹脂，且在高抗水性空氣過濾紙的應用方面具有較好前景。