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聚结滤芯的结构和材料分析

聚结滤芯的结构和材料分析
2020.06.19
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作者:九游J9首选环保

对油水聚结分离的原理进行了阐述,介绍了油水聚结分离的基本过程。在油水聚结分离原理基 础之上,具体分析了目前应用于喷气燃料过滤分离器中聚结滤芯的结构和材料组成,并对聚结滤芯中各层材 料的成分、纤维丝径、纤维层厚度和表面接触角进行了表征和测量,为聚结滤芯的设计和研制提供了依据和 参考。

随着国防领空**的不断加强和民用航空工业的
不断发展,喷气燃料作为飞机的主要能源,对其性能要
求也越来越高。喷气燃料除了其本身的理化性能要符
合要求外,燃料的洁净度也是一个必须严格控制的指

[1] 。保证喷气燃料的洁净度主要通过控制燃料中
的污染物含量。燃料中的污染物分为水分和固体杂
质。相对于固体杂质,喷气燃料中水污染造成的危害
更加严重。水污染会腐蚀发动机部件、滋生微生物细
菌、水中的腐蚀性物质会造成元件破坏以及加速燃料
氧化等
[2 -5] 。甚至燃料中的水污染含量并不多时,也
能造成这一系列的危害。目前喷气燃料主要通过过滤
分离器清除其中的水分和固体杂质。过滤分离器是由
聚结滤芯和分离滤芯两种搭配组成,通过过滤、聚结和

分离的方法保证航空燃料的清洁度,其中聚结滤芯是
过滤分离器的核心部分。聚结滤芯的性能好坏对整个
过滤分离器的过滤分离效果有很大影响。

过滤分离材料方面的研究工作。
1 聚结分离过程
油水的聚结分离就是喷气燃料及其携带的固体颗
粒和水分从过滤分离器进口流入聚结滤芯的内部,聚
结滤芯兼有过滤固体颗粒和聚结水滴的两种功效,其
中固体颗粒被过滤层阻挡在聚结滤芯的内部,实现固、
液分离;小水滴被破乳层和聚结层聚结成大水滴后,被

分离滤芯阻挡在其外部,依靠重力沉降在底部,实现
油、水分离;洁净的喷气燃料经分离滤芯从出口流出。
有效聚结分离过程的简单示意图如图 1 所示。
(1) 水滴的接近过程。含水的燃料接近聚结材
料。此过程可以通过拦截、沉淀、扩散、静电吸引、惯性
碰撞和范德华力等方式实现。对于较小水滴,扩散作
用为主要影响因素,随着水滴尺寸的增加,扩散作用减
弱,拦截作用增强;
(2) 水滴粘附聚结过程。燃料中水滴附着在聚结
材料上或已附着在纤维上的水滴上。水滴与聚结纤维
接触时,它们之间滞留有油膜,水滴必须从纤维上将油
膜置换并使纤维湿润,才能实现水滴在纤维上的粘附
过程。粘附聚结过程中除了水滴与纤维之间的润湿粘
附,还存在水滴之间的碰撞粘附。通常发生两个或几
个水滴间的碰撞聚结时,需要适当的作用力才能实现。
作用力小时,水滴之间碰触变形,界面膜不破裂,此时
聚结是不能发生的。作用力过大时,界面膜破碎,水滴
碰撞后会出现液滴破碎。液滴破碎将会增加乳液稳定
性,增大油水分离难度,是*应该避免发生的现象;
(3) 水滴释放脱离过程。增大的水滴聚结到一定
尺寸后将从纤维表面释放。水滴碰撞聚集后以水线的
形式穿过聚结纤维床,到达纤维床出口表面后在液体
曳力的作用下,聚结的大尺寸水滴从聚结床表面脱离
释放。
图 1 聚结脱水基本过程
2 聚结滤芯结构和材料分析
聚结滤芯一般都为圆柱结构,其示意图如图 2 所
示。从内到外分别是金属网、滤纸过滤层、中心管、纤
维层以及脱水棉套等。纤维层的组成主要分为破乳
层、内聚结层和外聚结层等,其作用是对燃料中的微量
水分进行破乳 - 聚结,是整个滤芯的核心部分,也是需
要重点分析的部分。本研究剖析的聚结滤芯是符合
API/IP l581 **检验标准,其截面图如图 3 所示。从
图中可以看出聚结滤芯的纤维层主要由三种不同纤维
组成,各层厚度也有明显区别,为了进一步分析滤芯的
纤维组成,分别从中心管外层剪下一段滤芯纤维材料,
如图 4 所示。从左到右分别为由中心管开始的从里到
外滤芯逐层组成材料的宏观图片,其标号如图 4 所示。
F1、F2 和 F3 层属于滤芯的纤维层,F4 层为缠绕网,F5
层为无纺布纤维层,F6 层是脱水棉套。从图中可以看
出 3 种纤维层的厚度从里到外逐渐增加,F1 和 F3 层
纤维为黄色,F2 层纤维为淡黄色。
1. 金属网 2. 中心管
3. 脱水棉套 4. 外聚结尾
5. 内聚结尾 6. 破乳层 7. 过滤层
图 2 聚结滤芯结构示意图
图 3 聚结滤芯的截面图
图 4 聚结滤芯的各层材料宏观图片
2. 1 纤维丝直径
纤维直径的大小是影响聚结分离效率的主要因
素。纤维丝径越小,孔径越小,接触面积就越大,水滴
附着在纤维上的几率也就越大,但纤维过细或孔径过
小会导致液体流动阻力加强,压差增大,缩短了滤芯使
用寿命。采用 Hitachi S-4800 扫描电子显微镜对不同
纤维层试样进行了形貌观察。图 5 ~ 图 7 分别为 F1、
F2 和 F3 纤维层的扫描图片。从图 5 ~ 图 7 中可以看
出 F1、F2 和 F3 纤维层的直径变化是粗—细—粗。从
图5 可以看出 F1 层纤维上均匀沉积着纳米颗粒,颗粒
大小较一致,在 200 nm 左右,该层纤维在聚结分离过
程中的作用为破乳,纤维表面的颗粒物质可能利于油
中水滴的破乳过程。F2 层纤维直径明显减小,属于超过前面的研究结果可以得出聚结滤芯主要通过
不同直径和厚度的玻璃纤维层组合达到破乳和聚结的
作用。大多数研究表明 [6 -8] ,破乳层的纤维直径越细,
比表面越大,能促进破乳效果。在以往国内外的聚结
滤芯设计中也都是将类似于 F2 层的超细纤维作为破
乳层,紧靠中心管缠绕。因此为了了解本研究剖析的
聚结滤芯在靠近中心管位置先缠绕 1 层粗纤维层的原
因,对 F1 层的纤维材料做了进一步分析。
如图 9 所示,从 F1 层纤维高倍 SEM 图中(图 5b)
可以看出这层纤维表面沉积了大量的纳米颗粒,通过
对纳米颗粒进行 EDS 能谱分析得出这些纳米颗粒主
要成分和玻璃纤维类似,主要也是二氧化硅、氧化铝、
氧化钙、氧化镁、氧化钠等。Shin 课题组
[9,10] 研究了在
玻璃纤维中加入纳米聚苯乙烯纤维,研究指出纳米纤
维的加入提高了捕获效率,但是也引起了压差的增大,
因此纳米纤维的含量不是越高越好。由此推测 F1 层
纤维在聚结滤芯中为破乳层纤维,其纤维表面上的纳
米颗粒在改善破乳效果方面和添加纳米纤维的作用一
样,纤维上均匀的纳米颗粒增大了纤维的比表面积,在
油水混合物流经纤维层时,突起的纳米颗粒可以增加
捕获水滴的几率。此外沉积纳米颗粒和添加纳米纤维
不同是:加入纳米纤维时纤维层的孔径明显减小,因此
导致液体通过纤维层时阻力会明显增大;而在纤维上
沉积纳米颗粒时,对纤维层孔径的减小并不明显,对压
差增大的影响也就能相应减小。Park [11] 等人利用化
学气相沉积法在玻璃纤维表面沉积碳纳米管,将这种
玻璃纤维作为空气过滤材料,实验结果显示,碳纳米管
的沉积有效地提高了滤芯过滤纳米和微米颗粒的效
果,而压差并没有增大。虽然目前没有具体文献研究

结论
聚结滤芯是过滤分离器实现对喷气燃料脱水的关
键,聚结滤芯的结构和材料组成是影响其性能的主要
因素。本研究剖析的聚结滤芯主要是由不同直径和厚
度的玻璃纤维层构成,功能分为破乳层和聚结层,从破
乳层到聚结层玻璃纤维直径变化是粗—细—粗,厚度
是逐渐增加。其中破乳层采用沉积纳米颗粒的玻璃纤
维,这为聚结滤芯材料的选择提供了新的思路。

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