摘要：探讨聚酰亚胺耐高温过滤材料的研究进展。介绍了聚酰亚胺纤维的特性。分析了聚酰亚胺短纤维过滤毡、聚酰亚胺静电纺丝纳米纤维膜以及聚酰亚胺纸基过滤材料的结构与应用领域，总结了聚酰亚胺过滤材料的发展现状。指出：聚酰亚胺短纤维过滤毡的孔隙分布均匀，性价比高，是目前工业过滤的较优方案；聚酰亚胺纳米纤维膜过滤性能优异，但其机械性能较差且成本过高，多用于核心过滤层；聚酰亚胺纸基过滤材料的耐高温性优异，绝缘性好，但对其在高温空气过滤领域的研究尚在起步阶段。
随着工业化、城市化的快速发展，悬浮颗粒物污染成为危害空气质量和人类生命健康的主要因素之一。其中PM2.5可穿透呼吸道、肺泡组织等并滞留体内，从而引起诸如哮喘、支气管炎、肺炎、肺癌、心脏病等多种病症，严重危害人类健康。因此，我国对工业废气，尤其是火力发电厂、钢铁冶炼、垃圾焚烧、水泥窑炉等重污染工业产生的高温含尘烟气排放制定了日益严格的标准。
作为一种高效干式除尘器，袋式除尘器其核心部件的滤袋通常采用对颗粒物过滤效果好、结构简单的纤维过滤材料制备而成，其中耐高温过滤袋采用耐温超过200℃的过滤材料制备而成。目前，通常采用的耐高温过滤材料主要为玻璃纤维、芳纶、聚四氟乙烯纤维、聚苯硫醚纤维、芳砜纶、三聚氰胺纤维以及聚酰亚胺纤维等耐高温纤维。但现有芳纶1313耐水解性能差，聚苯硫醚纤维耐氧化性能较弱，玄武岩纤维虽然能满足耐高温性能要求，但由其制备的过滤材料除尘效果不佳，断裂强力较低。
随着水泥工业普遍采用余热回收发电技术，窑尾除尘器工作温度普遍在150℃左右，但考虑到实际运行过程中余热锅炉运行异常或不开机时的超温现象，采用芳纶等针刺过滤材料易出现烧毁滤袋现象；此外，由于余热发电技术的应用，去除了增湿塔环节，进入除尘系统中的硫等酸性物质的量增加，导致终端设备腐蚀、滤袋腐蚀现象频繁，滤袋使用寿命降低，更换频率增加，因而杨诚等认为采用聚酰亚胺纤维制备的耐高温过滤材料是水泥窑尾烟气治理中的首选材料。
聚酰亚胺作为一类主链上含有酰亚胺环的聚合物，通常指含有酞酰亚胺结构的聚酰亚胺。因其大分子链中含有苯环和氮五元杂环结构，芳杂环结构和碳氧双键产生共轭效应，其主链分子间能增大，大分子链之间作用力增强，从而表现出高强高模、耐高低温、耐辐射、阻燃和低吸湿等性能特征；热重分析结果表明，相对于其他高分子材料，聚酰亚胺具有突出的耐高低温性能，是迄今为止聚合物中热稳定性较高的品种之一，可在苛刻的高温环境中使用。同时，聚酰亚胺纤维具有良好的化学稳定性，可长期在大多数有机溶剂作用条件下使用，耐碱性优于耐酸性。此外，聚酰亚胺纤维截面不规则，比表面积大，不仅可极大地提高捕集尘粒的能力和过滤效率，同时大多数被捕集的尘埃都集中在滤料的表面，较难渗透内部堵塞孔隙，易于清灰；因纤维内应力分布不匀且大小不等，有利于增强纤维间缠结和抱合，提高过滤材料的密实程度。从加工方式的角度而言，耐高温过滤材料历经了机织物与针织物、针刺与水刺非织造材料以及纳米纤维膜等形式。机织物结构耐高温过滤材料在过滤过程中难以形成滤饼且在过滤初期过滤效率低，一般作为复合过滤材料的力学增强结构；相对于机织结构，针织结构耐高温过滤材料孔隙为非直通式，故而过滤效率相对较高，但针织物为线圈相互串套而成，由其制备的耐高温过滤材料机械稳定性较差，过滤效率不稳定。相较于机织和针织结构耐高温过滤材料，非织造材料直接由纤维成网、加固而成，呈三维网状结构，具有高孔隙率、高透气、高过滤效率等优点，是常用的高品质纤维过滤材料。针刺耐高温过滤材料，因纤维在刺针作用下发生较强的转移和缠结作用，呈三维网状结构，具有高强度、低成本、小阻力、强颗粒捕捉能力等优点，但也会因刺针机械作用使部分纤维和增强基布受损，导致制备的过滤材料强度下降，影响其使用寿命。而水刺耐高温过滤材料，因水刺加固技术对纤维或增强基布损伤较小，且在高压微细水流的直接和反射双重作用下过滤材料更加致密，有利于改善其过滤性能，孔径小且集中，清灰周期长且残余阻力小；但也应注意到，水刺工艺虽然对纤维损伤小，过滤材料致密，过滤效果好，但水刺加固的作用有限，其制品的单位面积质量一般较小，仅采用水刺工艺制备较厚重的耐高温过滤材料时，其加固效果不佳，易出现分层现象。考虑到现有耐高温过滤材料其单位面积质量较高，以聚酰亚胺短纤维为代表的耐高温过滤材料多采用针刺工艺制备而成，或采用水刺工艺对针刺过滤材料进行表面整理，以进一步改善过滤性能。现有研究发现，聚酰亚胺纤维虽然表现出优异的耐酸性能，但其耐碱性能相对较弱；考虑到其价格因素，通常与其他耐高温纤维（如玄武岩纤维、玻璃纤维等）混和使用制备耐高温过滤材料。何丽芬等公开了以玄武岩机织物为基布，采用聚酰亚胺和玄武岩短纤维混和制备迎风面和底层，并采用针刺加固制备耐高温水解、耐酸腐蚀的复合过滤材料。成沙将聚酰亚胺（P84）纤维与超细玻璃纤维针刺混和制备了复合过滤材料，研究发现当两者混和比为60/40时，所制备的过滤材料综合性能最佳。此外，为弥补聚酰亚胺纤维耐碱性不足的劣势，可以以聚四氟乙烯织物为基布层，聚酰亚胺纤维层为面层制备复合结构耐高温过滤材料。凡芳等研究认为，以聚四氟乙烯织物为基布的聚酰亚胺纤维过滤材料捕集微细粉尘性能良好，适用于水泥窑尾粉尘较细的特殊工况，理论机械寿命超过6年，过滤材料密实度较好，粉尘在迎风面表面被正常截留，正常运行4年后运行压差保持在较低水平（800Pa），除尘器排放浓度符合国家标准（<20mg/m3），并且清灰试样透气保持率依然稳定在80%左右，表现出了良好的透气性能。因聚酰亚胺纤维本身不具有拒水、拒油性能，且在酸碱环境下易发生水解，导致聚酰亚胺过滤材料断裂强力下降或糊袋，严重影响滤袋的除尘效率，因而可对制备的含聚酰亚胺过滤材料进行表面涂层处理。蔡伟龙等研究发现，基于聚酰亚胺（P84）纤维、聚四氟乙烯纤维混纺针刺复合过滤材料，对其采用聚四氟乙烯悬浮液发泡涂层处理后，过滤材料中孔隙变小，比表面积增加，表面效果得到极大改善，可将粉尘拦截在过滤材料表面，表现类似“表面过滤”特性，可有效延长过滤材料的清灰周期。总体而言，聚酰亚胺短纤维耐高温过滤材料具有性价比高、清灰容易、使用寿命长等优点；因纤维直径较粗，短纤维耐高温过滤材料的过滤效率不高且对小尺寸微细颗粒物的过滤效率较低，为确保过滤效率，通常需提高过滤材料的单位面积质量，导致耐高温过滤材料厚重且过滤阻力较高，难以满足高效低阻、宽过滤尺度、低能耗的应用需求。传统短纤维过滤材料存在过滤效率低、过滤阻力高等缺点，难以满足高效过滤、低气阻的应用需求。而基于静电纺丝技术制备的聚合物纤维过滤材料具有三维立体网状结构，内部存在大量互通的孔隙，且具有比表面积大、对微细颗粒物捕获能力强等特点。目前，已有采用聚酰胺、聚氨酯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物基于静电纺丝技术制备的气体过滤用纳米纤维膜，但其长期耐高温性能较差。聚酰亚胺作为一种性能优良的耐高温高分子材料，由其制备的静电纺丝纳米纤维膜不仅可用作电池隔膜和气固分离膜，还可用于高温烟气过滤。王亚芳研究发现，相对于均匀结构的聚酰亚胺纳米纤维薄膜，串珠结构的聚酰亚胺纳米纤维薄膜对颗粒污染物表现出较高的过滤效率。究其原因，主要是由于串珠结构的表面较为粗糙和纤维层间结构较为蓬松，有利于空气在纳米纤维膜内部的循环，可有效增加颗粒物与纳米纤维之间的碰撞几率，增加纳米纤维对颗粒物的捕捉能力；同时，调控静电纺丝液聚酰亚胺酸中聚丙烯腈的含量，高温亚胺化并去除聚丙烯腈，获得褶皱多孔结构的聚酰亚胺纳米纤维膜，可有效增强吸附作用，但其力学性能会随之下降。静电纺丝制备的纳米纤维机械性能较差，制备困难，生产效率较低且生产和使用成本高，无法满足工业粉尘的过滤要求。为提高过滤材料的力学性能并降低生产和使用成本，通常需在纳米纤维膜表面加入增强层以制备复合结构的过滤材料。尚磊明等采用芳纶非织造布为基层，静电纺丝聚酰亚胺纳米纤维为过滤层，耐高温非织造布（聚苯硫醚、芳砜纶、聚酰亚胺、聚四氟乙烯非织造布）为保护层，采用热压法制备的耐高温纳米纤维复合过滤材料表现出了较高的过滤效率和低初始过滤阻力，研究发现少量纳米纤维即可有效提高复合过滤材料的过滤效率，但未能评估其在高温条件下的过滤性能。胡敏采用低熔点聚丙烯腈为黏合剂热熔黏合制备玻璃纤维/聚酰亚胺纳米纤维膜复合过滤材料，并对其过滤效率、压降阻力和品质因子进行了分析，但亦未考虑其耐高温性能。为提高增强织物与纳米纤维膜之间的层间黏结性能和耐高温性能，侯大伟采用芳纶针刺毡为保护层，聚酰亚胺纳米纤维膜为芯材，采用超声波点复合工艺制备复合过滤材料，并对其耐高温性能、过滤性能进行了评价和分析。此外，杨欣卉等以静电纺丝制备的聚酰亚胺纳米纤维为中间过滤层，以碳纤维机织物为上下增强层，采用聚酰亚胺纱线或碳纤维纱线对过滤层和增强层进行缝合，从而制备了多尺度混合过滤材料，并研究了其过滤效率与过滤阻力以及再生性能，但未探讨缝合工艺及纱线对复合过滤材料过滤性能的影响，且亦未考虑缝合工艺在过滤材料使用过程中对过滤效率稳定性的影响。总之，以纳米纤维膜为核心过滤层制备的耐高温过滤材料，可加工性能较强，可在兼顾过滤效率和低气阻的同时，有效降低耐高温过滤材料的单位面积质量，但需要注意的是，目前对静电纺丝制备耐高温过滤材料的研究大多处于试验阶段，产业化量产时其在性能稳定性、生产成本控制、溶剂回收等方面依然面临巨大挑战。此外，前期对已实现量产的聚酰亚胺纳米纤维膜进行研究发现，相对于短纤维耐高温过滤材料，其容尘量小，易形成表面堵塞，导致过滤阻力迅速增大，因而不适宜于高浓度粉尘过滤用。聚酰亚胺纸基过滤材料，以聚酰亚胺纤维为原料，通过现代湿法造纸技术制备纤维原纸，后对其进行热亚胺化处理，可获得聚酰亚胺纸。目前，对聚酰亚胺纸的性能研究多集中在耐高温和绝缘性能方面，而对其过滤性能，特别是高温过滤性能的研究相对较少。通过现代湿法造纸技术成型制备的纸基过滤材料，其主体为纤维相互构成的网状结构，纤维弯曲从而构成具有弯曲结构的孔道；同时纤维之间相互交叉，使其具有较高的孔隙率，因而可通过纤维原料的优选、加工方式的优化并选用合理的后处理方式，从而获得不同孔隙率和孔径的过滤材料。但因聚酰亚胺纤维缺乏化学活性基团，纤维之间结合力较低，成纸松散，强度较低，且因普通线密度纤维制备而成的纸基过滤材料其结构过于疏松，对以PM2.5为代表的细微颗粒物的过滤效率较低。为解决上述问题，徐强就聚环氧乙烷、芳纶浆粕含量对聚酰亚胺纸基复合材料的强度性能、电气性能和热稳定性进行了探讨，但未考虑其对高温烟气的过滤性能。张楠等以聚酰亚胺短纤维、对位芳纶沉析纤维为黏结纤维，改善成纸的强度，对位芳纶浆粕纤维构筑微小孔径以提高对微细颗粒物的过滤精度；研究发现，对于聚酰亚胺纤维/沉析纤维体系以及聚酰亚胺纤维/浆粕纤维/沉析纤维体系，随沉析纤维含量的减少，聚酰亚胺原纸的过滤效率和压力降均呈现下降趋势；从纸张后处理工艺角度而言，冷压光和热压处理均能显著提高纸基的过滤效率，但过滤压力降也随着急剧增加。此外，研究还发现，以聚酰亚胺纤维、对位芳纶沉析纤维为原料，引入多孔金属框架化合物，采用湿法造纸技术制备的新型高温气体过滤材料对高温烟气的过滤性能较为优异。采用现代湿法造纸技术形成的纸基过滤材料具有独特的三维立体网状结构，是制备过滤材料的理想方法，但因聚酰亚胺纤维分子结构中含有稳定的酰亚胺基团，无亲水基团，不利于浆料的分散和稳定，因此所制备的聚酰亚胺纸基过滤材料易出现纤维聚集分布等现象。此外，聚酰亚胺纤维表面无游离羟基，因而纤维之间无氢键结合，这对其成纸工艺提出了更高的要求。聚酰亚胺纤维因其优异的性能广泛应用于过滤领域，其加工方式繁多，种类丰富，性能亦存在差异。聚酰亚胺短纤维过滤毡的孔隙分布均匀，性价比高，是目前工业高温烟气过滤的较优方案，但其存在单位面积质量较高、过滤阻力高等缺陷。聚酰亚胺纳米纤维膜过滤性能优异，是轻量化耐高温过滤材料核心过滤层的优选材料之一，但其也存在机械性能较差、量产时成本过高、性能稳定性不足等亟待解决的问题，阻碍了聚酰亚胺纳米纤维膜在高温过滤材料领域的推广和应用。聚酰亚胺纸基过滤材料的耐高温性优异，绝缘性好，但对其在高温空气过滤领域的研究尚处于起步阶段，且其亦存在分散困难、成纸工艺要求高以及对微细颗粒物过滤效率偏低等不足。因此，研发高性价比、轻质、高效低阻、宽过滤尺度的聚酰亚胺耐高温过滤材料仍需深入探究。聚酰亚胺纤维因优良的耐热性，其成为目前最佳的高温过滤材料之一。随着人们对环保的日益重视，聚酰亚胺耐高温过滤材料将具有广阔的市场前景；同时，对聚酰亚胺耐高温过滤材料的深入研究和推广应用，对高性能纤维实现国产化及可持续发展具有重大经济价值和社会价值。
