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汽车机油过滤材料的结构、性能与机理及制备技术研究

作　者: 冯建永
导　师: 张建春
学　校: 东华大学
专　业: 纺织材料与纺织品设计
关键词: 汽车滤清器机油过滤材料大麻结构过滤性能
分类号: U473.6
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

从市场调研及查阅的文献来看,目前汽车机油过滤材料的制备技术主要集中在国外,而国内所用汽车机油过滤材料主要依赖于进口。并且一些国产汽车机油过滤材料的过滤效率差、使用寿命短。为了满足国内市场对汽车机油过滤材料的使用要求,以及打破国外对机油过滤材料制备技术的垄断,有必要采用新的原料或技术,依靠自己的研发能力来制备新型国产汽车机油过滤材料及滤清器。为此,本文主要进行了以下工作。(1)通过对常用汽车机油过滤材料的结构及性能比较发现,机油过滤材料均是多孔材料,具有较好的孔隙特点,纤维呈现三维杂乱排列。要实现较好过滤效果必须具有较小的纤维直径、较小的孔径、较大的孔隙率、较小的厚度和定量、较大的透气率、较大的断裂强力及断裂伸长。通过对实际使用前后汽车机油过滤材料和空气过滤材料的结构及性能进行比较,使用后机油过滤材料及空气过滤材料的平均孔径均减小,厚度和定量均增加,透气率减小。(2)利用大麻纤维、粘胶短纤维、长绒棉纤维分别开发了大麻／棉(60/40)水刺非织造布、大麻／棉(60/40)针刺非织造布、大麻／粘胶(60/40)水刺非织造布,以及利用41.67tex的100%大麻纱线,开发了大麻平纹织物。将三种大麻非织造布及大麻机织物的孔径、过滤精度、压差进行比较,并且研究了测试面积对大麻／棉(60/40)水刺非织造布压差的影响。以开发的大麻／棉(60/40)水刺非织造布作为实验材料,研究大麻／棉水刺非织造布的过滤性能并且研究过滤过程中各个参数的变化情况。清洁油液流量和杂质颗粒质量均对压差产生影响,并且压差随着流量和杂质颗粒质量的增加而增加。通过观察杂质颗粒截留在大麻／棉水刺非织造布上的一些典型扫描电镜照片可以知道,杂质颗粒被截留在单个纤维上或被截留在两个纤维之间的孔隙。在过滤过程中,杂质颗粒的浓度是动态变化的。随着杂质颗粒粒径的增加,平均过滤比和过滤效率均增加。将开发的大麻／棉水刺非织造布和市场上过滤性能最好的5#玻璃纤维非织造布的过滤性能比较发现,开发的大麻／棉水刺非织造布的厚度、定量、孔径均较大,孔隙率比较小。将计算所得的EI、EG、ES和过滤效率的实验值E进行比较发现,EI、EG、ES和E之间有明显差异,并且EI<E<EG,ES<<E。由于乓远小于E,所以E可以忽略,可以认为在过滤过程中主要是直接拦截机理和重力沉积机理起作用。与欧三标准滤清器进行比较后发现,利用大麻／棉水刺非织造布制备平板状滤清器的过程中,成形性较好,加工比较容易,但制备折叠状滤清器的过程中,大麻／棉水刺非织造布的折叠性较差,所形成折叠状滤清器的折叠缝隙较大,并且不容易粘接。(3)制备了浸渍层压多孔多层复合材料,并且研究过滤性能的变化。在大麻／粘胶水刺非织造布上制备一层厚度和定量分别为27.2μm,2.08g/m2的PA6纳米层后,这种基布层+纳米层复合材料的平均孔径和过滤精度变为44.3μm和16.9μm。也就是说制备的基布层+纳米层复合材料的过滤性能要比大麻／棉水刺非织造布的过滤性能好。与基布层0.82mm的厚度和131.94g/m2的定量相比,PA6纳米层具有较小的厚度(27.2μm)和定量(2.08g/m2)。粘合剂对复合材料厚度和定量的影响要远远大于PA6纳米层。而PA6纳米层对平均孔径和过滤精度的影响较大。也就是说PA6纳米层对过滤效果的影响程度大于粘合剂。利用两个基布层进行复合所形成两层复合材料的过滤性能没有基布层+PA6纳米层复合材料的过滤性能好。通过比较可以发现,三层夹芯结构复合材料具有较小的厚度、定量、平均孔径,并且具有较好的过滤性能。其中三层夹芯结构复合材料的过滤性能与5#玻璃纤维非织造布的过滤性能比较接近。基布层+PA6纳米层+粘合剂+基布层所形成的三层夹芯结构复合材料的过滤性能比基布层+PA6纳米层所形成的两层复合材料的过滤性能好。在大麻／粘胶水刺非织造布上制备一层PA6纳米层所形成的复合材料,PA6纳米层很容易与基布层分层脱落,而利用三层夹芯结构可以对PA6纳米层实现保护,并且解决了PA6纳米层与基布层之间的分层现象。将不同复合材料在不同流量下的压差进行比较后发现,含有PA6纳米层复合材料的压差与不含纳米层复合材料的压差曲线差异随着流量的增加而增加。并且纳米层对复合材料在不同流量下的压差影响比较大,静电纺纳米纤维层在提高过滤性能的同时也带来了较大的压差。随着复合材料层数的增加,厚度、定量、过滤效果和压差均增加,利用增加层数可以起到提高过滤效果的作用,但也带来了较大的压差。(4)利用大麻根部韧皮,依次经过切断、蒸煮、漂白、疏解、打浆、抄造、压榨、烘干工序后制备大麻纸,并且研究大麻纸的过滤性能。从不同打浆度大麻纸的扫描电镜照片可以发现,大麻纸的表面有不同大小的孔隙。在打浆过程中,由于ZQS2-45打浆机飞刀辊的机械作用,一些大麻纤维并没有被飞刀辊打断(或切断),而一些大麻纤维已经完全被切断。在打浆之后,在大麻纤维表面几乎看不到横节竖纹。在定量基本接近的情况下,①在打浆度增加过程中,大麻纸的厚度呈现减小的趋势,大麻纸的厚度从163μm减小到132.4μm。②在打浆度增加过程中,由于浆料中的大麻纤维不断被打断,纤维排列的紧密程度增加,使得大麻纸的紧度呈现增加的趋势,并且大麻纸的紧度从0.43g/cm3增加到0.53g/cm3。③在打浆度增加过程中,大麻纸的透气度呈现减小的趋势,大麻纸的透气度从2.748μm/Pa·s减小到0.646μm/P·s。在大麻纸的定量接近情况下,随着打浆度从38°SR增加到60°SR,大麻纸对油液中0.33μm颗粒的过滤效率和0.26μmNaCl气溶胶颗粒的过滤效率呈现增加的趋势。不同打浆度大麻纸对油液中0.33μm颗粒的过滤效率达到99.852%-99.958%,对0.26μmr NaCl气溶胶颗粒的过滤效率达到99.942%-99.973%。在相同的打浆度条件下(60°SR),①在定量增加过程中,大麻纸的厚度呈现增加的趋势,大麻纸的厚度从132.4μm增加到174.88μm。②在定量增加过程中,大麻纸的紧度呈现增加的趋势,大麻纸的紧度从0.53g/cm3增加到0.633g/cm3。③在定量增加过程中,大麻纸的透气度呈现减小的趋势,大麻纸的透气度从0.646μm/Pa·s减小到0.276μm/Pa·。随着定量的增加,大麻纸的厚度、纤维排列的紧密程度增加,透气性减小。在打浆度相同的条件下(60°SR),随着大麻纸的定量从70.29g/m2,80.35g/m2,88.50g/m2,增加到110.71g/m2,定量对液体石蜡油液中0.33μm颗粒的过滤效率以及0.26μm NaCl气溶胶颗粒的过滤效率的影响基本一致。相比70.29g/m2,110.71g/m2的大麻纸对石蜡油液中0.33μm颗粒具有较好的过滤效率。随着定量从80.35g/m2,88.50g/m2,增加到110.71g/m2,这三个大麻纸对0.26μm NaCl气溶胶颗粒的过滤效率呈现增加的趋势。其中,不同定量大麻纸对油液中0.33μm颗粒的过滤效率达到99.958%-99.975%,对0.26μm NaCl气溶胶颗粒的过滤效率达到99.964%-100%。打浆度对大麻纸中的孔隙体积的影响要大于定量的影响。打浆度越大,浆料中越来越多的大麻纤维被打断,大麻纸中纤维排列的紧密程度增加。将不同打浆度大麻纸(定量接近70g/m2)、不同定量大麻纸(打浆度为60°SR)与常用汽车机油过滤材料的性能进行比较后发现,大麻纸的过滤效率与压差均较大,这些大麻纸的过滤效率可以高达99.852%-99.975%。大麻机织物的过滤效率最小,只有3.8%,产生的压差也最小,只有6.87Pa。在相同的蒸煮、漂白、疏解条件下,将38°SR,70.49g/m2的大麻纸进行中试制备,并且将中试制备的大麻纸制备成汽车机油滤清器。通过与标准的欧三滤清器进行比较可以发现,大麻纸在提高过滤效率的同时,利用大麻纸制备的机油滤清器的成形性也较好,但与标准的欧三滤清器之间仍有一些差距。(5)对前人的压差理论进行分析后,发现前人的压差理论所用的过滤材料与本文不同,并且用途也不同,但没有清洁机油通过多孔材料的压差理论。利用大麻／棉水刺非织造布,将前人压差理论计算的压差和实验值进行比较,发现理论值和实验值之间有误差。在此基础上,通过对前人公式修正后建立自己的压差理论。将修正后的理论值和实验值进行比较,发现理论值和实验值之间的拟合效果较好,误差也较小。并且将不同打浆度(定量接近)和不同定量(打浆度相同)的大麻纸对压差理论进行实际验证。同时以纤维平均直径df=14.53μm,孔隙率s=84.99%,油液动力粘度μ=1.275×10-2Pa-s,油液密度为850kg/m3的模拟条件,对清洁油液通过大麻/棉水刺非织造布的内部流场进行二维模拟。

全文目录

摘要  4-8
ABSTRACT  8-18
第1章绪论  18-44
  1.1 研究意义及背景  18-19
  1.2 汽车机油过滤材料的研究现状  19-25
    1.2.1 汽车滤清器及过滤材料  19-20
    1.2.2 影响过滤效果的因素  20-22
    1.2.3 流体通过多孔材料的理论  22-24
    1.2.4 过滤机理及堵塞  24-25
  1.3 国外对大麻及纤维的研究现状  25-29
  1.4 静电纺纳米纤维及在过滤方面的应用  29-32
  1.5 本文的研究内容及创新点  32-36
    1.5.1 目前存在的问题  33-34
    1.5.2 本文的主要研究内容  34-35
    1.5.3 主要创新点  35-36
  参考文献  36-44
第2章常用汽车机油过滤材料及使用前后的结构与性能  44-63
  2.1 常用汽车机油过滤材料及性能测试  44-46
    2.1.1 常用汽车机油过滤材料  44
    2.1.2 性能测试  44-46
  2.2 常用汽车机油过滤材料的结构及性能分析  46-50
    2.2.1 十种机油过滤材料的扫描电镜照片  46
    2.2.2 结果分析  46-48
    2.2.3 十种常用汽车机油过滤材料的系统聚类分析  48-50
  2.3 汽车机油过滤材料在使用前后的结构及性能  50-53
    2.3.1 扫描电镜照片比较  50-51
    2.3.2 孔径分布及孔隙率变化  51-52
    2.3.3 物理性能变化  52
    2.3.4 汽车机油过滤材料在使用前后的结构及性能变化总结  52-53
  2.4 汽车空气过滤材料在使用前后的结构及性能  53-56
    2.4.1 扫描电镜照片比较  53-54
    2.4.2 孔径分布及孔隙率变化  54-55
    2.4.3 物理性能变化  55
    2.4.4 压差变化  55-56
    2.4.5 汽车空气过滤材料在使用前后的结构及性能变化总结  56
  2.5 汽车机油过滤材料与空气过滤材料的结构及性能比较  56-58
    2.5.1 使用前的机油过滤材料与空气过滤材料比较  56-57
    2.5.2 使用后的机油过滤材料与空气过滤材料比较  57-58
  2.6 过滤材料在使用前后性能变化的机理分析  58-59
  2.7 本章小结  59-61
  参考文献  61-63
第3章大麻非织造布的制备及对杂质颗粒的过滤性能  63-83
  3.1 大麻非织造布及机织物的制备  63-65
    3.1.1 大麻非织造布的制备  63-65
    3.1.2 大麻机织物的织造参数  65
  3.2 大麻非织造布及大麻机织物的过滤性能测试及比较  65-68
    3.2.1 大麻非织造布及大麻机织物的物理性能  65-66
    3.2.2 大麻非织造布及大麻机织物的过滤性能分析  66-67
    3.2.3 大麻非织造布及大麻机织物的压差分析  67-68
  3.3 大麻/棉水刺非织造布的过滤过程模拟  68-71
    3.3.1 实验材料  68
    3.3.2 杂质颗粒  68-69
    3.3.3 实验油液  69-70
    3.3.4 实验设备及实验过程  70
    3.3.5 模拟过滤过程  70-71
  3.4 大麻/棉水刺非织造布对杂质颗粒的过滤性能分析  71-76
    3.4.1 过滤过程中的压差变化  71
    3.4.2 杂质颗粒的截留形式  71-72
    3.4.3 过滤过程中杂质颗粒浓度的变化  72-74
    3.4.4 过滤比和过滤效率与杂质颗粒粒径之间的关系  74
    3.4.5 过滤比和过滤效率与时间之间的关系  74-75
    3.4.6 大麻/棉水刺非织造布与常用机油过滤材料的过滤效率比较  75-76
  3.5 大麻/棉水刺非织造布的过滤机理分析  76-79
    3.5.1 前人过滤机理分析  76-77
    3.5.2 前人过滤机理验证  77-79
  3.6 大麻/棉汽车滤清器的中试制备  79
  3.7 本章小结  79-81
  参考文献  81-83
第4章大麻非织造布多层复合材料的制备及过滤性能  83-97
  4.1 实验材料及性能测试  83-85
    4.1.1 基布  83
    4.1.2 制备PA6静电纺纳米纤维  83-84
    4.1.3 三层夹芯结构复合材料的制备  84
    4.1.4 多层复合材料的制备  84-85
    4.1.5 性能测试  85
  4.2 结果分析  85-94
    4.2.1 制备的静电纺纳米纤维分析  85-87
    4.2.2 制备的多层复合材料  87-89
    4.2.3 不同复合材料的性能比较  89-92
    4.2.4 复合材料层数对过滤材料性能的影响  92-94
  4.3 本章小结  94-97
第5章大麻纸的制备及过滤性能  97-117
  5.1 国外对大麻纸的研究现状  97-98
  5.2 大麻纸的制备及性能测试  98-102
    5.2.1 大麻纸的制备过程及实验条件  99-101
    5.2.2 大麻纸的性能测试  101-102
  5.3 结果分析及讨论  102-111
    5.3.1 打浆度对大麻纸的物理性能和过滤性能的影响  102-106
    5.3.2 定量对大麻纸的物理性能和过滤性能的影响  106-108
    5.3.3 打浆度和定量对大麻纸孔径分布的影响  108-109
    5.3.4 大麻纸与汽车机油过滤材料的性能比较  109-110
    5.3.5 大麻纸与汽车空气过滤材料的性能比较  110-111
  5.4 大麻纸及汽车滤清器的中试制备  111-113
  5.5 本章小结  113-115
  参考文献  115-117
第6章清洁油液的压差理论分析及流体力学模拟  117-132
  6.1 前人压差理论分析  117-121
    6.1.1 前人压差理论的分析及验证  117-119
    6.1.2 不同渗透系数的理论分析及验证  119-121
  6.2 前人压差理论公式的修正  121-127
    6.2.1 清洁油液的性质  122
    6.2.2 清洁油液流过实验材料的过程  122-124
    6.2.3 清洁油液流过大麻/棉水刺非织造布的雷诺数  124
    6.2.4 前人压差理论公式的修正  124-126
    6.2.5 利用大麻纸对修正后压差理论公式的实际验证  126-127
  6.3 清洁油液流过大麻/棉水刺非织造布的流体力学模拟  127-129
  6.4 本章小结  129-131
  参考文献  131-132
第7章结论与展望  132-143
  7.1 本文结论  132-140
  7.2 本课题研究过程中存在的不足  140-141
  7.3 课题未来研究方向展望  141-143
    7.3.1 大麻纤维的应用领域  141
    7.3.2 静电纺纳米纤维的产业化应用  141
    7.3.3 大麻纸的产业化应用  141-143
攻读学位期间的研究成果目录  143-144
致谢  144

汽车机油过滤材料的结构、性能与机理及制备技术研究

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