聚结滤芯的结构和材料分析

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
标
［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。