聚苯硫醚纖維對其復(fù)合濾料結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能影響

余鵬程，于 斌，韓 建，徐國平，丁新波

(1.浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院，浙江杭州 310018;2.浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310018)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，由此引發(fā)的環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重，尤其是鋼鐵、水泥、火力發(fā)電、垃圾焚燒等行業(yè)的煙氣排放(冷卻后溫度在140～240℃之間)，是對大氣造成污染的主要原因［1-2］。隨著人們環(huán)保意識(shí)以及對環(huán)境改善的要求日益加強(qiáng)，提高煙氣排放的潔凈程度成為必要措施。玄武巖纖維(BF)具有優(yōu)異的力學(xué)性能，且耐高溫，耐腐蝕性，化學(xué)穩(wěn)定性高［3-5］，抗靜電性能良好，價(jià)格較低，適合在耐高溫濾料中的應(yīng)用。目前有關(guān)玄武巖纖維在高溫濾料中的研究還較少。王萍等［6］研究了水刺壓強(qiáng)、輸網(wǎng)簾速度、水刺道數(shù)與玄武巖纖維水刺過濾材料縱橫向強(qiáng)力、孔徑、孔隙率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)縱橫向強(qiáng)力隨著水刺道數(shù)的增加而減小，材料的孔隙率隨著水刺壓強(qiáng)和道數(shù)的增加而降低。馮建民等［7］對玄武巖纖維復(fù)合針刺過濾材料耐酸堿性能進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明玄武巖纖維復(fù)合針刺濾料經(jīng)酸處理后強(qiáng)力保持率在92%以上，經(jīng)濃度為2 mol/L的NaOH溶液處理后強(qiáng)力保持率在68%以上。

由于玄武巖纖維密度高，在梳理時(shí)纖維易沉在針布底部，難以得到有效的梳理，同時(shí)玄武巖纖維無卷曲，纖維之間難以產(chǎn)生有效抱合［8］，單一玄武巖纖維在普通梳理機(jī)上雖能形成纖網(wǎng)，但是均勻性很差。而聚苯硫醚(PPS)纖維具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性及電性能［9-11］，適宜用作過濾材料，而且其卷曲性好，有利于纖維間的抱合，但是因其價(jià)格較高，可將PPS纖維加入玄武巖纖維中共混成網(wǎng)，以改善纖網(wǎng)成網(wǎng)的均勻性。

本文將玄武巖纖維與PPS纖維以不同質(zhì)量比混合、開松，經(jīng)針刺加固制成過濾材料，通過表觀形貌觀察以及斷裂強(qiáng)力等測試，分析PPS纖維對玄武巖纖維復(fù)合針刺過濾材料形態(tài)結(jié)構(gòu)及力學(xué)等性能的影響，從而為玄武巖纖維復(fù)合濾料在高溫過濾中的研究和應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料：玄武巖纖維、PPS纖維、玄武巖基材，其規(guī)格及基本性能如表1、2及圖1所示。

表1 玄武巖纖維及PPS纖維的基本性能Tab.1 Basic properties of basalt and PPS fibers

表2 玄武巖纖維基材規(guī)格Tab.2 Specification of basalt substrate fabric

圖1 玄武巖纖維、PPS纖維和玄武巖基材Fig.1 Basalt fiber(a)，PPS fiber(b)and basalt substrate fabric(c)

1.2 玄武巖纖維針刺復(fù)合過濾材料的制備

本文實(shí)驗(yàn)所采用的制備工藝流程如圖2所示，所得的纖網(wǎng)及復(fù)合濾料的規(guī)格：濾料面密度為600g/m2，針刺密度為200刺/cm2，BF與 PPS纖維質(zhì)量比分別為 A 試樣100∶0，B 試樣10∶10，C 試樣80∶20，D 試樣70∶30。

圖2 BF/PPS針刺復(fù)合濾料制備的工藝流程Fig.2 Preparing process of BF/PPS needle-punched composite filter materials

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 纖維網(wǎng)的表面形貌觀察

采用ZEISS Stemi 2000-C型體視顯微鏡對不同纖維配比的玄武巖/PPS纖維網(wǎng)的表面形貌進(jìn)行觀察。

1.3.2 復(fù)合濾料的形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察

采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對玄武巖/PPS復(fù)合濾料的表面和橫截面進(jìn)行觀察。

1.3.3 復(fù)合濾料的力學(xué)性能測試

用YG028-3000型織物電子強(qiáng)力儀對玄武巖/PPS復(fù)合濾料進(jìn)行力學(xué)性能的測試。測試標(biāo)準(zhǔn)按照FZ/T 60005—1991《非織造布斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長率的測定》。測試條件：夾持距離為200 mm，拉伸速度為100 mm/min。

1.3.4 復(fù)合濾料的纏結(jié)性能測試

采用纏結(jié)系數(shù)來評價(jià)玄武巖/PPS復(fù)合濾料的纏結(jié)性能，計(jì)算公式為

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維網(wǎng)的表觀形貌分析

不同質(zhì)量比的玄武巖/PPS纖維網(wǎng)的顯微鏡照片如圖3所示。圖中呈筆直狀的為玄武巖纖維，而有一定彎曲形狀的是PPS纖維。從圖中可以看出，100%玄武巖纖維梳理出來的纖維網(wǎng)均勻性差，纖維單纖化程度不高，纖維網(wǎng)中存在一些纖維束，添加PPS纖維后的纖維網(wǎng)均勻性不斷改善，纖維排列雜亂程度變大。這主要是因?yàn)樾鋷r纖維比重大，無卷曲，抱合力小，100%玄武巖纖維在梳理時(shí)易沉積在梳理機(jī)的工作元件上，纖維難以得到有效的梳理，單纖化程度差，纖維損傷較多;PPS纖維有一定的卷曲度，有利于纖維的纏結(jié)抱合，可增加纖維間的摩擦，增大靜摩擦因數(shù)，從而提高纖維網(wǎng)質(zhì)量。

2.2 復(fù)合濾料的形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

圖4 示出經(jīng)預(yù)針刺和主針刺各1次針刺加固后的玄武巖/PPS針刺復(fù)合過濾材料的表面及橫截面的SEM照片。從圖4(a)、(b)可看出，玄武巖纖維彎曲剛度較高，基本呈直線狀，在濾料中的分布均勻性較差，有束狀纖維存在，纖維與纖維間、纖維與基材間相互纏結(jié)少，而被刺針刺斷纖維數(shù)量較多;從圖4(c)、(e)、(g)可看出，添加彎曲剛度較低的PPS纖維改善了濾料的均勻性，提高了纖維的單纖化程度。PPS纖維穿插纏結(jié)在玄武巖纖維的周圍，增強(qiáng)了表層纖維網(wǎng)的纏結(jié)、抱合，而且有纖維貫穿濾料上下，有利于纖維與纖維、纖維與基材間的纏結(jié);從圖4(d)、(f)、(h)可看出添加PPS纖維減少濾料表層被刺斷的纖維數(shù)，增加了被刺入基材中纖維，改善了纖維與基材的纏結(jié)性能。

圖3 不同質(zhì)量比的玄武巖/PPS纖維網(wǎng)的顯微鏡照片(×20)Fig.3 Microscope photos of basalt/PPS web of different weight percentage(×20).(a)A sample;(b)B sample;(c)C sample;(d)D sample

2.3 復(fù)合濾料的力學(xué)性能分析

不同質(zhì)量比的玄武巖/PPS針刺復(fù)合過濾材料的斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長率如圖5所示。其中圖5(a)是玄武巖/PPS針刺復(fù)合過濾材料的斷裂強(qiáng)力與PPS纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系。當(dāng)PPS纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0提高到30%時(shí)，復(fù)合濾料的橫、縱向強(qiáng)力分別由588.3、474.2 N/5cm增加為1 465.2、1 075.2 N/5cm，而且斷裂強(qiáng)力隨PPS纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化符合直線規(guī)律。復(fù)合濾料的強(qiáng)力是由基材和表面纖維網(wǎng)共同承擔(dān)，但以基材為主，表面纖維網(wǎng)在針刺加工過程中對基材有保護(hù)作用［13-14］。玄武巖纖維無卷曲和脆性，在針刺過程中容易被刺斷，添加PPS纖維可增強(qiáng)纖維間的摩擦力、抱合力，使纖網(wǎng)纏結(jié)緊密，從而增加表層纖網(wǎng)的強(qiáng)力，同時(shí)在針刺過程中PPS纖維的加入能對基材有緩沖的作用，減少基材損傷，提高濾料的整體強(qiáng)力。同時(shí)從圖5(a)中還可看出，復(fù)合濾料橫向斷裂強(qiáng)力隨PPS纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的速率大于縱向。主要是因?yàn)槭崂淼玫降睦w網(wǎng)中橫向分布的PPS纖維較多，使橫向的纖維纏結(jié)增加。由圖5(b)可知，添加PPS纖維后復(fù)合濾料的橫、縱向斷裂伸長率略有增加，主要出現(xiàn)在當(dāng)PPS纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0提高到10%時(shí)，之后隨著PPS纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，斷裂伸長率無明顯變化。綜上所述，通過添加PPS纖維可有效改善復(fù)合濾料的力學(xué)性能。

圖4 不同質(zhì)量比的玄武巖/PPS針刺復(fù)合過濾材料的表面及橫截面的SEM照片(×100)Fig.4 SEM images of surface and cross section of basalt/PPS needle-punched composite filter materials of different weight percentages(×100).(a)Surface of A sample;(b)Cross section of A sample;(c)Surface of B sample;(d)Cross section of B sample;(e)Surface of C sample;(f)Cross section of C sample;(g)Surface of D sample;(h)Cross section of D sample

2.4 復(fù)合濾料的纏結(jié)性能分析

不同質(zhì)量百分比的玄武巖/PPS針刺復(fù)合過濾材料的纏結(jié)性能如圖6所示。纏結(jié)系數(shù)指的是非織造材料的縱向強(qiáng)力和橫向強(qiáng)力之和與其面密度的比值，可較好地反映PPS纖維對玄武巖纖維/PPS復(fù)合濾料的纏結(jié)性能。隨著PPS纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，復(fù)合濾料的纏結(jié)系數(shù)符合直線上升規(guī)律。PPS纖維卷曲程度較好，纖維間易纏結(jié)，纖維網(wǎng)容易成網(wǎng)，通過針刺后纖維間的纏結(jié)更牢固，從而纏結(jié)系數(shù)有所提高。由纏結(jié)系數(shù)的計(jì)算公式可知，在濾料的面密度相同的條件下，纏結(jié)系數(shù)大小與濾料的拉伸斷裂強(qiáng)力有直接關(guān)系，因此，濾料的纏結(jié)系數(shù)大說明纖維間纏結(jié)好，纏結(jié)結(jié)構(gòu)緊密，濾料的拉伸斷裂強(qiáng)力大，力學(xué)性能好，所以添加PPS纖維可提高濾料的力學(xué)性能。

圖5 不同質(zhì)量比的玄武巖/PPS針刺復(fù)合過濾材料的斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長率Fig.5 Breaking strength(a)and elongation(b)of basalt/PPS needle-punched composite filter materials of different weight percentages

圖6 不同質(zhì)量比的玄武巖/PPS針刺復(fù)合過濾材料的纏結(jié)性能Fig.6 Entanglement properties of basalt/PPS needle-punched composite filter materials of different weight percentages

3 結(jié)論

本文采用玄武巖纖維與PPS纖維制成過濾材料，通過分析PPS纖維對玄武巖纖維復(fù)合針刺過濾材料形態(tài)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等影響，得出以下結(jié)論。

1)隨著PPS纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維的單纖化程度提高，從而提高了玄武巖/PPS纖維網(wǎng)的質(zhì)量，改善了成網(wǎng)均勻性。

2)添加PPS纖維有利于纖維間的纏結(jié)，可以有效提高玄武巖/PPS復(fù)合濾料的橫、縱向強(qiáng)力和纏結(jié)系數(shù)。

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