聚苯硫醚/芳砜綸非織造過濾材料的耐高溫及耐腐蝕性能

殷慶永，黃 晶，張光旭，郁崇文

(1.上海特安綸纖維有限公司，上海 200050;2.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620)

芳砜綸(PSA)和聚苯硫醚(PPS)纖維是具有優(yōu)異的耐熱、耐燃、耐腐蝕和較好力學(xué)性能的高性能纖維。PSA和PPS纖維的熱分解溫度分別為435.6℃和480℃，2種纖維均具有優(yōu)異的耐熱性能，且PPS纖維的耐熱性能優(yōu)于PSA纖維。PPS纖維的斷裂強(qiáng)度和伸長高于PSA纖維，經(jīng)高溫處理后，PPS纖維的斷裂強(qiáng)度保持率優(yōu)于PSA纖維［1］。PSA纖維是制作袋式除塵器配套濾袋的優(yōu)良材料，不僅耐熱性良好，還具有優(yōu)良的抗氧化穩(wěn)定性，熱收縮小，能保持良好的尺寸穩(wěn)定性以及良好的抗酸性能等，可在高溫下長期使用，非常適用于耐高溫濾料，且價格相對PPS纖維等也較便宜［2］。許多學(xué)者已對PSA纖維和PPS纖維分別用于耐高溫濾料的性能進(jìn)行了研究［2-5］，但還很少見對PPS纖維和PSA纖維混合后制成的非織造過濾材料的性能研究。

本文對不同共混比的PPS/PSA非織造過濾材料的耐高溫及耐腐蝕性能進(jìn)行了測試研究。

1 試驗

1.1 試樣及試驗儀器

芳砜綸纖維：1.67 dtex，51 mm;聚苯硫醚纖維：1.75 dtex，51 mm。

YG141N數(shù)字式織物厚度儀;YG461E數(shù)字式透氣量儀;HD026N電子織物強(qiáng)力儀。

1.2 非織造針刺試驗

選擇 PPS與 PSA共混比為 90/10、80/20、70/30、60/40進(jìn)行非織造試驗。

加工工藝：纖維開松、混合→梳理成網(wǎng)→交叉鋪網(wǎng)→預(yù)針刺→主針刺。

每種共混比下針刺道數(shù)分別選擇1道、2道及3道主針刺制成3種不同針刺密度的針刺非織造布(均先經(jīng)過預(yù)針刺)。預(yù)針刺頻率為600刺/min;主針刺頻率為730刺/min。

1.3 耐高溫試驗

PPS纖維的持續(xù)使用溫度為190℃，瞬間使用溫度為200℃［6］;PSA具有優(yōu)良的耐高溫性，可在250℃下長期使用，瞬間使用溫度為300℃［2］。電廠的廢氣溫度低于190℃，一般為170℃左右。因此，本文試驗將針刺后的非織造織物在烘箱中經(jīng)過160、175、190、205、220、235 ℃ 6 種溫度分別焙烘100 h。

1.4 耐腐蝕性試驗

根據(jù)PPS/PSA非織造過濾材料在高溫除塵中的應(yīng)用特點［7-8］，試驗使用的過濾材料試樣為經(jīng)175℃高溫后的過濾材料，測試PPS/PSA非織造過濾材料的的耐酸堿性、耐氧化性、耐SO2、NO的腐蝕性，參數(shù)條件盡可能地模擬實際工況［9］。

1.5 性能測試試驗參數(shù)

厚度試驗：壓腳面積為 200 mm2;壓力為100 cN。

透氣試驗：試樣壓差為200 Pa;噴嘴號為6 mm。

拉伸試驗：拉伸速度為100 m/min;拉伸隔距為100 mm。

頂破試驗：頂破速度為100 m/min;頂破隔距為450 mm。

孔隙率的計算：過濾材料的過濾效率和濾阻與材料的孔徑分布、孔隙率及最大孔徑、平均孔徑均有關(guān)系。非織造過濾材料的孔隙率是指材料的孔隙體積與總體積的比值?？紫堵实拇_定不需要直接進(jìn)行試驗，可通過計算求得。

式中：n為孔隙率，%;ρ為纖維密度，g/m3;m為材料的面密度，g/m2;δ為材料厚度，m。

2 結(jié)果與討論

2.1 共混比及針刺道數(shù)對濾料性能影響

分別測試過濾材料的物理力學(xué)性能，5次測試結(jié)果的平均值如表1所示。

由表1可看出，隨著PPS/PSA共混比的增大，過濾材料的斷裂強(qiáng)度趨于增大，頂破強(qiáng)力也相應(yīng)增加。顯然，這是因為PPS纖維強(qiáng)度高的結(jié)果。PPS/PSA共混比的增加對透氣率無明顯影響;同時，隨著針刺道數(shù)的增加，透氣率減小，厚度變小，斷裂強(qiáng)力增加，2道針刺比1道針刺的強(qiáng)力提高約10%，3道針刺比2道針刺的強(qiáng)力約提高5%?？紫堵食室?guī)律性下降，但變化相對較小，都穩(wěn)定在93% ～96%的范圍。

表1 共混比及針刺道數(shù)對過濾材料物理力學(xué)性能的影響Tab.1 Effect of blending ratio and needling times to physical properties of filter materials

2.2 高溫處理對過濾材料性能的影響

經(jīng)160、175、190、205、220、235 ℃6 種溫度分別焙烘100 h后測試發(fā)現(xiàn)，1道針刺處理后的材料各方面性能相對較差(纖維抱合力不夠)，所以高溫處理后只比較2、3道針刺后不同混合比的過濾材料的性能。測試結(jié)果見表2～5。其中，常溫(25℃)表示未經(jīng)任何處理時材料的性能。

表2 PPS/PSA(90/10)過濾材料不同溫度處理后的性能Tab.2 Properties of PPS/PSA(90/10)filter materials after processed at different temperatures

表3 PPS/PSA(80/20)過濾材料不同溫度處理后的性能Tab.3 Properties of PPS/PSA(80/20)filter materials after processed at different temperatures

表4 PPS/PSA(70/30)過濾材料不同溫度處理后的性能Tab.4 Properties of PPS/PSA(70/30)filter materials after processed at different temperatures

表5 PPS/PSA(60/40)過濾材料不同溫度處理后的能Tab.5 Properties of PPS/PSA(60/40)filter materials after processed at different temperatures

由表2～5可看出，隨著溫度的升高，不同共混比PPS/PSA過濾材料的孔隙率變化規(guī)律不明顯，透氣率、斷裂強(qiáng)力一般是隨溫度的增高而下降。PPS/PSA(90/10)過濾材料的斷裂強(qiáng)力，190℃時下降到80%左右，235℃時僅約為原來的70%;，尤其在190～205℃的區(qū)間內(nèi)下降明顯;PPS/PSA(80/20)過濾材料的孔隙率在溫度低于190℃處理時變化不大，在溫度高于190℃后，3道針刺的比2道針刺的下降更明顯，透氣率、織物斷裂強(qiáng)力呈規(guī)律性下降，同樣在190～205℃的區(qū)間內(nèi)下降較明顯;PPS/PSA(70/30)過濾材料的孔隙率、透氣率、斷裂強(qiáng)力的變化規(guī)律與 PPS/PSA(80/20)相似;PPS/PSA(60/40)過濾材料的透氣率隨溫度的升高變化不大，隨著PSA共混比的提高，強(qiáng)力仍隨溫度的升高而呈下降趨勢。

總體而言，不同溫度的高溫處理后，過濾材料的孔隙率雖略有下降，但變化不大，都保持在90%以上，且具有一定的穩(wěn)定性，這是因為PPS與PSA纖維耐高溫，其高溫穩(wěn)定性能好。該試驗結(jié)果一定程度上保證了PPS和PSA針刺法非織造布過濾性能，尤其適用在高溫過濾領(lǐng)域。

隨著PSA比例的提高，過濾材料的透氣性和強(qiáng)度有所降低，但過濾材料的耐高溫性有所改善，表現(xiàn)為透氣性和強(qiáng)度的下降幅度降低。這是由于PSA纖維本身強(qiáng)力較低，耐高溫性能好，而其纖維細(xì)度較細(xì)，結(jié)構(gòu)緊密，所以透氣性較差。

2.3 高溫處理后過濾材料的尺寸穩(wěn)定性

總體來看，PPS/PSA共混比為70/30時各方面性能都比較適中，故選擇該共混比時的材料進(jìn)行尺寸穩(wěn)定性研究。將PPS/PSA(70/30)針刺2道和3道的過濾材料分別剪成64、100、784cm2的尺寸，在175℃高溫下焙烘不同時間后，再測試材料的尺寸，以檢驗試樣的尺寸保持率，結(jié)果見表6。

式中：L1為試驗前測試材料尺寸，cm2;L2為試驗后測試材料尺寸，cm2。

表6 175℃高溫處理不同時間后過濾材料的尺寸保持率Tab.6 Size keeping rate of filter materials after treated at 175 ℃ for different time

由表6可看出，高溫處理后，過濾材料的尺寸保持率平均在95%以上，說明其有較好的尺寸穩(wěn)定性。

2.4 PPS/PSA過濾材料耐腐蝕性

為進(jìn)一步了解PPS/PSA非織造過濾材料在高溫除塵中的應(yīng)用特點，盡可能地模擬實際工況條件，試樣為經(jīng)175℃高溫后的過濾材料，再以不同濃度的酸、堿、氧化劑等溶液或氣體處理，研究經(jīng)高溫和化合物綜合作用情況下，PPS/PSA非織造過濾材料的性能變化。

2.4.1 耐酸堿性

2.4.1.1 堿處理 分別采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%的氫氧化鈉溶液在室溫下，以及10%的氫氧化鈉溶液在85℃下浸漬過濾材料8 h后［9］，測試其性能。測試結(jié)果平均值見表7～9。

表7 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%氫氧化鈉溶液浸漬處理后過濾材料的物理力學(xué)性能Tab.7 Physical properties of filter materials after soaked with sodium hydroxide(5%mass fraction)

表8 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%氫氧化鈉處理后過濾材料的物理力學(xué)性能Tab.8 Physical properties of filter materials after treated with sodium hydroxide(10%mass fraction)

表9 85℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%氫氧化鈉處理后過濾材料的物理力學(xué)性能Tab.9 Physical properties of filter materials after treated with sodium hydroxide(10%mass fraction)at 85 ℃

由表7～9可以看出，隨著NaOH濃度的增加，孔隙率和透氣率隨濃度和溫度的變化不明顯;斷裂強(qiáng)力隨濃度的增加下降，經(jīng)85℃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%NaOH處理后比室溫情況下的強(qiáng)力下降更多;隨著PSA比例的提高，強(qiáng)度也下降更多。顯然，這與PSA耐酸不耐堿［8］的性能有關(guān)。

2.4.1.2 酸處理 分別采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、30%的硫酸溶液在85℃下，以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硫酸溶液在室溫下浸漬過濾材料8 h后［9］，測試其性能。測試結(jié)果平均值見表10～12。

表10 85℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%硫酸處理后過濾材料的物理力學(xué)性能Tab.10 Physical properties of filter materials after treated with sulfuric acid(10%mass fraction)at 85 ℃

表11 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%硫酸處理后過濾材料的物理力學(xué)性能Tab.11 Physical properties of filter materials after treated with sulfuric acid(30%mass fraction)

由表10～12可以看出，隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度的增加，斷裂強(qiáng)力均呈現(xiàn)下降，室溫下30%硫酸處理的試樣，各共混比的強(qiáng)力損失幅度比較接近，說明PPS纖維和PSA纖維在室溫下耐酸性能基本相同。加熱到85℃，強(qiáng)力損失更大，也變得不規(guī)律，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，強(qiáng)力損失更大;孔隙率和透氣率有一定的下降，但變化沒有強(qiáng)力那樣明顯。

表12 85℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%硫酸處理后過濾材料的物理力學(xué)性能Tab.12 Physical properties of filter materials after treated with sulfuric acid(30%mass fraction)at 85 ℃

2.4.2 耐氧化性(次氯酸鈉處理)

為了測試織物的耐氧化性，在室溫下，選擇針刺道數(shù)為2道的材料，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的次氯酸鈉溶液［9］對過濾材料進(jìn)行浸漬處理，處理時間分別為24、48、72、100 h。測試結(jié)果平均值見表13 ～16。

表13 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%次氯酸鈉處理24 h后材料的物理力學(xué)性能Tab.13 Physical properties of filter materials after treated with sodium hypochlorite(5%mass fraction)for 24 h

表14 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%次氯酸鈉處理48 h后材料物理力學(xué)性能Tab.14 Physical properties of filter materials after treated with sodium hypochlorite(5%mass fraction)for 48 h

表15 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%次氯酸鈉處理72 h后材料物理力學(xué)性能Tab.15 Physical properties of filter materials after treating with sodium hypochlorite(5%mass fraction)for 72 h

表16 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%次氯酸鈉處理100 h后材料的物理力學(xué)性能Tab.16 Physical properties of filter materials after treating with sodium hypochlorite(5%mass fraction)for 100 h

由表13～16可看出，各共混比過濾材料的斷裂強(qiáng)力，都是隨著處理時間的增加而規(guī)律性下降，但降低幅度不大，強(qiáng)力為原來的80% ～90%;孔隙率和透氣率的變化則無明顯規(guī)律。

一般認(rèn)為，PPS纖維的耐氧化性能差，而對PSA纖維的耐氧化性研究較少。試驗結(jié)果顯示次氯酸鈉處理后強(qiáng)力降低幅度不大，可能是氧化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較低的原因。

2.4.3 耐SO2與NO氣體性能

在各共混比下選擇針刺道數(shù)為2道進(jìn)行SO2、NO氣體處理，改變氣體濃度進(jìn)行試驗，測試處理后過濾材料的性能變化。

通常電廠發(fā)電所產(chǎn)生的SO2、NO氣體質(zhì)量濃度分別為916、178 mg/m3。由于本文的處理時間為8 h，而一般過濾材料的使用周期為3年，因此在該濃度的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)放大(放大1 000倍)，使其更接近于實際使用情況，即SO2、NO氣體質(zhì)量濃度分別為916、178g/m3。該濃度設(shè)定為測試的原濃度，在此基礎(chǔ)上采用減半和加倍濃度進(jìn)行試驗，對原樣(濃度為0)、減半濃度(即SO2、NO氣體質(zhì)量濃度分別為 458、89g/m3)、原濃度(916、178g/m3)和加倍濃度(1 832、356g/m3)的性能進(jìn)行測試。

銅屑和濃硫酸在加熱的條件下可以產(chǎn)生SO2氣體，銅屑和稀硝酸在加熱的條件下可以產(chǎn)生NO氣體。將銅屑加入濃硫酸和稀硝酸的燒杯中，酒精燈加熱產(chǎn)生氣體，處理試樣密封在燒杯口處，密封條件下進(jìn)行試驗。試驗嚴(yán)格按照工廠實際使用時SO2、NO氣體的排放量來設(shè)計。

經(jīng)各濃度的SO2、NO氣體濃度處理后，對過濾材料的性能進(jìn)行測試，結(jié)果見表17～19。

表17 原濃度SO2及NO氣體處理后過濾材料的物理力學(xué)性能Tab.17 Physical properties of filter materials after treated with SO2and NO gas of original concentration

表18 加倍濃度SO2及NO氣體處理后過濾材料的物理力學(xué)性能Tab.18 Physical properties of filter materials after treated with SO2and NO gas of double concentration

表19 減半濃度SO2及NO氣體處理后過濾材料的物理力學(xué)性能Tab.19 Physical properties of filter materials after treated with SO2and NO gas of halved concentration

由表17～19可知，與原樣相比，經(jīng)SO2、NO氣體處理后的過濾材料孔隙率大體是下降的，斷裂強(qiáng)力呈規(guī)律性下降，加倍濃度下降明顯，透氣率也有較明顯下降。但隨PSA比例提高，透氣率和強(qiáng)力下降幅度有所減少。

PPS纖維本身對SO2、NO氣體具有良好的耐腐蝕性，可作為良好的鍋爐煙氣過濾材料，但是，隨氣體溫度升高、時間延長及氣體體積比提高，針刺過濾材料的性能還是有所下降的。其主要原因是SO2對PPS分子的鏈狀結(jié)構(gòu)造成破壞，使PPS聚合鏈與聚合鏈之間產(chǎn)生斷裂或滑移，從而使其性能下降。為了延長針刺過濾材料的使用壽命，應(yīng)該使其工作參數(shù)在限定的范圍內(nèi)，在含塵氣流進(jìn)入除塵系統(tǒng)之前，進(jìn)行脫硫處理以降低腐蝕性氣體的濃度，同時采取適當(dāng)?shù)拇胧┙档蜔煔鉁囟取?/p>

3 結(jié)語

1)針刺道數(shù)對非織造過濾織物的孔隙率、透氣率和強(qiáng)力均有規(guī)律性影響。針刺道數(shù)多，則織物緊密，故其孔隙率和透氣率有所下降，但孔隙率相對穩(wěn)定，僅減少2%左右;透氣率則減少10% ～15%;2道針刺織物的強(qiáng)力比1道的增加約10%，3道針刺的強(qiáng)力比2道的增加約5%。

2)高溫處理后織物的孔隙率、透氣率總體變化不大且規(guī)律不明顯。190℃高溫處理后，織物的強(qiáng)力降為原值的85% ～90%，235℃處理后強(qiáng)力降為原值的65%～70%，PSA比例增加后，耐熱性也提高，強(qiáng)力下降幅度減少，但由于PSA增加后原樣的強(qiáng)力有所降低，所以總的強(qiáng)力變化并無顯著改善。在高溫處理后，織物的尺寸穩(wěn)定性仍較好，尺寸的保持率總體在95%以上。

3)孔隙率和透氣性受堿的影響不大，強(qiáng)力則隨堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而下降，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液作用下，強(qiáng)力減少為原來的80%左右。在酸的作用下，織物孔隙率和透氣性變化不明顯，但強(qiáng)力也有所下降，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的H2SO4溶液作用下，織物強(qiáng)力下降到原值的90%左右。

4)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的次氯酸鈉產(chǎn)生的氯氣作用下，孔隙和透氣率變化不大，但強(qiáng)力隨處理時間的增加而規(guī)律性降低，24 h氧化處理后的強(qiáng)力為原值的90%左右，100 h后為原值的85% ～88%。

5)隨SO2、NO的氣體濃度增加，織物的孔隙率降低1%左右，透氣性降為原來的75%左右。在常規(guī)濃度下，織物的強(qiáng)力下降到原來的75%左右，濃度提高則強(qiáng)力下降更多。增加PSA共混比雖然能提高耐腐蝕性，使強(qiáng)力下降減少，但也是由于PSA增加后原樣的強(qiáng)力降低，所以總的強(qiáng)力改善不大。

［1］劉華，王曙東，毛雷.PSA和PPS耐高溫纖維的結(jié)構(gòu)與性能研究［J］.國際紡織導(dǎo)報，2010(12)：6-10.LIU Hua，WANG Shudong，MAO Lei.Study on the structure and property of PSA and PPS fibers［J］.Melliand China，2010(12)：6-10.

［2］班燕，張玉華，任加榮.芳砜綸在耐高溫濾料中的應(yīng)用［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2006(12)：33-36.BAN Yan， ZHANG Yuhua， REN Jiarong.The application of polysulfonamide fiber in high temperature resistant filtration materials［J］.Technical Textiles，2006(12)：33-36.

［3］朱冰.PPS耐高溫針刺過濾材料的工藝與性能研究［D］.上海：東華大學(xué)，2010.ZHU Bing.Research on polyphenylene sulfide needlepunched nonwoven fabric oftechnics and performance［D］.Shanghai：Donghua University，2010.

［4］LAWRENCEg Loff.Filt media，F(xiàn)ilter rating［J］.Solid-Liquid Separation，2001(4)：281-301.

［5］NICOLAOO Ioannis.Novelsoftwarehelpstosolve filtration problems［J］.Filtration ＆ Separation，2003(19)：28-33.

［6］MAHMOOD Saleem，GERNOT Krammer.Optical in-situ measurement of filter cake height during bag filter plant operation［J］.Powder Technology，2007(4)：93-106.

［7］陶暉.用于大氣污染控制的袋式除塵和非織造濾料［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2005(1)：27-35.TAO Hui.Bag-house dusting for controlling of air pollution and nonwoven filter media［J］.Technical Textiles，2005(1)：27-35.

［8］俞鎮(zhèn)慌，申濤，任加榮，等.芳砜綸針刺非織造布耐酸性能研究［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2009(2)：10-14.YU Zhenhuang，SHEN Tao，REN Jiarong，et al.The study onacid-resistant property of the PSA needlepunched nonwoven fabric［J］.Technical Textiles，2009(2)：10-14.

［9］鞏新松，俞鎮(zhèn)慌.芳砜綸纖維針刺法非織造布高溫處理后耐氧化性能研究［J］.非織造布，2009，17(5)：7-9.GONG Xinsong，YU Zhenhuang.Oxidation resistance research of aramid fiber needle-punched nonwovens being treated by high temperature［J］.Nonwovens，2009，17(5)：7-9.