聚苯硫醚纖維的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

張振方,孔　楠

(1.西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院，陜西西安 710048 ;2.蘇州科技學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，江蘇蘇州 215011)

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聚苯硫醚纖維的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

張振方1,孔楠2

(1.西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院，陜西西安 710048 ;2.蘇州科技學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，江蘇蘇州 215011)

摘要：聚苯硫醚纖維作為高性能纖維，近年來的研究逐漸成為熱點(diǎn)。介紹了聚苯硫醚纖維的性能、國內(nèi)外相關(guān)研究成果及應(yīng)用領(lǐng)域，以期對(duì)聚苯硫醚纖維的研究提供相關(guān)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：聚苯硫醚纖維發(fā)展現(xiàn)狀應(yīng)用

0引言

聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide)縮寫為PPS，是一種高性能纖維原料，纖維的分子主鏈由苯環(huán)和硫原子組成[1]，由于苯環(huán)的分子結(jié)構(gòu)PPS的剛性較大，較多的硫醚鍵使分子柔順、易結(jié)晶、不吸水，較好的通用工程材料和宇航材料，多用于膜、管、絲等部件的制作以及汽車、機(jī)械設(shè)備、國防等領(lǐng)域，目前而言其主要用作過濾織物[2]，主要涵括燃煤鍋爐袋濾室、化學(xué)品、阻燃等領(lǐng)域。隨著國內(nèi)對(duì)環(huán)境保護(hù)及污染防護(hù)的意識(shí)形態(tài)的重視，聚苯硫醚纖維將取得較好的發(fā)展機(jī)遇。

1PPS纖維的性能

1.1化學(xué)穩(wěn)定性

由于PPS的化學(xué)結(jié)構(gòu)纖維在相對(duì)嚴(yán)苛的化學(xué)環(huán)境中能夠保持較好的化學(xué)穩(wěn)定性。在酸、堿及鹽的化學(xué)及高溫環(huán)境下性能衰減極少，在相對(duì)低溫環(huán)境下不溶于任何溶劑，而且具有相對(duì)較好的耐有機(jī)溶劑性能。

1.2耐熱性及阻燃性

根據(jù)燃燒原理，某種物質(zhì)具有較好的耐熱性，當(dāng)耐熱性達(dá)一定的程度時(shí)，便可達(dá)到具有一定的阻燃性能。PPS纖維具有較好的耐熱性，熔點(diǎn)為285℃[3]，是目前工業(yè)化生產(chǎn)中熔點(diǎn)最高的熔紡紡紗纖維，其具體耐熱性如下表1示：

表1　PPS纖維耐熱性相關(guān)明細(xì)

PPS纖維屬于結(jié)構(gòu)型材料，其纖維的極限氧指數(shù)很低，在火焰上能夠燃燒，不滴落，離火自熄，可在不添加阻燃劑的條件下達(dá)到UL294V20標(biāo)準(zhǔn)。

2PPS纖維的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀

聚苯硫醚的研發(fā)是始于1967年某石油公司以溶液聚合法研究得到的，緊接著實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，并陸續(xù)投放市場(chǎng)[4]。隨著PPS樹脂的專利失效以及生產(chǎn)工藝難度高，以日本東麗及日本東洋紡為代表的廠商掌握了纖維的基本生產(chǎn)。目前的PPS纖維已形成了上百種的巨大產(chǎn)業(yè)鏈，是前景很好的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。PPS纖維產(chǎn)品主要包括短纖、中空纖維、非織造等纖維與紡織制品，全球PPS纖維的總產(chǎn)量估計(jì)在5000t/a～7000t/a。

2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國對(duì)于PPS纖維的研發(fā)始于20世紀(jì)70年代[5]，最早是由四川省紡織工業(yè)研究所合作四川大學(xué)等單位聯(lián)合研究，次階段取得的主要科研成果是兩項(xiàng)發(fā)明專利，技術(shù)達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平；90年代進(jìn)口的PPS樹脂及聚酯共混紡絲機(jī)理和紡絲動(dòng)力學(xué)得到了廣泛而深入的研究，以天津工業(yè)大學(xué)為代表單位獲得研究成果較為豐厚，并于1999年通過了成果驗(yàn)收[6]。2008年某公司成功研發(fā)的聚苯硫醚長(zhǎng)絲通過了檢測(cè)部門的測(cè)定，該項(xiàng)研究成果屬國內(nèi)首創(chuàng)。目前全國PPS纖維的使用量在1300t左右，處在供不應(yīng)求的階段，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到20000t以上時(shí)方可基本滿足我國對(duì)PPS纖維的需求?；诂F(xiàn)階段國內(nèi)PPS纖維生產(chǎn)面臨的主要問題，初步分析有以下相關(guān)原因[7]：

(1)纖維級(jí)別的PPS樹脂的技術(shù)指標(biāo)要求不夠深刻。雖然PPS樹脂的研究和生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，但由于PPS纖維的開發(fā)總是早于纖維級(jí)別的樹脂研究，因此原料問題的頑疾一直存在而得不到解決。

(2)纖維級(jí)別的PPS結(jié)構(gòu)無法在合成過程中有效得到控制，由于合成前雜質(zhì)除去不完全，對(duì)二氯苯等在合成過程中易于交聯(lián)。因此線型大分子的控制技術(shù)需要進(jìn)一步研究。

(3)對(duì)PPS大分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的研究認(rèn)識(shí)有局限，分析其原因是由于研究條件有限，紡絲技術(shù)和裝備問題得不到解決。

2.3相關(guān)研究成果

陳新拓[8]等利用溶膠—凝膠法在常規(guī)聚苯硫醚纖維的表面涂覆了以陶瓷材料為主題的保護(hù)層，而結(jié)果表明該保護(hù)層不僅能提高纖維的抗氧化性，而且能延長(zhǎng)其高溫環(huán)境下的使用壽命，在耐酸、堿及高溫環(huán)境性能有了提高，并認(rèn)為經(jīng)表面涂覆改性后的聚苯硫醚纖維產(chǎn)品可在過濾材料領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。趙雪曼[9]等研究了氧氣低溫等離子體處理對(duì)聚苯硫醚纖維性能的影響，在不同水平的壓強(qiáng)、功率、時(shí)間條件下，處理功率對(duì)纖維機(jī)械性能影響顯著，處理壓強(qiáng)對(duì)纖維摩擦性能和潤濕性能影響較大。田媛媛[10]等研究了光穩(wěn)定劑對(duì)聚苯硫醚纖維性能的影響，得到隨著苯并三唑/納米二氧化鈦含量的增加，纖維可紡性變差，當(dāng)含量1.5%時(shí)纖維形貌及可紡性能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。張威[11]等研究了不銹鋼纖維含量和織物組織對(duì)聚苯硫醚不銹鋼混紡織物穿著舒適性的影響，結(jié)果表明不銹鋼纖維含量對(duì)織物的拉伸性能和表面粗糙度有顯著影響。李利君[12]等采用阻燃纖維聚苯硫醚纖維織造新型耐熱阻燃織物，對(duì)該織物的綜合性能比進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明PPS織物透濕、阻燃、耐熱、機(jī)械性能及色牢度優(yōu)良，且能達(dá)到消防阻燃防護(hù)服標(biāo)準(zhǔn)要求。盛向前[13]等研究了耐熱聚苯硫醚纖維的性能，其通過在PPS中加入納米SiO2制成母粒，應(yīng)用熔融紡絲技術(shù)制備了耐熱SiO2/PPS纖維，結(jié)果表明新型纖維的耐熱性提高，強(qiáng)度熱損失率降低，在240℃時(shí)的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別提高了50.6%和7.3%，且使用溫度提高了60℃。賀湘兵[14]等研究了酸堿條件下對(duì)聚苯硫醚纖維力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，NaOH和H2SO4對(duì)PPS纖維的性能影響較小，而HCl、HNO3對(duì)PPS纖維各種性能的影響較大。

3PPS纖維的應(yīng)用

3.1應(yīng)用領(lǐng)域

PPS纖維是主要的特種功能過濾材料，目前基本上100%的鍋爐濾袋材料全部采用PPS纖維。而在國內(nèi)正是基于PPS纖維產(chǎn)品良好的過濾功能，被認(rèn)為是良好的環(huán)保材料，并有逐步取代靜電除塵的趨勢(shì)。

3.2燃煤鍋爐

目前全國很多省份和城市有著嚴(yán)重的霧霾天氣，這是由于中國在工業(yè)化進(jìn)程中的工業(yè)發(fā)展帶來的副產(chǎn)物，霧霾中很大的成分則是燃煤燃油產(chǎn)生，因此，燃煤燃油的污染處理受到了廣泛的關(guān)注。然而目前國內(nèi)絕大多數(shù)的燃煤發(fā)電廠排出的煙塵無法得到妥善而達(dá)標(biāo)的處理，而PPS除塵袋可將煙塵濃度降低到30mg/m3，可以達(dá)到排放要求，因此逐漸變成了煙氣粉塵除塵的最佳選擇。

3.3取暖鍋爐

冬季的北方較為寒冷，取暖鍋爐變得不可缺少，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[15]，北方地區(qū)的冬季取暖燃煤鍋爐占到目前煤發(fā)電鍋爐的十五分之一，而此類鍋爐的使用基本全部分布在城市中，城市內(nèi)對(duì)環(huán)境污染物的凈化吸收能力有限，因此以PPS纖維產(chǎn)品為主要過濾物的過濾袋得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于PPS纖維較高的熔點(diǎn)以及穩(wěn)定性，PPS纖維在保溫、絕緣、過濾材料等方面的前景十分廣闊，相對(duì)具體應(yīng)用前景如下[16]：

(1)以PPS纖維制成針刺非織造布。該項(xiàng)應(yīng)用是充分利用了PPS纖維的耐熱、耐酸堿及較低的含濕率的特點(diǎn)。正是由于纖維的這些特性，制作的非織造布主要用于熱的化學(xué)品過濾。

(2)由于PPS纖維的電絕緣性，制成電絕緣材料。

(3)目前涂層防水織物應(yīng)用廣泛，而PPS纖維用作宇航和核動(dòng)力站的涂層、防輻射隱形材料等織物逐漸成為研究熱點(diǎn)。

(4)由于PPS纖維良好的保溫性，東麗纖維研究所開發(fā)了PPS復(fù)合絲的保溫衣用材料。

3.4PPS纖維應(yīng)用前景

歐美等發(fā)達(dá)國家及地區(qū)的燃煤行業(yè)對(duì)PPS纖維的需求處在5%以上的增長(zhǎng)率，應(yīng)用量及需求量很大，這一趨勢(shì)影響到了發(fā)展中國家，而且隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的重視及要求，也加大了PPS纖維的研發(fā)及生產(chǎn)。我國是燃煤大國，由于濾袋是消耗產(chǎn)品，2010年對(duì)濾袋的實(shí)際需求量很大，并且隨著我國大力推行“節(jié)能減排”政策，袋式除塵器將慢慢取代電除塵。2012年國內(nèi)PPS纖維的市場(chǎng)新增需求量達(dá)到了1.7萬噸，因此袋式除塵技術(shù)的革新要求對(duì)于PPS纖維的需要將會(huì)達(dá)到另一個(gè)新的高度。

3.5對(duì)于PPS纖維應(yīng)用發(fā)展的建議

(1)國家引導(dǎo)對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機(jī)遇創(chuàng)造能力不言而喻，因此PPS纖維想要取得長(zhǎng)足的發(fā)展需要國家有關(guān)部門從政策方面加以引導(dǎo)，并對(duì)纖維及其制品的研發(fā)和國產(chǎn)化裝置的建設(shè)予以扶持。目前相關(guān)合成技術(shù)已經(jīng)取得相對(duì)成熟的發(fā)展，國家部門應(yīng)繼續(xù)加大投入PPS纖維的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的研發(fā)力量，并重點(diǎn)建設(shè)由合成到纖維制造的生產(chǎn)裝置，進(jìn)而形成完整健全的產(chǎn)業(yè)鏈，將我國這方面的研發(fā)技術(shù)空白填補(bǔ)掉，打破國外發(fā)達(dá)國家及公司對(duì)該項(xiàng)領(lǐng)域及技術(shù)的壟斷。若我國技術(shù)得到充分的發(fā)展，可以推動(dòng)該項(xiàng)應(yīng)用領(lǐng)域的全面發(fā)展和拓展，為我國化纖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

(2)拉近與國外相關(guān)產(chǎn)品和研發(fā)技術(shù)的差距，主要是由于國內(nèi)纖維級(jí)別的PPS生產(chǎn)工藝不足夠成熟，而且在產(chǎn)品純化處理及工程規(guī)模放大上有著很多的關(guān)鍵性工藝技術(shù)不能取得突破，突出表現(xiàn)在紡絲技術(shù)和產(chǎn)品性能方面，對(duì)工藝參數(shù)需要做進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的，進(jìn)而適應(yīng)國內(nèi)部分產(chǎn)業(yè)整體水平[17]。

(3)加大產(chǎn)品市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力是目前需要解決的重要問題，PPS纖維的改性處理，研究最佳的共混組分及配比進(jìn)而改善PPS纖維的使用性能。研究PPS纖維在無紡氈、復(fù)合面料、紡織面料及部分軍工產(chǎn)品中的應(yīng)用，為PPS纖維的市場(chǎng)拓展提供技術(shù)支持，提高市場(chǎng)占有率，逐步形成核心競(jìng)爭(zhēng)力，并逐漸成長(zhǎng)為各應(yīng)用領(lǐng)域中更加完美的新型高性能纖維品種，滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)及研發(fā)技術(shù)需求。

4結(jié)語

隨著人們生活水平的提高和國家政策的引導(dǎo)，加上高科技產(chǎn)業(yè)的需要及興起，纖維產(chǎn)業(yè)的要求越來越高。在強(qiáng)度、模量等差異化方面，如石油化工等特殊產(chǎn)業(yè)，對(duì)纖維材料特定性能的要求很高。PPS纖維有著很高的功能特性，因此PPS纖維及其制品在很多領(lǐng)域的發(fā)展前景很好，而且其在耐熱纖維中屬于低價(jià)纖維，具有良好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

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中圖分類號(hào)：TS102

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-5580(2016)02-0170-04

收稿日期：2016-02-01

第一作者：張振方(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：紡織工程。