除塵濾袋用PTFE 縫紉線的力學(xué)性能改進(jìn)研究

陳明剛，王向欽，劉 敏，王 旭，吳波偉

（1.蘇州耐德新材料科技有限公司，江蘇蘇州215600；2.廣州檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證集團(tuán)有限公司，廣東廣州511447）

0 引言

為進(jìn)一步治理工業(yè)廢氣對(duì)大氣環(huán)境的污染，減少霧霾等有害物質(zhì)對(duì)人們生活質(zhì)量的影響，近年來(lái)，各類(lèi)工業(yè)廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求不斷提高，特別是當(dāng)GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)后，在眾多一、二線城市又陸續(xù)頒布了工業(yè)鍋爐粉塵顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)要求（低于10 mg/m3或5 mg/m3），有的甚至是降到零排放。這些嚴(yán)格的排放要求，為袋式除塵技術(shù)向著更加科學(xué)、高效的發(fā)展方向提供了強(qiáng)勁的動(dòng)力，也使其成為近年工業(yè)廢氣治理中粉塵顆粒物排放控制的主要技術(shù)手段。袋式除塵技術(shù)是依靠濾料本身特有的性質(zhì)以及留存在材料表面或內(nèi)部一層可過(guò)濾粉塵的特性而起到攔截過(guò)濾物中粉塵的作用[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，袋式除塵的過(guò)濾效率可以達(dá)到99.99%[2]，完全實(shí)現(xiàn)了粉塵的高效過(guò)濾，滿(mǎn)足低排放甚至零排放的標(biāo)準(zhǔn)要求。

縫紉線作為除塵濾袋制作的重要輔助材料，需要在嚴(yán)格苛刻的工況條件下保持較高的強(qiáng)力，這對(duì)濾袋的安全與可靠的使用具有十分重要的意義。按GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》的要求，除塵濾袋用縫線的性能應(yīng)不低于濾袋性能，因此縫紉線也是影響除塵濾袋壽命及可靠性的重要因素之一。

PTFE材料因其優(yōu)良的化學(xué)性能成為耐高溫縫紉線的首選。然而，傳統(tǒng)PTFE 縫紉線在長(zhǎng)期熱煙氣作用下失效的案例卻時(shí)有發(fā)生，也引起了業(yè)界人士的關(guān)注[3]。因此，針對(duì)傳統(tǒng)PTFE 縫紉線的缺陷，開(kāi)發(fā)出復(fù)合PTFE 縫紉線，使其在作為除塵濾袋縫紉線時(shí)可以確保濾袋的除塵效果，這對(duì)于空氣環(huán)境產(chǎn)業(yè)具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 傳統(tǒng)PTFE縫紉線力學(xué)性能分析

PTFE材料具有優(yōu)異的耐化學(xué)性能和較高的耐熱性，除熔融的堿金屬外，幾乎不受任何化學(xué)試劑腐蝕[6]，且能在-196～260 ℃的靜態(tài)條件下不發(fā)生形變。由于PTFE 大分子的偶極矩接近零，基本不帶極性，因此其絕緣性能較好。PTFE 的表面自由能低，具有高度的不黏附性和很低的摩擦因數(shù)。除此之外，它還具有極好的不燃性（限氧指數(shù)LOI 為95%）和抗老化性，因此，PTFE 高分子聚合物在我國(guó)還被俗稱(chēng)為“塑料王”[4-5]。

但是，PTFE 相對(duì)分子質(zhì)量較大，低的為數(shù)十萬(wàn)，高的達(dá)一千萬(wàn)以上，一般為數(shù)百萬(wàn)（聚合度在104數(shù)量級(jí)，而聚乙烯僅在103的數(shù)量級(jí)）。PTFE 分子中CF2單元按鋸齒形狀排列，由于氟原子半徑較碳原子稍大，所以相鄰的CF2單元不能完全按反式交叉取向，而是形成一個(gè)螺旋狀的扭曲鏈，使得氟原子幾乎覆蓋了整個(gè)高分子鏈的表面，這種分子結(jié)構(gòu)決定了PTFE 材料的性能特點(diǎn)。當(dāng)PTFE 用作結(jié)構(gòu)性材料時(shí)，除上述優(yōu)異的耐化學(xué)性能和良好的耐溫性之外，其特殊的長(zhǎng)鏈分子結(jié)構(gòu)決定了它的特殊力學(xué)性能。然而，當(dāng)它用作除塵濾袋縫紉線時(shí)，熱蠕變、低摩擦因數(shù)等力學(xué)性能卻成為材料的缺陷，主要體現(xiàn)在：PTFE的蠕變性能受溫度影響較大，且溫度越高，其蠕變?cè)酱?，這就形成了熱蠕變效應(yīng)，具體表現(xiàn)在其線膨脹因數(shù)隨著溫度的變化而發(fā)生很不規(guī)律的變化，且線性材料斷裂強(qiáng)力隨著溫度的變化衰減，并在一定溫度條件下接近失效；PTFE的摩擦因數(shù)極小，僅為聚乙烯的1/5，這是全氟碳表面的重要特征，又由于氟-碳鏈分子間作用力極低，所以PTFE 具有不黏性；PTFE 是典型的軟而弱的聚合物，大分子間的相互引力較小，剛度、硬度、強(qiáng)度都較小，因而所制材料也就表現(xiàn)出較差的耐磨性。

1.1 PTFE縫紉線熱蠕變性對(duì)除塵濾袋的影響

眾所周知，除塵濾袋一般都在高溫狀態(tài)下工作，因此PTFE 縫紉線長(zhǎng)期在高溫下極易發(fā)生熱蠕變的現(xiàn)象，在除塵濾袋上常見(jiàn)的不良反應(yīng)表現(xiàn)為漲袋、濾袋變長(zhǎng)、針孔變大、縫紉處松弛、斷裂、脫落等，從而造成除塵濾袋破損，給除塵系統(tǒng)帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。

舒瑞[6]等人研究了熱蠕變對(duì)除塵濾袋PTFE 縫紉線強(qiáng)力的影響，發(fā)現(xiàn)熱蠕變性對(duì)PTFE 縫紉線的影響是非常顯著的：PTFE 縫紉線的拉伸斷裂強(qiáng)力隨著溫度升高而大幅下降，當(dāng)溫度超過(guò)250 ℃時(shí)其強(qiáng)力僅為1～3 N，且總體變化趨勢(shì)是隨著溫度的升高先上升后下降，并在120 ℃時(shí)達(dá)到峰值。

1.2 PTFE縫紉線低摩擦因數(shù)對(duì)除塵濾袋的影響

由于PTFE 在熔融狀態(tài)下流動(dòng)性較差，無(wú)法像普通的化學(xué)纖維一樣采用熔噴紡絲法生產(chǎn)纖維，目前只能先通過(guò)“膜分切法”“糊料擠出法”等方法制得PTFE單絲，然后再進(jìn)行合股加捻制成PTFE縫紉線。由于單絲間抱合力差，加上PTFE 材料自身的特點(diǎn)，致使PTFE縫紉線的摩擦因數(shù)較小。當(dāng)PTFE縫紉線用于除塵濾袋的縫制后，PTFE 縫紉線與濾料間的抱合力小、固附效果差，從而給除塵濾袋的除塵效果帶來(lái)負(fù)面影響，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：由于PTFE 縫紉線與濾袋間的固附牢度較差，懸掛于除塵器中的濾袋在清灰噴吹作用下，PTFE 縫紉線與濾料之間不斷產(chǎn)生位移與錯(cuò)動(dòng)，針孔在濾袋重力拉伸和熱蠕變的影響下不斷被拉大，從而導(dǎo)致粉塵從針孔逃逸，降低了濾袋的除塵效果；由于PTFE縫紉線的低摩擦因數(shù)，積于針孔中的粉塵容易滑落，無(wú)法對(duì)針孔形成堵塞，影響濾袋的除塵效果。

1.3 PTFE縫紉線差的耐磨性對(duì)除塵濾袋的影響

PTFE縫紉線低劣的耐磨性能?chē)?yán)重影響了除塵濾袋的除塵效果：袋頭與袋身的縫合線上，粉塵作為摩擦介質(zhì)，滲透于縫紉線的面線與底線之間，粉塵顆粒與PTFE 縫紉線的頻繁摩擦使其斷裂，從而導(dǎo)致濾袋破損，降低了濾袋的除塵效果；在濾袋與袋籠筋骨結(jié)合部位、除塵器進(jìn)風(fēng)口濾袋之間、濾袋與除塵器箱體的接近部位，都可能因?yàn)槌龎m噴吹或較高風(fēng)速的進(jìn)氣導(dǎo)致濾袋底部之間或?yàn)V袋與箱體之間產(chǎn)生刮碰摩擦，導(dǎo)致縫紉線受損斷裂，降低濾袋的除塵效果；除塵器和進(jìn)風(fēng)口濾袋因不斷遭受粉塵顆粒沖刷，容易出現(xiàn)縫紉線磨損斷裂脫落，導(dǎo)致濾袋除塵效果降低。因PTFE縫紉線自身的特性對(duì)除塵濾袋的不良影響，在實(shí)際應(yīng)用中也曾出現(xiàn)了一些質(zhì)量事故。例如，PTFE 縫紉線因持續(xù)高溫作用導(dǎo)致其強(qiáng)力降低或PTFE縫紉線因頻繁摩擦而斷裂（如圖1和圖2），不僅影響濾袋的除塵效果，還給企業(yè)直接帶來(lái)了重大的經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 濾袋袋頭PTFE縫紉線磨損（PPS濾料，燃煤電廠）

圖2 濾袋袋底PTFE縫紉線被沖刷磨損（PTFE濾料，垃圾焚燒）

2 PTFE縫紉線力學(xué)性能改進(jìn)

針對(duì)傳統(tǒng)PTFE縫紉線在除塵濾袋中的應(yīng)用缺陷，可從兩個(gè)方向?qū)ζ溥M(jìn)行改進(jìn)：一是從原料上添加增強(qiáng)材料，二是在紡紗過(guò)程中添加增強(qiáng)材料。改進(jìn)后的PTFE 復(fù)合縫紉線可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，彌補(bǔ)傳統(tǒng)PTFE縫紉線的力學(xué)性能缺陷。

鑒于PTFE 纖維材料制作方式的特殊性，其纖維的生產(chǎn)是通過(guò)柱塞擠壓技術(shù)獲得生絲，再通過(guò)熱拉牽伸來(lái)獲得預(yù)期規(guī)格要求的纖維，且PTFE 材料的線性大分子結(jié)構(gòu)和排列方式也決定了與其他異性物質(zhì)之間無(wú)法產(chǎn)生很好的交聯(lián)，氟原子保護(hù)下的穩(wěn)定的碳氟鍵結(jié)構(gòu)，也決定了它優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，故在PTFE 原料上添加增強(qiáng)材料的數(shù)量是有限的，從而也使得對(duì)PTFE 材料性能的改變也是有限的，試圖通過(guò)原料添加增強(qiáng)材料的方式改變PTFE力學(xué)性能缺陷的方法并不可行。因此，一般選擇在紡紗過(guò)程中添加增強(qiáng)材料，即將與PTFE 材料性能相同或相近的材料與PTFE 纖維進(jìn)行混紡，制成PTFE 復(fù)合縫紉線，通過(guò)增強(qiáng)材料的性能或形態(tài)的互補(bǔ)來(lái)彌補(bǔ)PTFE縫紉線力學(xué)性能上的缺陷。

2.1 增強(qiáng)材料的選擇

增強(qiáng)材料的選擇是按照與濾料材質(zhì)性能相同或優(yōu)于濾料材質(zhì)的原則進(jìn)行的，這樣可使制得的復(fù)合PTFE縫紉線的力學(xué)性能接近或優(yōu)于濾材的力學(xué)性能。一般增強(qiáng)材料可選擇聚苯硫醚（PPS）、改性聚苯硫醚（MPPS）、芳綸（Ar）、寶德綸（POD）、聚酰亞胺（PI）等，制作時(shí)應(yīng)根據(jù)除塵濾袋的特性，匹配相對(duì)應(yīng)的單紗或合股紗，以及紗線支數(shù)。

2.2 PTFE縫紉線的改進(jìn)

傳統(tǒng)的PTFE 縫紉線因摩擦因數(shù)較低，表面比較光滑（見(jiàn)圖3），因而在改進(jìn)時(shí)一般選擇從增加縫紉線的表面粗糙度開(kāi)始。當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)材料與PTFE單絲進(jìn)行復(fù)合紡紗時(shí)，采用包覆紗結(jié)構(gòu)，即將PTFE 單絲作為芯線，增強(qiáng)材料作為外包紗而制成包覆紗，從而增加其表面的粗糙度（見(jiàn)圖4），然后再用包覆紗進(jìn)行合股加捻制成PTFE復(fù)合縫紉線。

圖3 傳統(tǒng)PTFE縫紉線表觀形態(tài)

圖4 PTFE復(fù)合縫紉線表觀形態(tài)

由圖3和圖4可以看出：PTFE復(fù)合縫紉線的表面粗糙度比傳統(tǒng)PTFE 縫紉線的表面粗糙度大，說(shuō)明PTFE 復(fù)合縫紉線具有絲紗抱合好、合股結(jié)構(gòu)牢固、強(qiáng)度高、熱伸縮性低的特點(diǎn)。正是具有了上述特點(diǎn)，使得PTFE復(fù)合縫紉線的熱蠕變性能降低，摩擦因素增加，從而達(dá)到改善其力學(xué)性能的目的，即：熱蠕變性能降低，由于添加的增強(qiáng)材料不具有與PTFE長(zhǎng)絲相同的熱膨脹性（熱蠕變性），在PTFE復(fù)合縫紉線受熱后，紗線仍然可以保持良好的形態(tài)和強(qiáng)力，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)PTFE 縫紉線因熱蠕變帶來(lái)的影響；摩擦因數(shù)增加，包覆紗結(jié)構(gòu)增加了PTFE復(fù)合紗的表面粗糙度，使其具有較高的摩擦因數(shù)；耐磨性增強(qiáng)，絲紗包覆復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料對(duì)PTFE 絲形成保護(hù)層，從而PTFE 復(fù)合縫紉線的耐磨性得到增強(qiáng)。綜合分析，PTFE 復(fù)合縫紉線能夠較好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)PTFE縫紉線熱蠕變性高、摩擦因數(shù)低、耐磨性能差等方面的缺陷。

3 結(jié)論

（1）PTFE縫紉線因具有良好的耐化學(xué)性能，成為耐高溫除塵濾袋的首選縫制用線，但因其存在熱蠕變性較高、摩擦因數(shù)較低以及耐磨性能差等不良特性，不利于單獨(dú)作為除塵濾袋的縫紉線。

（2）采用增強(qiáng)材料包覆PTFE 絲的方法可制備出PTFE復(fù)合縫紉線，可以改善傳統(tǒng)PTFE縫紉線因熱蠕變失強(qiáng)、缺乏抱合力和不耐磨等性能的缺陷。

因此，應(yīng)該科學(xué)地認(rèn)識(shí)和使用材料，不能因?yàn)椴牧显谀硞€(gè)方面具有的優(yōu)良特性，而盲目地、夸張地使用。在無(wú)法改變PTFE 材料自身性能的情況下，為了更好地保障PTFE 縫紉線在除塵濾袋使用過(guò)程中的安全性，提高除塵濾袋的使用壽命，采用復(fù)合紡織技術(shù)可改善PTFE 縫紉線的力學(xué)性能缺陷，為PTFE材料的良好應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。