芳砜纶耐高温针刺过滤毡的热缩性分析

许明珠王锋华陆顺兴侯伟丽沈恒根

(1.上海特安纶纤维有限公司,上海,200336; 2.东华大学,上海,201620)

芳砜纶耐高温针刺过滤毡的热缩性分析

许明珠1王锋华1陆顺兴1侯伟丽2沈恒根2

(1.上海特安纶纤维有限公司,上海,200336; 2.东华大学,上海,201620)

通过对芳砜纶等常用耐高温合纤针刺毡的高温热缩试验,将芳砜纶与其他耐高温合纤类针刺毡进行对比,分析研究了芳砜纶针刺毡的热缩性。结果表明,芳砜纶针刺毡在 250℃高温下具有极佳的高温尺寸稳定性,优于其他耐高温合纤类针刺毡。温度是合纤类针刺毡热缩的重要影响因素之一,温度越高热缩现象越显著,且热缩在温度升高的较短时间内发生。

芳砜纶,热缩率,耐高温过滤材料,合纤,针刺毡,高温尺寸稳定性

芳砜纶(PSA)是具有特殊结构的芳香族聚酰胺纤维,长期使用温度为 250℃,具有良好的耐热性和阻燃性,热收缩小,尺寸稳定性和抗化学腐蚀性能等良好[1],适用于水泥、钢铁、沥青等工业的高温烟气除尘过滤材料。

耐高温过滤材料如滤袋不仅要保证在正常温度烟气中能长期使用,还要能够有效地抵抗瞬间出现的超高温烟气所带来的破坏。如果滤袋在高温烟气中的经向热缩率大,将使滤袋在长度方向上尺寸变短,滤袋底部被袋笼底部牵拉着并受力;如果滤袋纬向收缩率过大,将使滤袋紧套在袋笼上,从而使滤袋一直处于受力状态而加快其强度损耗,缩短使用寿命[2]。因此,耐高温过滤材料应具有较好的高温尺寸稳定性,其原料纤维的热缩率、沸水收缩率值要较小[3]。

目前国内耐高温过滤材料中常用的聚苯硫醚(PPS)纤维、芳纶 1313(间位芳纶,以下简称为芳纶)、聚酰亚胺(PI)纤维及聚四氟乙烯(PTFE)纤维等均为耐高温合纤。当合纤受热且温度超过一定限度时纤维产生收缩,这种因受热的作用而产生的收缩即热收缩[4]。芳砜纶在 250℃和 300℃下处理 30 min后,热缩率分别≤1.0%和≤2.0%[1],而聚酰亚胺纤维在相同条件下的热缩率分别为4.0%和10%[5];芳纶在同样条件下热缩率分别≤1.0%和≤3.5%[6],均高于芳砜纶。

本文主要对芳砜纶和聚苯硫醚纤维、芳纶、聚酰亚胺和聚四氟乙烯纤维针刺毡进行了高温热缩试验,并将芳砜纶与其他四种耐高温合纤针刺毡进行了对比,分析研究了芳砜纶针刺毡在高温环境下的热缩性。

1 试验内容及方法

1.1 试验材料

本试验材料主要是芳砜纶及其他 4种常用的耐高温合纤类针刺毡,共 11个样品,见表 1。

表 1中,芳砜纶针刺毡中采用的纤维规格为2.2 dtex×51 mm。芳砜纶基布面密度为 130 g/m2,芳纶基布面密度为 130 g/m2,聚四氟乙烯基布面密度为 140 g/m2。其他耐高温过滤材料均为市场上不同厂家提供的常规过滤材料产品。纤维和基布成分均在表中标明,除聚酰亚胺滤料采用聚苯硫醚基布以外,其他滤料均为同一种材料组成,面密度约在 480～520 g/m2。

1.2 试验内容

试验内容主要包括以下四个方面:①无基布芳砜纶针刺毡的热缩率;②不同基布及纤维原料复合对芳砜纶针刺毡热缩率的影响;③芳砜纶针刺毡与其他耐高温针刺毡的热缩率比较;④温度和时间对针刺毡热缩率的影响分析。

表 1 耐高温针刺毡热收缩试验样品

1.3 试验方法

本试验的热缩率是指耐高温针刺毡高温处理一定时间后所测得的尺寸变化率。每种样品剪取3块试样,每块的尺寸均略大于 20.0 cm × 20.0 cm,在 3块试样上精确地做上 20.0 cm× 20.0 cm的正方形标志,并标出经纬方向(如图 1);将试样置于试验所设定温度的恒温烘箱中进行高温处理,一定时间后取出试样,冷却后测量试样尺寸,以 3块试样经 (或纬)向测得的 3次数据的算术平均值为准[7]。

热缩率的计算公式如下:

式中:L——高温处理后针刺毡的尺寸(cm)。

图1 试样尺寸示意图

2 结果及分析

2.1 无基布芳砜纶针刺毡的热缩率

图 2为芳砜纶与芳纶的无基布针刺毡热缩率的比较。由图可知,在 250℃下处理 200 h后,芳砜纶针刺毡经纬向的热缩率均小于 0.33%,高温尺寸稳定性明显优于芳纶针刺毡。该结果与王锦等[8]研究的结果基本相同,即芳砜纶针刺毡在200、250、300℃下经过 200 h的高温处理后,经向收缩不超过 0.25%,纬向收缩不超过 0.32%,再次验证了芳砜纶针刺毡具有突出的高温尺寸稳定性。

图2 芳砜纶和芳纶无基布针刺毡的热缩率对比 (250℃,200 h)

2.2 基布和纤维材料对针刺毡热缩率的影响

基布是针刺过滤毡中重要的结构组成部分之一,本试验分别选取了芳砜纶、芳纶、聚四氟乙烯纤维基布的芳砜纶复合针刺毡进行对比试验,测试不同基布对针刺毡热缩率的影响;同时,还选取了芳纶和聚酰亚胺纤维分别与芳砜纶按 50%比例混合制成的针刺毡进行对比试验,测试不同纤维对针刺毡的热缩率影响。

在 250℃下处理 200 h后,不同基布和不同纤维混合后的芳砜纶针刺毡的热缩率如图 3和图 4所示。由图 3和图 4可知,100%芳砜纶针刺毡的热缩率均低于复合其他材料基布和纤维的复合针刺毡,并可以得出如下结论。

图 3 不同基布的芳砜纶针刺毡的热缩率对比(250℃,200 h)

图 4 混合不同纤维后,芳砜纶针刺毡的热缩率变化(250℃,200 h)

2.2.1 基布对针刺毡的经向热缩率具有较大的影响

为了起到增强过滤材料经向强力的作用,基布的经密度往往大于纬密度。因此由基布热缩而引起的针刺毡的收缩变化在经向上表现将最为明显。由图 3可知,芳砜纶/聚四氟乙烯基布的芳砜纶针刺毡的热缩率最大,远高于芳砜纶/芳纶基布的芳砜纶针刺毡和 100%芳砜纶针刺毡。聚四氟乙烯基布具有较大的热缩率,致使以其为基布的针刺毡热缩率最大。

2.2.2 热缩率大的纤维对针刺毡的热缩率具有较大的影响

由图 4可知,在混合了 50%的芳纶和聚酰亚胺纤维后,芳砜纶复合针刺毡经纬向的热缩率均有所增大,纬向热缩率增加尤为明显。例如,在混合50%聚酰亚胺纤维后,就使得针刺毡纬向热缩率由原来的 0.90%显著地上升到6.33%。从试验结果可知,针刺毡纤维材料的热缩率是影响其热缩性的主要因素。

2.3 芳砜纶针刺毡与其他耐高温合纤针刺毡的对比

表 2是芳砜纶与其他耐高温合纤针刺毡的热缩率测试数据。其中,聚苯硫醚和聚四氟乙烯针刺毡分别选取了在较低温度和较短时间条件下的试验结果。

聚苯硫醚针刺毡的长期使用温度为 190℃,在250℃的高温下仅 30 min,其纬向热缩率就达到3.75%;聚四氟乙烯针刺毡的使用温度为 260℃,但是在 190℃下处理 2h后,其热缩现象已经比较明显,纬向热缩率达到 3.23%;而纯芳砜纶针刺毡在 250℃下经过 200 h处理后,纬向热缩率仅为0.25%,表现出极佳的高温尺寸稳定性。

2.4 温度和时间对针刺毡热缩率的影响

选择了热缩率较明显的纯聚苯硫醚针刺毡进一步研究温度和时间对针刺毡热缩率的影响。表 3为相同时间下,聚苯硫醚针刺毡的热缩率随温度变化的测试数据。其他四种耐高温纤维材料针刺毡热缩试验所需温度较高,待有条件时再进行研究。

表2 芳砜纶与其他耐高温合纤针刺毡热缩率测试数据

由表 3可知,当温度在 150℃时,聚苯硫醚针刺毡具有良好的热缩率,针刺毡经纬向的热缩率均≤0.50%;但是随着温度的提高,聚苯硫醚针刺毡的热缩率逐渐增大,尤其是当温度达到 190℃时,聚苯硫醚针刺毡的经向热缩率在 3.62%以上,热缩现象较为明显。

表 3 不同温度下聚苯硫醚针刺毡的热缩率测试数据

表 4为 250℃下,聚苯硫醚针刺毡的热缩率随时间变化的测试数据。由表 4可知,聚苯硫醚针刺毡在 250℃下处理 10 min后,经纬向热缩率分别迅速上升到 6.25%和 4.25%(190℃下处理 2 h时热缩率分别为 3.62%和 1.46%);之后,随着时间的增加其热缩率变化较不明显。可见,聚苯硫醚针刺毡的热缩现象在温度变化的短时间内即可发生,之后,在温度相同的条件下热缩率随着时间的延长并不会有太明显的增大。

表 4 250℃下聚苯硫醚针刺毡的热缩率随时间变化的测试数据

综上可得:

(1)在时间相同条件下,合纤类针刺毡的热缩率随温度的升高而增大;

(2)合纤类针刺毡在一定温度范围内热缩率随温度升高而增加的速度较为缓慢;但当温度超过某一限值(如长期使用温度)后,其热缩率随温度的升高而增大的速度可能将大大提高;

(3)合纤类针刺毡的热缩现象在温度变化的短时间内就会发生。

3 结论

通过对芳砜纶等耐高温合纤针刺毡的高温热缩试验及其分析比较可得出以下结论:

(1)与聚苯硫醚、芳纶、聚酰亚胺和聚四氟乙烯常用耐高温合纤类过滤材料相比,芳砜纶针刺过滤毡的热缩率最小,具有极佳的高温尺寸稳定性。

(2)纯芳砜纶针刺毡的热缩率最小,复合不同基布和纤维的针刺毡热缩率都会受到基布和纤维材料热缩率的不同影响。基布主要影响针刺毡的经向热缩性,纤维材料热缩性对针刺毡的热缩起着非常重要的作用。

(3)温度是合纤类针刺毡的热缩率的重要影响因素之一。一般合纤类针刺毡的热缩率随着温度的升高而增大,且当温度超过一定范围后,热缩现象更加显著;热缩现象在温度升高的短时间内即会发生,温度不变时热缩率随着时间延长不会有较明显的增加。

[1] 汪晓峰,张玉华.芳砜纶的性能及其应用[J].纺织导报,2005(1):18-23.

[2] 姚穆,周锦芳,黄淑珍,等.纺织材料学 [M].2版.北京:中国纺织出版社,1996:445.

[3] 柳静献,雷鹏灿,赵宁宁,等.温度对 PPS针刺毡滤料的影响研究[C]//全国袋式除尘技术研讨会论文集.沈阳:中国环境保护协会袋式除尘委员会,2007: 187.

[4] 中国环保产业协会袋式除尘委员会.袋式除尘器滤料及配件手册[M].沈阳:东北大学出版社,2007.

[5] Inspec Fibres GmbH Ins.P84 polyimide fibre[M/OL]. Austria:Inspec Fibres GmbH Ins,[2009-09-05].http://www.P84.com/sites/dc/Downloadcenter/Evonik/ Product/P84/P84-Technical-Brochure.pdf

[6] 孙晋良,吕伟元.纤维新材料[M].上海:上海大学出版社,2007:29-98.

[7] 马建伟,郭秉臣,陈昭娟.非织造布技术概论[M].北京:中国纺织出版社,2004:163.

[8] 王锦,任加荣,俞镇慌.芳砜纶针刺毡非织造布在高温条件下的性能研究 [J].合成纤维,2008(1):39-41.

Analysis of heat-shrinkage property for PS A high-temperature needle filtration felt

Xu M ingzhu1,W ang Fenghua1,Lu Shunxing1,Hou W eili2and Shen Henggen2
(1.Shanghai Tanlon Fibre Co.,Ltd; 2.Donghua University)

The heat-shrinkable properties of PSA needle felt was analyzed and studied through the shrinkage experiment of PSA and other high-temperature synthetic fiber needle felts,through comparing PSA needle feltwith other synthetic fiber needle felts.The results show that PSA needle felt has excellent high temperature dimensional stability at 250℃,superior to other high-temperature needle felts made from synthetic fibers.Temperature is an important factor on heat-shrinkage of needled felt.The higher the temperature,heat-shrinkable phenomenon became significant,and it can happen in a relatively short time when temperature rise.

PSA,heat shrinkage rate,high temperature filtermedia,synthetic fiber,needle felt,high-temperature dimensional stability

TS101.923.1;TS176.5

A

1004-7093(2010)06-0017-04

2009-09-15

许明珠,女,1982年生,开发工程师。主要从事耐高温芳砜纶产业用纺织品的开发。