聚苯硫醚/芳砜纶非织造过滤材料的耐高温及耐腐蚀性能

殷庆永，黄 晶，张光旭，郁崇文

(1.上海特安纶纤维有限公司，上海 200050;2.东华大学纺织学院，上海 201620)

芳砜纶(PSA)和聚苯硫醚(PPS)纤维是具有优异的耐热、耐燃、耐腐蚀和较好力学性能的高性能纤维。PSA和PPS纤维的热分解温度分别为435.6℃和480℃，2种纤维均具有优异的耐热性能，且PPS纤维的耐热性能优于PSA纤维。PPS纤维的断裂强度和伸长高于PSA纤维，经高温处理后，PPS纤维的断裂强度保持率优于PSA纤维［1］。PSA纤维是制作袋式除尘器配套滤袋的优良材料，不仅耐热性良好，还具有优良的抗氧化稳定性，热收缩小，能保持良好的尺寸稳定性以及良好的抗酸性能等，可在高温下长期使用，非常适用于耐高温滤料，且价格相对PPS纤维等也较便宜［2］。许多学者已对PSA纤维和PPS纤维分别用于耐高温滤料的性能进行了研究［2-5］，但还很少见对PPS纤维和PSA纤维混合后制成的非织造过滤材料的性能研究。

本文对不同共混比的PPS/PSA非织造过滤材料的耐高温及耐腐蚀性能进行了测试研究。

1 试验

1.1 试样及试验仪器

芳砜纶纤维：1.67 dtex，51 mm;聚苯硫醚纤维：1.75 dtex，51 mm。

YG141N数字式织物厚度仪;YG461E数字式透气量仪;HD026N电子织物强力仪。

1.2 非织造针刺试验

选择 PPS与 PSA共混比为 90/10、80/20、70/30、60/40进行非织造试验。

加工工艺：纤维开松、混合→梳理成网→交叉铺网→预针刺→主针刺。

每种共混比下针刺道数分别选择1道、2道及3道主针刺制成3种不同针刺密度的针刺非织造布(均先经过预针刺)。预针刺频率为600刺/min;主针刺频率为730刺/min。

1.3 耐高温试验

PPS纤维的持续使用温度为190℃，瞬间使用温度为200℃［6］;PSA具有优良的耐高温性，可在250℃下长期使用，瞬间使用温度为300℃［2］。电厂的废气温度低于190℃，一般为170℃左右。因此，本文试验将针刺后的非织造织物在烘箱中经过160、175、190、205、220、235 ℃ 6 种温度分别焙烘100 h。

1.4 耐腐蚀性试验

根据PPS/PSA非织造过滤材料在高温除尘中的应用特点［7-8］，试验使用的过滤材料试样为经175℃高温后的过滤材料，测试PPS/PSA非织造过滤材料的的耐酸碱性、耐氧化性、耐SO2、NO的腐蚀性，参数条件尽可能地模拟实际工况［9］。

1.5 性能测试试验参数

厚度试验：压脚面积为 200 mm2;压力为100 cN。

透气试验：试样压差为200 Pa;喷嘴号为6 mm。

拉伸试验：拉伸速度为100 m/min;拉伸隔距为100 mm。

顶破试验：顶破速度为100 m/min;顶破隔距为450 mm。

孔隙率的计算：过滤材料的过滤效率和滤阻与材料的孔径分布、孔隙率及最大孔径、平均孔径均有关系。非织造过滤材料的孔隙率是指材料的孔隙体积与总体积的比值。孔隙率的确定不需要直接进行试验，可通过计算求得。

式中：n为孔隙率，%;ρ为纤维密度，g/m3;m为材料的面密度，g/m2;δ为材料厚度，m。

2 结果与讨论

2.1 共混比及针刺道数对滤料性能影响

分别测试过滤材料的物理力学性能，5次测试结果的平均值如表1所示。

由表1可看出，随着PPS/PSA共混比的增大，过滤材料的断裂强度趋于增大，顶破强力也相应增加。显然，这是因为PPS纤维强度高的结果。PPS/PSA共混比的增加对透气率无明显影响;同时，随着针刺道数的增加，透气率减小，厚度变小，断裂强力增加，2道针刺比1道针刺的强力提高约10%，3道针刺比2道针刺的强力约提高5%。孔隙率呈规律性下降，但变化相对较小，都稳定在93% ～96%的范围。

表1 共混比及针刺道数对过滤材料物理力学性能的影响Tab.1 Effect of blending ratio and needling times to physical properties of filter materials

2.2 高温处理对过滤材料性能的影响

经160、175、190、205、220、235 ℃6 种温度分别焙烘100 h后测试发现，1道针刺处理后的材料各方面性能相对较差(纤维抱合力不够)，所以高温处理后只比较2、3道针刺后不同混合比的过滤材料的性能。测试结果见表2～5。其中，常温(25℃)表示未经任何处理时材料的性能。

表2 PPS/PSA(90/10)过滤材料不同温度处理后的性能Tab.2 Properties of PPS/PSA(90/10)filter materials after processed at different temperatures

表3 PPS/PSA(80/20)过滤材料不同温度处理后的性能Tab.3 Properties of PPS/PSA(80/20)filter materials after processed at different temperatures

表4 PPS/PSA(70/30)过滤材料不同温度处理后的性能Tab.4 Properties of PPS/PSA(70/30)filter materials after processed at different temperatures

表5 PPS/PSA(60/40)过滤材料不同温度处理后的能Tab.5 Properties of PPS/PSA(60/40)filter materials after processed at different temperatures

由表2～5可看出，随着温度的升高，不同共混比PPS/PSA过滤材料的孔隙率变化规律不明显，透气率、断裂强力一般是随温度的增高而下降。PPS/PSA(90/10)过滤材料的断裂强力，190℃时下降到80%左右，235℃时仅约为原来的70%;，尤其在190～205℃的区间内下降明显;PPS/PSA(80/20)过滤材料的孔隙率在温度低于190℃处理时变化不大，在温度高于190℃后，3道针刺的比2道针刺的下降更明显，透气率、织物断裂强力呈规律性下降，同样在190～205℃的区间内下降较明显;PPS/PSA(70/30)过滤材料的孔隙率、透气率、断裂强力的变化规律与 PPS/PSA(80/20)相似;PPS/PSA(60/40)过滤材料的透气率随温度的升高变化不大，随着PSA共混比的提高，强力仍随温度的升高而呈下降趋势。

总体而言，不同温度的高温处理后，过滤材料的孔隙率虽略有下降，但变化不大，都保持在90%以上，且具有一定的稳定性，这是因为PPS与PSA纤维耐高温，其高温稳定性能好。该试验结果一定程度上保证了PPS和PSA针刺法非织造布过滤性能，尤其适用在高温过滤领域。

随着PSA比例的提高，过滤材料的透气性和强度有所降低，但过滤材料的耐高温性有所改善，表现为透气性和强度的下降幅度降低。这是由于PSA纤维本身强力较低，耐高温性能好，而其纤维细度较细，结构紧密，所以透气性较差。

2.3 高温处理后过滤材料的尺寸稳定性

总体来看，PPS/PSA共混比为70/30时各方面性能都比较适中，故选择该共混比时的材料进行尺寸稳定性研究。将PPS/PSA(70/30)针刺2道和3道的过滤材料分别剪成64、100、784cm2的尺寸，在175℃高温下焙烘不同时间后，再测试材料的尺寸，以检验试样的尺寸保持率，结果见表6。

式中：L1为试验前测试材料尺寸，cm2;L2为试验后测试材料尺寸，cm2。

表6 175℃高温处理不同时间后过滤材料的尺寸保持率Tab.6 Size keeping rate of filter materials after treated at 175 ℃ for different time

由表6可看出，高温处理后，过滤材料的尺寸保持率平均在95%以上，说明其有较好的尺寸稳定性。

2.4 PPS/PSA过滤材料耐腐蚀性

为进一步了解PPS/PSA非织造过滤材料在高温除尘中的应用特点，尽可能地模拟实际工况条件，试样为经175℃高温后的过滤材料，再以不同浓度的酸、碱、氧化剂等溶液或气体处理，研究经高温和化合物综合作用情况下，PPS/PSA非织造过滤材料的性能变化。

2.4.1 耐酸碱性

2.4.1.1 碱处理 分别采用质量分数为5%、10%的氢氧化钠溶液在室温下，以及10%的氢氧化钠溶液在85℃下浸渍过滤材料8 h后［9］，测试其性能。测试结果平均值见表7～9。

表7 质量分数为5%氢氧化钠溶液浸渍处理后过滤材料的物理力学性能Tab.7 Physical properties of filter materials after soaked with sodium hydroxide(5%mass fraction)

表8 质量分数为10%氢氧化钠处理后过滤材料的物理力学性能Tab.8 Physical properties of filter materials after treated with sodium hydroxide(10%mass fraction)

表9 85℃，质量分数为10%氢氧化钠处理后过滤材料的物理力学性能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，随着NaOH浓度的增加，孔隙率和透气率随浓度和温度的变化不明显;断裂强力随浓度的增加下降，经85℃质量分数为10%NaOH处理后比室温情况下的强力下降更多;随着PSA比例的提高，强度也下降更多。显然，这与PSA耐酸不耐碱［8］的性能有关。

2.4.1.2 酸处理 分别采用质量分数为10%、30%的硫酸溶液在85℃下，以及质量分数为30%的硫酸溶液在室温下浸渍过滤材料8 h后［9］，测试其性能。测试结果平均值见表10～12。

表10 85℃，质量分数为10%硫酸处理后过滤材料的物理力学性能Tab.10 Physical properties of filter materials after treated with sulfuric acid(10%mass fraction)at 85 ℃

表11 质量分数为30%硫酸处理后过滤材料的物理力学性能Tab.11 Physical properties of filter materials after treated with sulfuric acid(30%mass fraction)

由表10～12可以看出，随着硫酸质量分数和温度的增加，断裂强力均呈现下降，室温下30%硫酸处理的试样，各共混比的强力损失幅度比较接近，说明PPS纤维和PSA纤维在室温下耐酸性能基本相同。加热到85℃，强力损失更大，也变得不规律，但质量分数高，强力损失更大;孔隙率和透气率有一定的下降，但变化没有强力那样明显。

表12 85℃，质量分数为30%硫酸处理后过滤材料的物理力学性能Tab.12 Physical properties of filter materials after treated with sulfuric acid(30%mass fraction)at 85 ℃

2.4.2 耐氧化性(次氯酸钠处理)

为了测试织物的耐氧化性，在室温下，选择针刺道数为2道的材料，采用质量分数为5%的次氯酸钠溶液［9］对过滤材料进行浸渍处理，处理时间分别为24、48、72、100 h。测试结果平均值见表13 ～16。

表13 质量分数为5%次氯酸钠处理24 h后材料的物理力学性能Tab.13 Physical properties of filter materials after treated with sodium hypochlorite(5%mass fraction)for 24 h

表14 质量分数为5%次氯酸钠处理48 h后材料物理力学性能Tab.14 Physical properties of filter materials after treated with sodium hypochlorite(5%mass fraction)for 48 h

表15 质量分数为5%次氯酸钠处理72 h后材料物理力学性能Tab.15 Physical properties of filter materials after treating with sodium hypochlorite(5%mass fraction)for 72 h

表16 质量分数为5%次氯酸钠处理100 h后材料的物理力学性能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，各共混比过滤材料的断裂强力，都是随着处理时间的增加而规律性下降，但降低幅度不大，强力为原来的80% ～90%;孔隙率和透气率的变化则无明显规律。

一般认为，PPS纤维的耐氧化性能差，而对PSA纤维的耐氧化性研究较少。试验结果显示次氯酸钠处理后强力降低幅度不大，可能是氧化剂质量分数比较低的原因。

2.4.3 耐SO2与NO气体性能

在各共混比下选择针刺道数为2道进行SO2、NO气体处理，改变气体浓度进行试验，测试处理后过滤材料的性能变化。

通常电厂发电所产生的SO2、NO气体质量浓度分别为916、178 mg/m3。由于本文的处理时间为8 h，而一般过滤材料的使用周期为3年，因此在该浓度的基础上进行了适当放大(放大1 000倍)，使其更接近于实际使用情况，即SO2、NO气体质量浓度分别为916、178g/m3。该浓度设定为测试的原浓度，在此基础上采用减半和加倍浓度进行试验，对原样(浓度为0)、减半浓度(即SO2、NO气体质量浓度分别为 458、89g/m3)、原浓度(916、178g/m3)和加倍浓度(1 832、356g/m3)的性能进行测试。

铜屑和浓硫酸在加热的条件下可以产生SO2气体，铜屑和稀硝酸在加热的条件下可以产生NO气体。将铜屑加入浓硫酸和稀硝酸的烧杯中，酒精灯加热产生气体，处理试样密封在烧杯口处，密封条件下进行试验。试验严格按照工厂实际使用时SO2、NO气体的排放量来设计。

经各浓度的SO2、NO气体浓度处理后，对过滤材料的性能进行测试，结果见表17～19。

表17 原浓度SO2及NO气体处理后过滤材料的物理力学性能Tab.17 Physical properties of filter materials after treated with SO2and NO gas of original concentration

表18 加倍浓度SO2及NO气体处理后过滤材料的物理力学性能Tab.18 Physical properties of filter materials after treated with SO2and NO gas of double concentration

表19 减半浓度SO2及NO气体处理后过滤材料的物理力学性能Tab.19 Physical properties of filter materials after treated with SO2and NO gas of halved concentration

由表17～19可知，与原样相比，经SO2、NO气体处理后的过滤材料孔隙率大体是下降的，断裂强力呈规律性下降，加倍浓度下降明显，透气率也有较明显下降。但随PSA比例提高，透气率和强力下降幅度有所减少。

PPS纤维本身对SO2、NO气体具有良好的耐腐蚀性，可作为良好的锅炉烟气过滤材料，但是，随气体温度升高、时间延长及气体体积比提高，针刺过滤材料的性能还是有所下降的。其主要原因是SO2对PPS分子的链状结构造成破坏，使PPS聚合链与聚合链之间产生断裂或滑移，从而使其性能下降。为了延长针刺过滤材料的使用寿命，应该使其工作参数在限定的范围内，在含尘气流进入除尘系统之前，进行脱硫处理以降低腐蚀性气体的浓度，同时采取适当的措施降低烟气温度。

3 结语

1)针刺道数对非织造过滤织物的孔隙率、透气率和强力均有规律性影响。针刺道数多，则织物紧密，故其孔隙率和透气率有所下降，但孔隙率相对稳定，仅减少2%左右;透气率则减少10% ～15%;2道针刺织物的强力比1道的增加约10%，3道针刺的强力比2道的增加约5%。

2)高温处理后织物的孔隙率、透气率总体变化不大且规律不明显。190℃高温处理后，织物的强力降为原值的85% ～90%，235℃处理后强力降为原值的65%～70%，PSA比例增加后，耐热性也提高，强力下降幅度减少，但由于PSA增加后原样的强力有所降低，所以总的强力变化并无显著改善。在高温处理后，织物的尺寸稳定性仍较好，尺寸的保持率总体在95%以上。

3)孔隙率和透气性受碱的影响不大，强力则随碱质量分数的增大而下降，在质量分数为10%的NaOH溶液作用下，强力减少为原来的80%左右。在酸的作用下，织物孔隙率和透气性变化不明显，但强力也有所下降，在质量分数为10%的H2SO4溶液作用下，织物强力下降到原值的90%左右。

4)在质量分数为5%的次氯酸钠产生的氯气作用下，孔隙和透气率变化不大，但强力随处理时间的增加而规律性降低，24 h氧化处理后的强力为原值的90%左右，100 h后为原值的85% ～88%。

5)随SO2、NO的气体浓度增加，织物的孔隙率降低1%左右，透气性降为原来的75%左右。在常规浓度下，织物的强力下降到原来的75%左右，浓度提高则强力下降更多。增加PSA共混比虽然能提高耐腐蚀性，使强力下降减少，但也是由于PSA增加后原样的强力降低，所以总的强力改善不大。

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