间位芳纶针刺非织造布耐高温耐腐蚀性

2020-09-25张宇皓韩万里李思嘉罗灵茜汪大鹏

工程塑料应用 2020年9期

张宇皓，韩万里，李思嘉，罗灵茜，汪大鹏

(嘉兴学院材料与纺织工程学院，浙江嘉兴 314001)

随着我国经济的迅速发展，各行各业对资源、能源的耗费日益增多，我国已成为原煤、钢铁、水泥和化纤生产第一大国，从而导致环境污染问题日益突出。目前，我国工业烟尘排放量巨大，主要来自于电力、钢铁、水泥、冶炼、化工等行业生产过程中的排放物[1]。近年来，国家高度重视空气排放污染物问题，环保部门对相关行业的高温烟气的除尘要求也更加严格，已出台相关环境治理政策[2–4]，要求排尘浓度由原来的200 mg／m3降低到30～50 mg／m3，部分地方城市甚至要求控制在20～30 mg／m3。目前袋式除尘技术已能够完全满足烟气除尘和稳定可靠运行的需要，在烟气除尘中的应用也越来越广泛，其中滤料是袋式除尘器的关键材料，其性能直接影响袋式除尘器的过滤效果及使用寿命。随着国内排放标准的逐渐严格，耐高温材料的需求量和市场空间进一步增大，在大气污染治理中有着举足轻重的地位[5–6]。因此，研发高质量的耐高温滤料具有非常重要的意义。

间位芳纶又称芳纶1313，全称为聚间苯二甲酰间苯二胺，属芳香族聚酰胺纤维，是一种优良的耐高温纤维，具有低刚度、高伸长率、耐高温、耐酸碱等优良特性，其产品主要应用于航空飞行服、高温化工过滤和高温绝缘产品中，是制备耐高温滤材的理想材料[7–9]。芳香族聚酰胺纤维大分子链的刚性大，结构稳定，采用熔体纺丝方法难以加工，通常由间苯二胺和间苯二甲酰氯缩聚后经溶液纺丝而成。由于间位芳纶纤维大分子结构中存在酰胺键，使其耐强酸、强碱性和耐高温水解性较差，在强酸和强碱的环境下会出现酰胺键水解断裂[10–13]，导致间位芳纶在高温过滤领域中的应用受到一定的限制。

为了研究间位芳纶针刺非织造布在高温环境下的耐酸碱腐蚀性，笔者采用100%间位芳纶短纤维，利用针刺非织造加工工艺制备了间位芳纶针刺非织造布。在此基础上，将间位芳纶针刺非织造布置于200℃高温条件下，在pH值为2，7，13溶液中浸渍48 h处理，通过观察和测试间位芳纶非织造布的外观形貌、力学性能、透气性能、纤维结构和热性能，探讨间位芳纶针刺非织造布在高温下的耐腐蚀性，为耐高温针刺滤料生产和应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

间位芳纶短纤维：1.5 D／51 mm，保定锦年特种纤维制造有限公司；

NaOH：白色固体，西陇科学股份有限公司；

浓HCl：36%～38%，浙江中星化工试剂有限公司。

1.2 主要仪器与设备

针刺热轧联合试验机：定制，常熟市伟成非织造成套设备有限公司；

强力测试机：YG(B)026H–250型，温州大荣纺织仪器有限公司；

数字式织物透气量仪：YG461D型，常州市中纤仪器有限公司；

傅立叶变换红外光谱(FTIR)仪：VERTEX 70型，德国布鲁克(北京)有限公司；

热失重(TG)分析仪：TGAQ50型，美国TA仪器公司；

数显电子天平：DC–320AS型，南京苏测计量仪器有限公司；

扫描电子显微镜(SEM)：S-4800型，日本日立公司；

电热恒温鼓风烘箱：FY101A型，温州方圆仪器有限公司。

1.3 样品制备

选取5 kg间位芳纶纤维为原料，首先进行加油润滑和抗静电处理，经过两次开松后进入双锡林双道夫梳理机中梳理，喂入速度为1 m／min，锡林线速度为900 m／min，道夫线速度为16 m／min，速度帘速度为14 m／min，经梳理机梳理后的纤维成单纤维平行伸直状态。双道夫输出的双层叠加纤网采用交叉铺网方式制备面密度为200 g／m²的间位芳纶纤网。间位芳纶纤网经过预针刺预处理，喂入速度为4 m／min，针刺频率为340刺／min，针刺深度为7 mm，针刺密度为140刺／cm2。再经过主针刺工艺成型，喂入速度为2 m／min，针刺频率为370刺／min，针刺深度为1.77 mm，针刺密度为320刺／cm2，输出速度为1.6 m／min，最后制得间位芳纶针刺非织造布，其成型工艺如图1所示。

图1 间位芳纶针刺非织造布成型工艺图

1.4 样品处理

用去离子水稀释浓HCl和NaOH，配置pH值为2，7，13的酸性、中性和碱性溶液，将未处理的间位芳纶针刺非织造布、浸渍在pH值为2，7，13的间位芳纶针刺非织造布分别标记为 1#，2#，3#，4#，在200℃的高温环境下分别对1#～4#样品进行处理，处理时间均为48 h。

1.5 性能测试

形貌分析：用SEM观察样品表面形态。制样面积为1 cm2，扫描前对样品表面进行喷金处理。

透气性按照GB／T 5453–1997测试，样品大小为 20 cm²，压力为 200 Pa。

拉伸性能按照FZ／T 60005–1991测试，夹持距离50 mm，拉伸速度100 mm／min。

FTIR测试：扫描范围为500～4 000 cm-1，分辨率为4 cm-1。

TG测试：氮气气氛，测试温度为35～550℃，升温速率为10℃／min。

2 结果与讨论

2.1 SEM 分析

在200℃高温、经不同pH值溶液处理后，样品的SEM照片如图2所示。

从图2a可以看出，未处理的1#样品的间位芳纶纤维表面光滑，纤维截面为圆形，细度较为均匀。另外，间位芳纶纤维之间交错排列分布较为均匀，纤维具有较高的杂乱度，从而制备的针刺非织造布各向同性较好。间位芳纶纤维通过相互无序排列和相互缠结包合，使制备的针刺非织造布具有较好的蓬松多孔结构，从而可有效地拦截尘埃颗粒，提高过滤效率，并能保持较小的过滤阻力[14]。间位芳纶纤维表面纵向光滑平直，截面呈圆形，具有优异的耐高温性能，可广泛应用在高温过滤领域。

图2 不同处理后的间位芳纶针刺非织造布外观形貌SEM照片

从图2b～图2d可以看出，2#～4#样品的间位芳纶纤维表面受到了不同程度的损伤。在200℃高温、经pH值为7的溶液处理的3#样品，其表面的间位芳纶纤维有少部分存在损伤，且损伤程度较轻；在200℃高温、经pH值为2和13的酸碱溶液高温处理后，2#和4#样品的间位芳纶纤维的损伤程度比较严重，间位芳纶纤维的表面出现较多的腐蚀现象，受损伤纤维的根数也较多，尤其在酸性条件下，腐蚀纤维面积最大，纤维表面起皮严重，存在明显的沟槽，经酸碱腐蚀后，其皮层结构受到了破坏[15]。但总体来看，针刺非织造布的纤维缠结仍然是紧密的，说明间位芳纶针刺非织造具有较好的耐腐蚀性。

2.2 透气性能分析

间位芳纶针刺非织造布的透气性能可反映出纤网中的孔径大小及其分布，是影响过滤性能的一个重要因素。在200℃高温、经不同pH值溶液处理后，间位芳纶针刺非织造布透气性能测试结果列于表1。

表1 不同处理后的间位芳纶针刺非织造布透气性能测试结果

从表1可以看出，在200℃、经不同pH值溶液处理后，样品的透气率有一定下降，但并没有发生明显变化。1#样品的透气率最大，为2 562.4 mm／s，4#样品最小，为 2 402.8 mm／s，相比 1#样品，减少了6.23%，而2#和3#样品透气率分别减少了3.93%和4.31%。

间位芳纶针刺非织造布的透气性与其孔隙大小、体积分数和紧密度等密切相关。从图2也可以看出，经酸碱和中性溶液处理后的间位芳纶针刺非织造布内部的纤维之间的缠结程度和孔径分布没有发生明显变化。这表明在200℃高温下，间位芳纶针刺非织造布经酸碱和中性溶液处理后，仍可以保持良好的透气性能。由此可见，在200℃高温及酸碱和中性环境下，间位芳纶针刺非织造布仍可保持良好的纤网多孔结构，具有较好的过滤效率和较低的过滤阻力，可在200℃高温及酸碱和中性环境中用作过滤材料。

2.3 拉伸性能分析

在200℃、经不同pH值溶液处理后，间位芳纶针刺非织造布的拉伸曲线如图3所示。

图3 不同处理后的间位芳纶针刺非织造布的拉伸曲线

由图3可以看出，经过处理后的2#，3#和4#样品与未处理的1#样品的拉伸曲线整体趋势相同。1#样品的断裂强力为340.1 N，断裂伸长率为66.55%；在200℃高温、经pH值为2的酸性溶液处理后，2#样品的断裂强力为354.3 N，断裂伸长率为56.1%，相比于1#样品，断裂强力增加了4.17%，断裂伸长率降低了10.45%，断裂强力略有增加；在200℃高温，经pH值为7的中性溶液处理后，3#样品的断裂强力为372.3 N，断裂伸长率为68.02%，断裂强力增大，而断裂伸长率基本没有变化；在200℃高温，经pH值为13的碱性溶液处理后，4#样品的断裂强力为384.8 N，断裂强力增加了13.14%，而断裂伸长率略有下降。由此可知，经处理后的间位芳纶非织造布的断裂伸长率和断裂强度有所变化，但变化幅度相差不大，说明在200℃高温下，溶液的pH值对间位芳纶针刺非织造布的拉伸性能影响不大。

2.4 FTIR 分析

在200℃高温、经不同pH值处理后，间位芳纶针刺非织造布的FTIR谱图如图4所示。

图4 不同处理后的间位芳纶针刺非织造布的FTIR谱图

间位芳纶纤维主要是由苯环和酰胺键构成的，从图4可以看出，在780 cm-1处的吸收峰是C—H (间二取代苯邻接三个H)的变形振动峰；波数为1 487 cm-1和1 537 cm-1处的吸收峰是苯环上的C=C不对称伸缩振动引起的；1 608 cm-1处的吸收峰是N—H变形振动峰，即酰胺Ⅱ峰；波数为1 645 cm-1处是酰胺Ⅰ峰，即C=O伸缩振动峰；波数3 272 cm-1附近的峰为N—H伸缩振动峰。

从图4 还可以看出，经过处理后的 2#，3#，4#样品在3 370 cm-1处的吸收峰明显增强，说明N—H键增多，由此可以预测间位芳纶纤维分子中酰胺键中的N—C键出现了一定的断裂[16]。在682，722，780 cm-1处的峰并未消失，说明C—H面外弯曲振动没有消失，即苯环没有打开。另外，2#，3#，4#样品在2 400 cm-1位置上出现了CO2小分子片段对应的吸收峰，其中酸性条件下处理的2#样品的吸收峰最强。其主要原因是在氧气存在的环境中CO氧化成CO2

[17]。从FTIR谱图的形状和位置来看，经过不同pH值的溶液处理后，间位芳纶针刺非织造布内部化学结构没有产生明显的变化，说明该材料经不同处理后具有良好的耐腐蚀性。

2.5 TG 分析

在200℃高温、经不同pH值溶液处理后，间位芳纶针刺非织造布的TG曲线如图5所示。

由图5可以看出，从室温至105℃，样品的初始质量损失归因于释放吸附的水分。浸渍在不同pH值溶液的2#，3#，4#样品所含水分较多，曲线下降明显。在105～400℃，质量没有进一步发生明显的变化，样品质量只损失了1.5%左右，说明间位芳纶具有优异的热稳定性。在415℃左右，间位芳纶出现分解，此后，间位芳纶纤维的质量损失非常快，纤维降解显著。但当温度达到560℃时，样品的质量保持率仍维持在50%以上。由此可见，在约105℃之前，在溶液中浸渍过的2#，3#，4#样品含有较多的水分，温度升高后，样品的水分蒸发，质量损失较多。而在100～400℃区间内，经过高温和不同pH值溶液处理后，2#，3#，4#样品的纤维表面皮层结构遭到破坏和腐蚀，导致纤维超分子结构中的结晶度下降，分子间作用力下降，纤维无定形区阻碍分子链滑移能力较弱，从而使样品易降解，热失重质量较大。在400℃以上时，间位芳纶非织造布均出现裂解吸热现象，温度升高迫使分子振动、旋转等运动剧烈而导致共价键断裂，故TG曲线迅速下降。