PTFE乳液改性聚酰亚胺纤维/超细玻璃纤维复合针刺滤料的耐酸碱腐蚀性

袁香楠 张延辉 成 沙 高 晶

1. 东华大学纺织学院，上海 201620；2. 上海市纺织科学研究院有限公司，上海 200082

随着人们环保意识的加强，以及对空气质量要求的不断提高，燃煤发电、钢铁、水泥行业及垃圾焚烧工业越来越重视烟尘的排放和过滤。纤维基袋式过滤器作为一种重要的空气过滤技术，因过滤效率高、除尘稳定性好、适用性强、成本低等优势，已得到了广泛的应用[1-2]。其中，滤料是过滤器的核心，直接关系到袋式过滤器的除尘性能和使用寿命，而纤维基滤料的性能主要取决于纤维固有的物理性质和化学性质[3]。工业排放的烟气不仅包含SO2、 NO、 NO2、 HCl、 CO、氟化物等酸性气体，同时也含有MgO、 CaO、 NH3等碱性气体。这些混合气体在高热高湿环境中发生复杂的物理化学反应，产生酸性物质(H2SO4、 HNO3等)和碱性物质，极易出现凝结酸液或碱性物质腐蚀滤料的现象。附着在纤维表面或进入纤维内部的腐蚀性物质会促使纤维水解或发生其他化学反应，破坏纤维结构，严重时还会使滤料破损，过滤性能失效，影响滤袋的长期使用[4-5]。

基于上述要求，纤维基滤料应具有良好的耐酸碱腐蚀性以保障过滤的长期稳定。目前常用的滤料纤维包括玻璃纤维、聚酰亚胺(P84)纤维、聚苯硫醚纤维、芳纶纤维、聚丙烯腈预氧化纤维等[6-7]。其中，玻璃纤维具有耐高温、耐腐蚀、尺寸稳定性好、拉伸断裂强度高、性价比高等优势，但其耐折性和耐磨性差，使用过程中易磨损。超细玻璃纤维不仅具有普通玻璃纤维所具有的优良性能，且柔韧性好、过滤效率高，是制作滤料的理想基材[8]。P84纤维是一种截面呈三角形的合成纤维，具有高模量、耐高温、耐腐蚀、阻燃等优点，但其耐水解性差，价格较高，故常与玻璃纤维等复合来制备滤料[9]。将P84纤维和超细玻璃纤维复合，可以结合两种纤维材料的优良性能，同时降低生产成本，利于滤料的进一步推广使用。

本文首先利用针刺法制备P84/超细玻璃纤维复合针刺滤料，然后对滤料进行PTFE乳液改性，获得PTFE乳液改性的P84/超细玻璃纤维复合滤料，最后对该复合滤料进行硫酸、硝酸、氢氧化钠溶液处理，探究溶液的种类、质量分数、温度、处理时间对其力学性能的影响，评价复合滤料的耐酸碱腐蚀性。

1 试验

1.1 原料与设备

原料：P84纤维，线密度为2.2 dtex，长度为61 mm，由东邦特种纤维有限公司生产；超细玻璃纤维，线密度为0.625 dtex，长度为51 mm，由兴国大成特种纤维科技有限公司生产；玻璃纤维基布，纬二重组织结构，由重庆国际复合材料股份有限公司生产；PTFE浓缩分散液，质量分数为60%，由日本大金氟化工(中国)有限公司生产；硫酸(分析纯，质量分数为95%～98%)、硝酸(分析纯，质量分数为65%～68%)、固体氢氧化钠(分析纯，质量分数≥96%)、去离子水，由国药集团化学试剂有限公司生产。

设备：HH-4型恒温水浴锅(上海比朗仪器有限公司)、101A-2型电热鼓风干燥箱(常州市第二纺织仪器厂)、YG026MB-3250型电子织物强力机(深圳方圆仪器有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 复合滤料制备

首先，采用针刺法制备P84/超细玻璃纤维复合针刺滤料。P84与超细玻璃纤维的混合质量比为60∶40，工艺流程：纤维单独开松→纤维混合→梳理成网→交叉铺网→上下纤维层与玻璃纤维基布中间层复合→预针刺→主针刺→P84/超细玻璃纤维复合针刺滤料。

然后，利用PTFE乳液改性P84/超细玻璃纤维复合针刺滤料。改性处理工艺流程：滤料清洗→浸渍→轧车轧压→预烘(100 ℃，10 min)→焙烘。其中轧车压强为0.4 MPa，焙烘温度为170 ℃，焙烘时间为5 min， PTFE乳液质量分数为12%。

最后，将所制备的PTFE乳液改性P84/超细玻璃纤维复合针刺滤料(下文简称“复合滤料”)放在标准环境[温度为(23±2)℃、相对湿度为(50±5)%]中调湿，24 h后复合滤料达到平衡状态。

1.2.2 酸碱处理

首先，分别配制质量分数为20%、 30%、 40%、 60%、 80%的硫酸溶液，质量分数为10%、 20%、 30%、 40%、 50%、 60%的硝酸溶液，质量分数为5%、 10%的氢氧化钠溶液，用塑料薄膜盖住，放入烘箱中加热到所需温度；之后，将平衡状态的等质量复合滤料分别放入上述溶液中；再密封放入恒温水浴锅中处理不同时间；最后，将试样拿出，用去离子水冲洗5遍，烘干、调湿后进行测试。具体酸碱处理条件如表1所示。

表1 酸碱处理条件

1.3 测试表征

1.3.1 力学性能测试

酸碱处理后的试样在温度为(20±3)℃、相对湿度为(65±5)%的环境下放置24 h，达到平衡状态后对其进行力学性能测试。采用YG026MB-3250型电子织物强力机，按照GB/T 7689.5—2013《增强材料 机织物试验方法第5部分：玻璃纤维拉伸断裂强力和断裂伸长的测定》，测试试样的断裂强力和断裂伸率。测试条件：拉伸速度为150 mm/min，夹持距离为20 mm。每个试样测试10次，结果取平均值。

1.3.2 力学性能表征

滤料的力学性能直接影响滤袋的使用寿命。不同试验条件的酸碱溶液会对滤料产生不同程度的腐蚀，主要表现在滤料的断裂强度与断裂伸长率的变化。其中，滤料的断裂强度越大，使用寿命越长；而断裂伸长率则反应了滤料的拉伸韧性，影响滤料的耐用性。因此通过测试经酸碱溶液处理后各试样的纵向、横向断裂强度，以及纵向、横向断裂伸长率，计算断裂强度保持率和断裂伸长率保持率，可定量评价和比较复合滤料的耐酸碱腐蚀性能。断裂强度保持率、断裂伸长率保持率的计算如式(1)、式(2)所示。

(1)

式中：E0、E1分别表示酸碱处理前、处理后的断裂强度(cN/dtex)，E表示断裂强度保持率(%)。

(2)

式中：L0、L1分别表示酸碱处理前、处理后的断裂伸长率(%)，L表示断裂伸长率保持率(%)。

2 结果与讨论

2.1 硫酸溶液对复合滤料的影响

图1表示复合滤料在95 ℃、质量分数为30%的硫酸溶液中，处理不同时间后的力学性能变化。其中，MD表示纵向；CD表示横向。由图1可知，随着处理时间的延长，滤料的纵向、横向断裂强度保持率和断裂伸长率保持率均有所下降；浸泡120 h后，纵向、横向断裂强度保持率分别下降至54.03%和64.66%；纵向、横向断裂伸长率保持率分别下降至73.29%和73.21%。这说明复合滤料受硫酸溶液腐蚀而老化，力学性能有所降低。

图1 经95 ℃、质量分数为30%的硫酸溶液处理后复合滤料的力学性能与处理时间的关系

图2和图3分别表示复合滤料在不同质量分数的硫酸溶液中常温处理15 h和95 ℃处理1 h后的力学性能变化。由图2可知，常温下复合滤料经质量分数为60%的硫酸溶液处理15 h后，纵向、横向断裂强度保持率仍为90%以上，纵向、横向断裂伸长保持率为80%以上；而当硫酸质量分数升高到80%时，复合滤料遭到严重破坏，已无法测出其断裂强度，断裂伸长率降至10%以下。由图3可知，复合滤料经95 ℃、质量分数为60%的硫酸溶液处理1 h后纵向、横向断裂强度保持率和断裂伸长率保持率均大于70%；与图2相似，当硫酸质量分数升高到80%后，复合滤料大面积破坏，数据无法测出。对比图2和图3可发现：复合滤料不耐高质量分数的硫酸；与常温处理条件相比，复合滤料的纵向、横向力学性能在95 ℃处理时下降得更快，即在酸性条件下，升高温度会加快滤料的老化速率。

图2 经常温硫酸处理15 h后复合滤料的力学性能与溶液质量分数的关系

图3 经95 ℃硫酸处理1 h后复合滤料的力学性能与溶液质量分数的关系

综合分析图1～图3的硫酸处理结果，可得出以下结论：硫酸处理时间越长，处理温度越高，复合滤料力学性能下降越显著，腐蚀越严重；复合滤料不耐高质量分数的硫酸溶液。酸对复合滤料中P84纤维的水解起到催化作用，而硫酸质量分数的提高和温度的升高同时加快了纤维的水解速率，纤维结构的破坏使得纤维的力学性能受到一定程度的损伤，进而降低复合滤料的力学性能，甚至引起复合滤料力学失效[5， 10-11]。

2.2 硝酸溶液对复合滤料的影响

复合滤料在85 ℃、质量分数为10%的硝酸溶液中处理不同时间所得的测试结果如图4所示。由图4可知，随着处理时间的延长，复合滤料的纵向、横向断裂强度保持率和断裂伸长率保持率均下降，尤其是刚开始的几个小时内，下降速度最快，但断裂强度保持率和断裂伸长率保持率仍为较高数值，之后便逐渐趋于平缓。处理12 h后，纵向、横向断裂强度保持率分别下降到55.97%、 53.57%；纵向、横向断裂伸长率保持率分别为74.27%和75.77%。

图4 经85 ℃、质量分数为10%的硝酸溶液处理后复合滤料的力学性能与处理时间的关系

固定硝酸溶液的温度和时间两个因素，将复合滤料放在不同质量分数的硝酸溶液中处理，所得的测试结果如图5所示。随着硝酸质量分数的增加，滤料的断裂强度保持率和断裂伸长率保持率均呈下降趋势，并且下降幅度越来越大；当硝酸质量分数达到60%时，复合滤料部分破坏。

图5 经85 ℃硝酸处理1 h后复合滤料的力学性能与溶液质量分数的关系

综合分析复合滤料的硫酸处理试验和硝酸处理试验，可得出以下结论：与处理时间相比，酸溶液的质量分数对复合滤料力学性能的影响更显著；在低质量分数的酸溶液条件下，复合滤料仍可保持较高的断裂强度保持率和断裂伸长率保持率，不易受到酸溶液腐蚀；与硫酸溶液处理相比，复合滤料断裂强度保持率和断裂伸长率保持率受硝酸溶液的影响比较明显。原因在于：复合滤料中的P84纤维和超细玻璃纤维本身都具有良好的耐酸性，经过PTFE乳液改性后，PTFE乳液凝固在滤料表面及其内部，以薄膜的形式包覆在滤料纤维上，增强了复合滤料的耐酸性和力学稳定性[8， 12-13]；另外，与硫酸溶液处理相比，硝酸溶液具有强氧化性，进一步加快复合滤料中P84纤维的腐蚀速度，故对复合滤料力学性能的影响也更显著[10]。

2.3 氢氧化钠溶液对复合滤料的影响

将复合滤料分别在85 ℃、质量分数为5%的氢氧化钠溶液和常温条件、质量分数为10%的氢氧化钠溶液中处理，所测得的复合滤料力学性能与处理时间的关系如图6和图7所示。

图6 经85 ℃、质量分数为5%的氢氧化钠溶液处理后复合滤料的力学性能与处理时间的关系

图7 经常温质量分数为10%的氢氧化钠溶液处理后复合滤料的力学性能与处理时间的关系

随着处理时间的延长，复合滤料的纵向、横向断裂强度保持率和断裂伸长率保持率均下降。经85 ℃氢氧化钠溶液处理12 h后，复合滤料的纵向、横向断裂强度保持率分别下降至50.44%和53.10%，纵向、横向断裂伸长率保持率分别为60.00%和61.47%；经常温氢氧化钠溶液处理12 h后，纵向、横向断裂强度保持率分别下降至80.94%和83.57%；纵向、横向断裂伸长率保持率分别为72.34%和73.18%。这表明复合滤料在低质量分数的碱溶液处理一段时间后仍能保持一定的断裂强度和断裂伸长率，但升温会加快复合滤料在碱溶液中的老化。

综合对比硫酸溶液、硝酸溶液、氢氧化钠溶液对复合滤料力学性能的影响后发现，碱处理条件对复合滤料断裂强度保持率和断裂伸长率保持率的影响较为显著。以酸碱溶液对复合滤料断裂强度保持率的影响为例，经95 ℃、 质量分数为30%的硫酸溶液处理120 h后复合滤料的纵向、横向断裂强度保持率分别下降至54.03%、 64.66%；经85 ℃、 质量分数为10%的硝酸溶液处理12 h后，其分别下降至55.97%、 53.57%；经85 ℃、 质量分数为5%的氢氧化钠溶液处理12 h后，其分别下降至50.44%、 53.10%。原因如下：复合滤料中的P84纤维耐碱性较差，纤维分子结构中的酰亚胺环基团在碱液处理后发生开环反应，纤维结构受损[14]；超细玻璃纤维和玻璃纤维基布都具有极好的耐酸碱性能，但它们的耐碱性均不如耐酸性[8]；PTFE乳液改性同时增强了滤料的耐酸和耐碱腐蚀性[13]。从整体来看，复合滤料具有良好的耐酸碱腐蚀性，且耐酸性优于耐碱性。

在实际应用中，工业烟气中的腐蚀性气体主要含有酸性或碱性成分，一般煤矿、钢铁等工业排放的烟气中含有NO、 SO2，多为酸性环境[5， 15]，而且实际酸溶液浓度不会达到浓酸的浓度。在含尘气流进入除尘系统之前，工厂会对气流进行脱硫处理以降低腐蚀性气体的浓度，同时采取适当措施降低烟气温度，以延长复合滤料的使用寿命[6]。故本文制备的PTFE乳液改性复合滤料适用于实际工况条件下的除尘过滤。

3 结论

经硫酸溶液、硝酸溶液、氢氧化钠溶液处理后，PTFE乳液改性的P84/超细玻璃纤维复合针刺滤料的力学性能受到影响。

(1) 随着酸、碱溶液质量分数的增加、处理时间的延长，复合滤料的断裂强度保持率和断裂伸长率保持率均呈下降趋势；其中，酸、碱溶液质量分数对力学性能的影响更显著。

(2) 低质量分数酸、碱溶液处理后，复合滤料仍具有一定的断裂强度和断裂伸长率。复合滤料经酸碱处理后不易伸长变形，尺寸稳定性好。

(3) 升高酸、碱溶液温度将加快复合滤料的腐蚀老化速率；在高温条件下，复合滤料不耐质量分数为80%的浓硫酸溶液和质量分数为60%的硝酸溶液；复合滤料的耐硫酸性稍强于耐硝酸性。

(4) 在实际工况下，复合滤料具有良好的耐酸碱腐蚀性，且耐酸性优于耐碱性，可以满足烟气过滤环境对滤料耐酸碱性的要求。