袋式除尘滤料常用聚苯硫醚纤维性能的对比试验研究.pdf

袋式除尘滤料常用聚苯硫醚纤维性能的对比试验研究 * 王振华薛婷婷梁珍沈恒根 东华大学环境科学与工程学院， 上海 201620 摘要 针对袋式除尘器滤料用聚苯硫醚纤维的技术特性， 对目前国内滤料市场常用的聚苯硫醚纤维由生产单位随机抽 取了五种不同厂家的纤维进行了力学性能、 卷曲性能及热收缩性测试， 采用热重分析和差热分析法对其热稳定性进行 了测试分析。结果表明 断裂强度差异较小， 测值上下浮动在 10以内; 断裂伸长率的测值区间浮动为 23。纤维卷 曲数在 10. 3 ～14. 2 个/25 mm， 卷曲率的测值范围为 5. 5 ～ 10. 7， 纤维间差异不大。180 ℃的高温下处理 30 min 后， 两种纤维的热收缩率小于 1. 0， 其他三种纤维在 3左右; 热稳定性的分析表明 PPS 纤维材质本身在 200 ℃前没 有明显的质量损失， 五种纤维的质量分数均保持在 99. 8以上。 关键词 聚苯硫醚; 纤维特性; 力学性能; 卷曲性能; 热稳定性 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201402018 COMPAＲATIVE EXPEＲIMENTAL STUDY ON PEＲFOＲMANCES OF POLYPHENYLENE SULFIDE PPSFIBEＲS FOＲ BAG FILTEＲ Wang ZhenhuaXue TingtingLiang ZhenShen Henggen School of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China AbstractIn order to understand the technical perances of PPS fibers used for bag filters，a comparison of domestic and imported 5 PPS fibers on mechanical behavior，crimping perance and heat shrinkage was carried out． The thermal stability was tested by TG and DTA analysis． The results indicate that there are small differences on tensile behavior，and measured value of breaking strength and elongation fluctuating within 10 and 23 respectively． Crimping numbers ranged from 10. 3 ～14. 2 per 25 millimeters and crimping ratios were 5. 5 ～10. 7． The thermal shrinkage of two fibers was less than 1 while that of the other three was about 3 after treatment in 180 ℃ for 30 min． TG and DTA analysis show that PPS fibers can even keep 99. 8 residual mass below 200 ℃． KeywordsPPS;fiber properties;mechanical behavior;crimping perance;thermal stability * 纤维材料改性国家重点实验室开放课题 V201106 ; 十二五国家科技 支撑计划项目 2012BAJ02B07 。 收稿日期 2013 －03 －25 0引言 袋式除尘器用滤料在实际的使用中应满足耐高 温、 耐腐蚀、 抗折、 耐磨、 机械强度高、 使用寿命长、 成 本低等要求。由于滤料的性能在很大程度上取决于 纤维的特性， 纤维本身的机械强度、 卷曲数、 热收缩率 等参数会对滤料的机械强度、 可纺性、 热收缩性产生 影响， 因此本文从纤维角度对在燃煤炉窑烟气袋式除 尘中应用较多的聚苯硫醚 Polyphenylene Sulfide， 缩 写 PPS纤维的拉伸力学性能、 卷曲性能、 热收缩性 能以及热稳定性能进行了测试分析。考虑到现在 PPS 纤维市场上种类较多， 国内也出现能够商业化生 产的厂家［1 ］， 各厂家由于 PPS 切片原料的不同会造 成纤维特性上的差异， 在本测试中选用了市场上常用 的五种聚苯硫醚纤维进行测试， 以期能寻找纤维之间 的差异， 为以后在袋式除尘领域中高温滤料的选用提 供参考依据。 1试验部分 1. 1测试对象 本试验测试对象为目前滤料市场上常用的不同 生产厂家的聚苯硫醚纤维五种， 根据滤料生产厂家的 随机取样， 不代表厂家参数。为便于下文进行描述， 分别将其编号为 A、 B、 C、 D、 E 其中 A、 B 为国外供货 纤维， C、 D、 E 为国产纤维 ， 具体纤维规格见表 1。 77 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 表 1五种纤维的规格参数 Table 1Parameters of 5 test fibers 纤维生产厂家纤度/dtex长度/mm A1. 8951 B2. 2251 C2. 2251 D2. 2264 E2. 2264 1. 2试验方法 1. 2. 1力学拉伸性能 纤维的力学拉伸性能测试包括断裂强度、 初始模 量、 断裂伸长率， 用来表征纤维的机械强度、 拉伸韧性 和弹性。测试使用的仪器为 XQ- 1 纤维强伸度仪， 测 试时拉伸速度设为 10 mm/min， 纤维的名义隔距长度 为 20 mm， 每个样品测试 50 根纤维， 按照 GB/T 143372008化学纤维短纤维拉伸性能试 验 方 法 ［2 ］测试纤维的断裂强度、 断裂伸长、 初始模量。 1. 2. 2卷曲性能 纤维的卷曲性能包括卷曲数和卷曲率， 卷曲可以 使短纤维纺纱时增加纤维之间的摩擦力和抱合力， 卷 曲率是表示卷曲程度的指标。测试使用的仪器为 XCP- 1A 纤维卷曲弹性仪， 测试时设定预置夹持距离 为 20 mm， 试样加轻负荷平衡后读取 L0， 读取 25 mm 内全部卷曲峰和卷曲谷数， 加重负荷平衡后读取 L1。 轻负荷和重负荷的设定按照 GB/T 143382008化 学纤维短纤维卷曲性能试验方法 ［3 ］计算， 每个样品 测试 20 根纤维。 卷曲数按式 1 计算 Jni JAi Li 2 25 1 式中 Jni 单根纤维的卷曲数， 个/25mm; Li 读取卷曲数的长度， mm; JAi 单根纤维在 Li内全部卷曲峰和卷曲谷 个数。 卷曲率按式 2 计算 J L1－ L0 L1 100 2 式中 J 纤维卷曲率， ; L0 纤维在轻负荷下测得的长度， mm; L1 纤维在重负荷下测得的长度， mm。 1. 2. 3热收缩性 同一种纤维， 因加工的工艺条件不同， 其热收缩 率也有差异。生产中若将不同热收缩率差异较大的 化学纤维混纺和交织， 则在印染加工中造成纱线收缩 不一， 导致滤料表面产生疵点。因此纤维的热收缩率 是一项重要的指标。 将纤维试样放置于 180 ℃的恒温烘箱中进行高 温处理， 30 min 后取出， 将取出的试样置于 ＲH 65、 20 ℃环境中平衡 24 h 后， 测量其纤维长度。测试使 用的仪器为 XH- 1 纤维热收缩仪， 纤维热缩率按 式 3 计算 γ LA－ LB LA 100 式中 γ 热收缩率， ; LA 处理前纤维的长度， mm; LB 理后纤维的长度， mm。 2结果与分析 2. 1纤维力学性能测试 图 1 为五种聚苯硫醚纤维的力学性能测试结果， 主要表征指标包括断裂强度、 断裂伸长率、 初始模量 和比功。为便于更直观地反映纤维之间的差异， 将每 种纤维的实际测试数值与该项五种纤维的均值进行 对比， 采用相对值来制图。从图 1 可以看出 在断裂 强度方面， 测试的 A 纤维最大， 高出均值 9， 其次是 E 纤维高出均值 4， 在均值之下依次是 C、 B、 D 纤 维; 在断裂伸长率上， 国外的 A、 B 纤维伸长率较低， 分别为均值的 76 和 86， 而国产的 C、 D、 E 都较 大， 最大的 C 纤维伸长率高于均值 23， 这表明国产 纤维在受力时将产生更大的变形， 根据文献［ 6］ 对共 聚纤维的分析， 这与纤维内部的聚集态结构和取向度 有关 ［4 ］。 图 1五种聚苯硫醚纤维的力学性能对比 Fig． 1Comparison of mechanical behavior of 5 PPS fibers 在初始模量上， B、 C、 D 三种纤维的数值均在 25cN/dtex 左右， 而 A、 E 两种纤维分别为高出均值 87 环境工程 Environmental Engineering 23和 10。由于初始模量的定义为拉伸伸长率为 1时应力的 100 倍， 反映的是纤维在小应力条件下 的弹性或刚性， 因此 B、 C、 D 的纤维制品将会较 A、 E 的纤维制品柔软; 断裂比功是纤维韧性的量度， 断裂 比功越大， 表明纤维断裂时所需要的能量越大。在所 测试的五种纤维中， 国产的 C 纤维最大， 其余两种国 产 PPS 纤维承受力学冲击的能力也优于国外的两种 纤维。 2. 2纤维卷曲性能测试 纤维的卷曲可以使短纤维之间的摩擦力和抱合 力增加， 可以提高纤维和纺织品的弹性， 增加柔软 度 ［5 ］。表 2 列出了五种纤维卷曲性能的测试结果。 纤维 B 卷曲数最大， 每 25 mm 卷曲数为 14. 15 个， 其 次是纤维 C 和纤维 D， 再次是纤维 A 和纤维 E， 卷曲 率的大小趋势与卷曲数是一致的， 这也同时验证了与 上述初始模量的测试结果的一致性， B、 C、 D 的纤维 制品将会较 A、 E 的纤维制品柔软。 表 2五种聚苯硫醚纤维卷曲性能测试结果 Table 2Comparison of crimping perance of 5 PPS fibers 纤维 编号 卷曲数/ 个 25 mm －1 卷曲数 CV/ 卷曲率/ 卷曲率 CV/ A11. 223. 918. 846. 08 B14. 215. 089. 326. 24 C12. 310. 0210. 626. 10 D12. 617. 5810. 738. 93 E10. 326. 005. 539. 80 2. 3纤维热收缩性 在进行袋式除尘滤料的选用时， 滤料的热收缩性 是评价滤料热尺寸稳定性的指标。为实现滤袋与袋 笼之间的良好配合， 避免滤袋因温度产生的变形影响 滤袋的使用寿命， 必须重视滤料的热尺寸稳定性， 而 纤维的热尺寸稳定性直接影响滤袋的热收缩性， 因此 对五种聚苯硫醚纤维热收缩率进行了对比试验 见 图 2 。 图 2五种聚苯硫醚纤维热收缩率对比 Fig． 2Comparison of thermal shrinkage of 5 PPS fibers 如图 2 所示， 经过 180 ℃处理 30 min 后， 纤维 D 的热收缩率仅为 0. 39， 纤维 C 的热收缩率为 0. 76， 这两种纤维在热收缩率方面明显优于其他三 种纤维， B、 A、 E 三种纤维的热收缩率是上述两种纤 维的 3 倍以上， 分别为 2. 80、 3. 24 和 3. 48， 这 反映了纤维在高温下的热尺寸稳定性的差异。 2. 4纤维热稳定性分析 通过热重分析 Thermogravimetric Analysis， TG 或 TGA ， 可以测量纤维的质量变化与温度变化的关系， 从而对 PPS 纤维的热稳定性进行分析， 这可以从微 观角度阐述材料本身的耐热性， 这对于了解 PPS 滤 袋在袋式除尘高温环境下的适用温度范围有重要意 义。纤维的起始分解温度、 终止温度时的残余质量可 用于表示材料的稳定性， 起始分解温度越高， 其耐热 稳定性越好; 终止温度时的残余质量越高， 裂解产物 中的可燃性气体越少， 由于残渣的吸热量比较大， 使 纤维燃烧放出的热量也相应减少， 纤维难以裂解， 阻 止了材料的继续燃烧， 因而使得其阻燃性及耐高温性 也相应较高 ［6 ］。 本试验采用的升温起始点温度为 30 ℃， 升温速 率 10 ℃ /min， 采用 N2氛围， 图 3 和图 4 分别是五种 PPS 纤维的热失重 TG 和差热分析 DTA 对比图。 由图 3 可见， PPS 纤维在 200 ℃前没有明显的质量损 失， 五种纤维的质量分数均保持在 99. 8 以上。随 着温度的继续升高， 当温度超过起始分解温度之后， 五种试样的质量逐步开始出现大量损失， 纤维的高分 子链段开始断裂， 同时伴随着小分子物质的产生及气 体的释放， 且下降的速率也基本一致， 这五种 PPS 纤 维在氮气中的最大分解温度均≥570 ℃， 即使在 630 ℃的高温下仍能保持 50以上的质量， 这与多篇 文献中的描述是一致的［7- 9 ］。当温度高于 600 ℃ 之 后， 纤维的分解还在继续， 但分解速率变缓， 质量保持 率基本平稳。 不同厂家的 PPS 纤维的起始分解温度差异不 大， 在试验终止时残余质量上的大小差异在 10 以 内， 到试验终止温度 800 ℃时， 按各纤维残余质量分 数由大到小依次为 59. 7、 56. 4、 55. 1、 52. 0、 48. 1， 对应的纤维品种分别为 A、 D、 C、 B、 E。可见， PPS 纤维材质本身之间差异不大， 具有良好的耐 热性。 差热分析 Differential Thermal Analysis， DTA 是 动态温度分析技术， 可以记录样品随温度变化而产生 97 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 图 3五种聚苯硫醚纤维热失重曲线 Fig． 3TG curves of 5 PPS fibers 图 4五种聚苯硫醚纤维差热分析曲线 Fig． 4DTA curves of 5 PPS fibers 的热效应。峰顶向上的峰为放热峰， 向下的为吸热 峰。由图 4 可见， 随着处理温度的升高， PPS 纤维在 125 ℃ 开始出现放热效应， 此时纤维发生结晶放热， 在 200 ℃左右出现第一个放热峰， 并且五种纤维之间 存在差异， E 纤维放热峰最大， D 纤维最小， 可见 E 纤 维的放热效应最大。280 ～ 290 ℃ 是 PPS 纤维的熔 点 ［10 ］， 在此转折点后纤维由放热反应迅速转变为吸 热反应， 在 500 ℃时出现较小的吸热峰， 此时 PPS 纤 维开始发生分解反应， 表现为吸热， 随后在 700 ～ 750 ℃时出现较大的吸热峰， 在此次吸热效应中， E 纤维吸热效应最大， A 纤维吸热效应最小。此外， 试 验样品量的大小也会对峰的大小产生影响， 在此不作 讨论。 3结论 对高温滤料市场常用的 5 种 PPS 纤维进行了拉 伸力学性能、 卷曲性能、 热收缩性能以及热稳定性能 的测试与分析， 得到的主要结论如下 1 纤维的断裂强度差异较小， 测值上下浮动在 10以内， 断裂伸长率存在一定差异， 测值区间浮动 为 23。 2 纤维卷曲数范围在 10. 3 ～14. 2 个/25 mm， 卷 曲率的测值范围为 5. 5 ～ 10. 7， 纤维间差异不 大， 这反映了纤维的柔软性相当， 因此在纤维的成纱 性上及纤维制品的柔软度无明显差距。 3 180 ℃的高温下处理30 min 后， 两种纤维的热 收缩率小于 1. 0， 其他三种纤维在 3左右。 4 PPS 纤维材质本身之间差异不大， 在 200 ℃前 没有明显的质量损失， 五种纤维的质量分数均保持在 99. 8以上， 这表明 PPS 纤维在其应用的高温除尘环 境下具有极好的热稳定性， 但是各种纤维吸热和放热 效应存在一定的差异。 参考文献 ［1］李刚， 刘婷， 陈彦模， 等． 聚苯硫醚纤维的研究及发展［J］． 合成 技术及应用， 2005， 20 3 30- 33． ［2］GB/T 143372008 化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法［S］． ［3］GB/T 143382008 化学纤维 短纤维卷曲性能试验方法［S］． ［4］李健， 黄庆， 李鑫． PGLA 纤维力学性能与结晶和取向度的关系 ［J］． 化纤与纺织技术， 2010， 39 1 1- 4． ［5］姚穆．纺织材料学 ［ M ］ ．3 版．北京 中国纺织出版社， 2009 39- 40． ［6］任家荣， 王锦， 俞镇慌． 芳砜纶纤维热处理力学性能分析［J］． 国际纺织导报， 2007 11 27- 33． ［7］杨杰． 聚苯硫醚树脂及其应用［M］． 北京 化学工业出版社， 2006． ［8］杨杰， 闫文学． 军工新材料 聚苯硫醚 PPS 介绍［J］． 材料 工程， 2006 8 66． ［9］JW S H earle． 高性能纤维［M］． 马渝茳， 译． 北京 中国纺织出 版社， 2004 328- 332， 351- 354． ［ 10］陈隆枢，陶晖． 袋式除尘技术手册［M］． 北京 机械工业出版 社， 2010． 第一作者 王振华 1985 － ， 女， 博士， 研究方向为工业除尘与高温过 滤材料研发。shandongzhenhua163． com 通讯作者 沈恒根 1955 － ， 男， 教授， 博士生导师， 主要从事空气污染 控制技术与理论、 工业环境空气质量控制技术研究。shenhg126． com 08 环境工程 Environmental Engineering