丙綸濾料LB500和LB550的耐酸腐蝕性能比較

李岱霖，劉 洋，龍降雪，葉妍萍，楊麗君，洪和平，邱新標(biāo)

（1.廈門理工學(xué)院環(huán)境工程系，福建 廈門 361024；2.廈門美達(dá)斯環(huán)保工業(yè)有限公司，福建 廈門 361027）

近年來隨著鋼鐵、冶金、水泥、化工等行業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)煙塵尾氣的排放量相應(yīng)劇增，懸浮顆粒物含量超標(biāo)引起的大氣環(huán)境污染將導(dǎo)致環(huán)境效應(yīng)、氣候效應(yīng)和健康效應(yīng)不同程度的惡化[1].我國“十一五”規(guī)劃綱要中明確提出將微細(xì)顆粒物作為城市大氣污染物防治的重點(diǎn)[2].在眾多除塵技術(shù)中，袋式除塵的突出特點(diǎn)是除塵效率高，實(shí)驗(yàn)室條件下凈化率高達(dá)99.9999%，實(shí)際應(yīng)用中可達(dá)到99.9%[3].此外，袋式除塵設(shè)備具有投資成本低、占地面積小、處理風(fēng)量大、運(yùn)行和維修操作簡易方便等眾多優(yōu)勢(shì)，得到工業(yè)煙塵尾氣治理行業(yè)的廣泛推崇，截至2009年，其應(yīng)用數(shù)量約占各類除塵器總量的60%以上[4].過濾材料（濾料）是袋式除塵器的核心部件之一，其自身性能將直接影響實(shí)際除塵效率和除塵效果.丙綸由丙烯單體經(jīng)分子間聚合而成，具有成本低、密度小、通透性高、拉伸強(qiáng)度大等優(yōu)勢(shì)，成為一種常見的袋式除塵常溫濾料.在酸性尾氣工況條件下，丙綸可能由于酸性物質(zhì)如SOx、NOx的腐蝕加劇老化，容易產(chǎn)生破損，縮短使用壽命.這一缺陷限制了丙綸在除塵行業(yè)的應(yīng)用，一定程度上增加了袋式除塵的運(yùn)行成本.針對(duì)上述使用現(xiàn)狀，本文選取2種丙綸濾料為研究對(duì)象，通過模擬不同工況使用條件，比較二者的耐酸腐蝕性能，旨在為丙綸表面改性研究提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料由廈門某企業(yè)自主生產(chǎn)提供，涉及型號(hào)LB500和LB550的丙綸織物產(chǎn)品，由于投料比例不同，二者的自身克重不同，分別為500 g/m2和550 g/m2.實(shí)驗(yàn)試樣的制備以《織物斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長的測(cè)定》（GB3923－97）為標(biāo)準(zhǔn)，即采取平行剪裁法將丙綸產(chǎn)品裁剪成長20 cm、寬5 cm的樣條.

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要涉及:Nicolet380型紅外光譜儀，美國熱電集團(tuán)公司產(chǎn)品；YG026B型電子織物強(qiáng)力機(jī)，常州正大通用紡織儀器有限公司產(chǎn)品；DK－S22型電熱恒溫水浴鍋，上海精宏公司產(chǎn)品.

1.2 耐酸腐蝕實(shí)驗(yàn)

利用溶液腐蝕實(shí)驗(yàn)法，將丙綸試樣浸泡于盛裝有H2SO4溶液的燒杯中，并將燒杯放置于電熱恒溫水浴鍋中.通過控制表1所示的酸度、溫度和腐蝕時(shí)間3因素實(shí)驗(yàn)水平，考察LB500和LB550的老化失效過程.

表1 丙綸耐酸腐蝕實(shí)驗(yàn)因素水平Tab.1 Experimental factors and levels of polypropylene acid corrosion resistance

1.3 性能測(cè)試

（1）斷裂強(qiáng)力測(cè)試:斷裂強(qiáng)力指濾料發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力.由袋式除塵原理所致，濾料在使用過程中將持續(xù)受到高通量含塵尾氣的慣性碰撞和定期清灰引起的拉伸、扭曲、收縮、膨脹等機(jī)械磨損作用.對(duì)于腐蝕前后的濾料，可以借助斷裂強(qiáng)力指標(biāo)反映其耐久性，評(píng)價(jià)耐腐蝕性能.丙綸試樣的斷裂強(qiáng)力測(cè)試參照《織物斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長的測(cè)定》（GB3923－97），在電子織物強(qiáng)力機(jī)上完成.為直觀反映腐蝕樣的耐腐蝕性能變化，本文根據(jù)（1）式計(jì)算了斷裂強(qiáng)力保持率λi:

式中:fi和f0分別表示腐蝕樣和空白樣的斷裂強(qiáng)力.

（2）紅外光譜測(cè)試:借助紅外光譜儀，分別對(duì)丙綸空白樣和腐蝕試樣（不同酸度條件下于80℃浸泡60 h）進(jìn)行了紅外光譜測(cè)試，從微觀分子組成水平考察丙綸的老化過程，對(duì)其耐腐蝕性能的變化規(guī)律做出較合理的解釋.

2 結(jié)果與討論

2.1 斷裂強(qiáng)力保持率分析

同一溫度條件下隨酸度增加，LB500和LB550兩種試樣的斷裂強(qiáng)力保持率變化情況如圖1～圖3所示.

圖1 40℃時(shí)LB500和LB550的斷裂強(qiáng)力保持率Fig.1 Breaking strength retention of LB500 and LB550 under 40℃

圖2 60℃時(shí)LB500和LB550斷裂強(qiáng)力保持率Fig.2 Breaking strength retention of LB500 and LB550 under 60℃

由圖1可見，40℃時(shí)，隨著酸度的增加，LB500和LB550的經(jīng)、緯向λ保持在80%以上，均表現(xiàn)出較好的耐酸腐蝕性能.LB500空白樣的經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力分別為1371和1110N，低于LB550的1439和1140N；酸度70%、經(jīng)歷60 h腐蝕，LB500的經(jīng)、緯向λ分別為92.41%和92.07%，而LB550的分別為90.67%和94.12%，表明LB500的經(jīng)、緯向耐腐性能略遜于LB550.

圖3 80℃時(shí)LB500和LB550斷裂強(qiáng)力保持率Fig.3 Breaking strength retention of LB500 and LB550 under 80℃

由圖2和圖3可見，60℃時(shí)，相對(duì)于LB550，LB500經(jīng)、緯向λ開始表現(xiàn)出較明顯的降低趨勢(shì)；80℃時(shí)LB500經(jīng)向λ甚至低于40%，而LB550的經(jīng)、緯向λ仍保持在80%以上，耐腐蝕性能優(yōu)勢(shì)更加顯著.

由此可見，LB550的耐酸腐蝕性能優(yōu)于LB500，隨著溫度升高，優(yōu)勢(shì)愈發(fā)顯著.

2.2 紅外光譜分析

2種試樣的紅外譜圖如圖4所示.

圖4 LB500和LB550空白及腐蝕樣的紅外譜圖Fig.4 Infrared spectrum images of blank and corrosion samples of LB500 and LB550

圖4（a）LB500紅外譜圖顯示:隨著酸度的增加，空白樣1640 cm-1附近的吸收峰逐漸減弱，酸度達(dá)到70%，該峰幾乎消失；腐蝕樣1710 cm-1附近產(chǎn)生了吸收峰，吸收強(qiáng)度逐漸增加.產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能是:聚丙烯纖維中存在叔碳原子，由于甲基誘導(dǎo)效應(yīng)一定程度上增加了其反應(yīng)活性，使其容易被氧化[5]；此外，纖維中含有少量不飽和碳碳雙鍵（1640 cm-1），被氧化的可能性有所提高.在較高溫度（80℃）下，隨著酸度的增加，H2SO4提供酸性介質(zhì)的同時(shí)，表現(xiàn)出不同程度的氧化性，將長期浸泡的LB500氧化成羰基類化合物，產(chǎn)生1710 cm-1附近的羰基碳氧伸縮振動(dòng)吸收峰.早期研究報(bào)道顯示，聚丙烯氧化的主要產(chǎn)物包括醛、羧酸和酮類化合物[6]，分子中均含有碳氧雙鍵，本文紅外測(cè)試結(jié)果有力支持了這一結(jié)論.

圖4（b）LB550紅外譜圖與LB500的顯著差異在于:空白樣1640 cm-1附近的吸收峰強(qiáng)基本不變，腐蝕樣1710 cm-1附近并未產(chǎn)生新的吸收峰，表明LB550并未發(fā)生類似的氧化作用.原因可能是LB550纖維密度大，經(jīng)、緯向致密程度較高，延緩了H2SO4的滲透過程，造成纖維內(nèi)部短期內(nèi)（60 h）酸度較低，氧化作用較弱.

此外，LB500和LB550的紅外譜圖較好地解釋了二者耐酸腐蝕性能的變化規(guī)律.在80℃下，LB500的氧化程度隨酸度增加而加?。ㄈ鐖D4（a）），引起耐腐蝕性能顯著降低（如圖3）；相同條件下的LB550在分子官能團(tuán)組成上基本保持不變（如圖4（b）），經(jīng)、緯向λ因此均保持在80%以上（如圖3），其耐腐蝕性能小幅降低的原因可能是分子鏈間非鍵相互作用遭到部分破壞.

3 結(jié)論

利用溶液腐蝕實(shí)驗(yàn)法，在酸度、溫度和時(shí)間3因素實(shí)驗(yàn)水平下，比較了LB500和LB550的耐酸腐蝕性能.結(jié)果表明:同一實(shí)驗(yàn)條件下，LB550的耐酸腐蝕性能優(yōu)于LB500，溫度越高，優(yōu)勢(shì)越顯著；造成耐酸腐蝕性能降低的原因可能是LB550分子鏈間非鍵相互作用遭到部分破壞，而LB500發(fā)生了氧化作用.因此針對(duì)丙綸的表面改性有待從提高其抗氧化性方面著手.

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[2]王春燕.實(shí)現(xiàn)污染減排目標(biāo)的有力保障[J].中國石油和化工，2007（9）:17-19.

[3]李然然，楊景玲.袋式除塵器在抗酸抗腐蝕性方面研究的現(xiàn)狀[C]//全國袋式過濾技術(shù)研討會(huì)論文集.廈門:中國環(huán)保協(xié)會(huì)袋式除塵委員會(huì)，2005:12.

[4]中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)袋式除塵委員會(huì).我國袋式除塵行業(yè)2009年發(fā)展綜述[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2010（8）:11-17.

[5]EDWARD P J.Polypropylene Handbook:Polymerization，Characterization，Properties，Processing，Applications[M].Cincinnati:Hanser Gardner Publications，1996:114-123.

[6]JAMES C W，CHIEN，BOSS C R.Polymer reactions V:Kinetics of autoxidation of polypropylene[J].Journal of Polymer Science:Part A-1，1967，5:3091-3101.