聚苯硫醚新型濾料的特點及應(yīng)用

蘇 磊，李 杰

（1.中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會，北京 100037；2.佛山斯樂普特種材料有限公司，廣東 佛山 528225）

聚苯硫醚新型濾料的特點及應(yīng)用

蘇 磊1，李 杰2

（1.中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會，北京 100037；2.佛山斯樂普特種材料有限公司，廣東 佛山 528225）

介紹并分析了聚苯硫醚新型濾料的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品性能特點，提出了聚苯硫醚新型濾料在袋式除塵行業(yè)中的應(yīng)用前景。

聚苯硫醚;濾料;袋式除塵;應(yīng)用

1 引言

聚苯硫醚（polyphenylene sulfide，簡稱PPS），是一種新型的高性能熱塑性樹脂。它是以苯環(huán)在對位上連接硫原子而形成大分子主鏈的線性、結(jié)晶聚合物，熔點285℃，分解溫度＞400℃，長期使用溫度可達160℃，阻燃性可達到UL94-0級，具有耐高溫、耐酸堿、耐腐蝕、阻燃性能好等特點。

聚苯硫醚主要應(yīng)用于電子電氣、汽車工業(yè)等領(lǐng)域，其消費量約占聚苯硫醚總消費量的40%。此外，聚苯硫醚樹脂還可以加工成纖維和薄膜。由于具備優(yōu)良的絕緣性和熱穩(wěn)定性，用PPS纖維制成的過濾袋特別適用于去除含有化學腐蝕性的煙氣粉塵，并具有相當長的使用壽命及優(yōu)異的除塵效果。使用聚苯硫醚纖維制成的過濾袋已成為電廠燃煤鍋爐煙氣除塵的首選濾料。

2 聚苯硫醚新型濾料的生產(chǎn)工藝

用于袋式除塵器的濾料主要為機織物、非織造材料和復(fù)合材料等。機織濾料由于生產(chǎn)成本低廉，在濾料市場上仍然占有一席之地；非織造材料為復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在有限的材料空間內(nèi)含有大量的微孔和彎曲通道，因而具有良好的過濾性能，是除塵濾袋的理想材料。

目前市場上的聚苯硫醚濾料主要采用短纖針刺氈的方法進行生產(chǎn)。其工藝流程有：

（1）短纖的生產(chǎn)工藝

聚苯硫醚切片→預(yù)結(jié)晶 → 干燥 → 熔體紡絲 → 卷繞集束 → 平衡 → 牽伸 → 熱定型 → 絲束切斷 → 打包。

（2）基布的生產(chǎn)工藝

PPS纖維原料準備 → 混合開松 → 梳理 → 并條 → 粗紗 → 細紗（分經(jīng)紗、緯紗兩種） → 絡(luò)筒 → 捻線 → 織前準備 → 織造 → 基布。

（3）針刺無紡布的生產(chǎn)工藝

將預(yù)先制成的PPS纖網(wǎng)層分別復(fù)合在PPS基布的正反兩面，通過截面為三角形的刺針的反復(fù)穿刺，使纖網(wǎng)層中的大部分纖維和基布牢固地纏結(jié)在一起，成為結(jié)構(gòu)緊密，并具有相當強度的薄片狀材料，即PPS針刺氈或PPS針刺過濾材料。

針刺氈采用非織造布有基布針刺工藝，在緊度很小的基布兩面刺上以單根纖維組成的絨層，一般在16～32層，產(chǎn)品形成立體結(jié)構(gòu)，故又稱三維濾料，它的總孔隙率可達80%以上。因該結(jié)構(gòu)系單纖維層層排列，所以布面形成眾多的孔，孔徑較小，且分布均勻又層層設(shè)防，能很好地發(fā)揮各種捕集作用，與機織布相比，針刺氈具有捕塵效率高、透氣性好、阻力低、處理煙氣效果好等優(yōu)點。

但該生產(chǎn)技術(shù)也存在工藝流程長、所需設(shè)備和勞動力多、生產(chǎn)效率較低、生產(chǎn)成本高等缺點。并且需要在兩層短纖中增加一層機織布作為增強材料，使得針刺氈過濾材料比常規(guī)的非織布產(chǎn)品的透氣度偏小、過濾周期偏短。

通過對聚苯硫醚樹脂的紡絲特性及后加固工藝的研究，通過大量的試驗，確定了一種新型的聚苯硫醚濾料的生產(chǎn)工藝。該工藝不僅在纖維生產(chǎn)上應(yīng)用了紡粘技術(shù)，而且在后加固的過程中采用了針刺與水刺結(jié)合的工藝，集成了目前世界上各種先進加工工藝技術(shù)。新型濾料的具體生產(chǎn)工藝流程如下：

切片預(yù)結(jié)晶 → 干燥 → 熔融擠壓 → 熔體過濾 → 紡絲 → 緩冷 → 側(cè)吹風冷卻→ 氣流牽伸 → 擺絲成網(wǎng) → 針刺 → 水刺 → 熱定型 → 后整理 → 卷繞。

由上可知，聚苯硫醚新型濾料采用的是從樹脂到濾材的一種簡潔的工藝流程，所有生產(chǎn)工序均集中在同一企業(yè)內(nèi)，大大減少了生產(chǎn)流程和設(shè)備，節(jié)省了勞動力，降低了成本。其產(chǎn)品的組成為100%聚苯硫醚連續(xù)性長絲，與傳統(tǒng)的短纖維+機織布的短纖針刺產(chǎn)品的組成完全不同。連續(xù)性的長絲大大提高了產(chǎn)品的力學性能，毋需機織機的結(jié)構(gòu)又提升了產(chǎn)品的過濾性能并有效降低了生產(chǎn)成本。

新型濾料在后加固的工藝上，采用的是先進的針刺與水刺結(jié)合的工藝。針刺可以使纖維纏結(jié)良好，缺點是會對纖維造成一定的損傷；水刺對纖維基本沒有損傷，但是在生產(chǎn)高標重產(chǎn)品時，纖維的纏結(jié)度不夠而有分層現(xiàn)象。通過將針刺與水刺結(jié)合，充分發(fā)揮了兩種工藝的優(yōu)點并消除了兩種工藝的缺點。采用針刺與水刺結(jié)合的加固工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，纖維纏結(jié)好，布面外觀良好，產(chǎn)品力學性能優(yōu)異，過濾精度好，過濾周期長。

針刺工藝和水刺工藝的區(qū)別示意見圖1；梯度過濾示意見圖2。

新型濾料采用4S紡絲技術(shù)，濾料由四層纖網(wǎng)構(gòu)成，每層纖網(wǎng)的纖維纖度均可以獨立調(diào)節(jié)。在過濾的迎風面的纖維纖度可以小至1dtex，有效地提高了過濾精度，使濾料接近達到表面過濾的效果；在過濾的背風面，采用了纖度高達6dtex的粗纖維作為骨架材料，提高了產(chǎn)品的透氣性能和力學性能。通過采用不同纖度纖維的組合，使產(chǎn)品兼顧了過濾濾精度和過濾壽命的兩種矛盾的需求。

圖1 針刺工藝和水刺工藝的區(qū)別示意

圖2 梯度過濾示意

3 聚苯硫醚新型濾料產(chǎn)品的性能特點

3.1 力學性能

聚苯硫醚新型濾料的力學性能如圖3所示。

圖3 聚苯硫醚新型濾料的力學性能

由圖3可知，聚苯硫醚新型濾料的綜合拉伸強力與聚苯硫醚短纖550g/m2產(chǎn)品相差不大，但是新型濾料的縱向強力大于橫向強力，而短纖產(chǎn)品正好相反。這是因為短纖產(chǎn)品采用了橫向鋪網(wǎng)，因此其橫向強力大于縱向強力；而新型濾料由于采用的是連續(xù)長絲機械成網(wǎng)，纖維在橫向的排列數(shù)目較少，加上后加固過程的拉伸作用，導(dǎo)致了產(chǎn)品的縱向強力大于橫向強力。

3.2 靜態(tài)過濾性能

表1為各種聚苯硫醚材料產(chǎn)品的透氣性能比較。圖4為450g/m2的聚苯硫醚新型濾材的孔徑分布情況。

表1 各種聚苯硫醚材料產(chǎn)品的透氣性能比較

圖4 450g/m2的聚苯硫醚新型濾材的孔徑分布情況

由表1可知，PPS紡粘產(chǎn)品的透氣度小于短纖產(chǎn)品，但大于短纖覆膜產(chǎn)品。由圖4可見，聚苯硫醚新型濾料的孔徑分布較為集中，其中孔徑為2μm的孔洞占了50%以上。這是由于聚苯硫醚新型濾料在生產(chǎn)過程中采用了針刺與水刺結(jié)合的加固方式，纖維的纏結(jié)十分均勻，孔徑分布相對集中。而短纖針刺的PPS濾料的孔徑平均值在20μm左右，遠遠大于聚苯硫醚新型濾料的孔徑平均值。

圖5為450g/m2的聚苯硫醚新型濾料對2μm粒徑的粉塵的過濾效率。

圖5 450g/m2的聚苯硫醚新型濾料的過濾效率

由圖5可看出聚苯硫醚新型濾料與短纖產(chǎn)品相比，過濾效率大大提高，甚至其過濾效率可接近短纖覆膜產(chǎn)品的水平，因此該產(chǎn)品不需要再進行覆膜就已經(jīng)可以達到高過濾精度。這可能是因為聚苯硫醚新型濾料采用了針刺加水刺的加固形式，孔徑分布集中且孔徑較小，因此過濾效率高。另外，該產(chǎn)品中長纖維絕大部分與過濾時的氣流呈垂直方向，單纖維的有效過濾面積和過濾效率較高，因此該新型濾料的過濾效率相當高。而短纖維針刺生產(chǎn)的過濾材料，其較多纖維與過濾時的氣流呈平行方向，因此其單纖維的有效過濾面積及過濾效率較低，并且中間的機織布層的過濾效率更差，因此其的過濾效率不如新型濾料產(chǎn)品。

3.3 動態(tài)過濾性能

表2為未熱定型前PPS新型濾料的動態(tài)過濾性能測試結(jié)果。

表2 PPS新型濾料動態(tài)過濾性能測試結(jié)果

由表2可知，PPS新型濾料具有優(yōu)異的動態(tài)過濾性能，其過濾精度高，粉塵剝離效果好，過濾周期長。

3.4 其他性能

對PPS新型濾料進行馬丁代爾耐磨試驗，其耐磨次數(shù)高達2000次，遠遠大于短纖的1200次，這是因為新型濾料由100%的長絲構(gòu)成，其耐磨性是所有纖維耐磨性的集合，而短纖產(chǎn)品在部分纖維被磨損后，一些未磨損的纖維也會隨之脫落，因而耐磨性不如紡粘長絲產(chǎn)品。

3.5 小結(jié)

總的來說，聚苯硫醚新型濾料與短纖針刺濾料比，其力學綜合性能差異不大，但是力學性能縱橫比有較大差異；聚苯硫醚新型濾料的透氣度不如短纖針刺濾料，但是由于新型濾料的孔徑分布較小，其過濾機理接近于覆膜濾料的表層過濾機理。而短纖產(chǎn)品的孔徑較大，屬于深層過濾，其使用過程中先要經(jīng)過一個預(yù)涂灰的過程，需要粉塵在纖維上積聚才能起到較好的過濾效果，因此，短纖產(chǎn)品在實際的使用過程中，透氣度與未使用之前的潔凈濾料有較大差異，而新型濾料不需要預(yù)涂灰，其實際使用時的透氣度與潔凈濾料相差無幾，因此其在實際使用中透氣度優(yōu)于短纖產(chǎn)品。由此可見，聚苯硫醚新型濾料在袋式除塵行業(yè)的實際使用中具有很大的優(yōu)勢，值得廣泛推廣使用。

4 應(yīng)用前景

聚苯硫醚紡織品具有優(yōu)異的耐熱性、耐腐蝕性和阻燃性，尤其適宜在酸、堿高溫等惡劣條件下使用。主要應(yīng)用于煙氣具有腐蝕性的高熱環(huán)境下，如：燃煤電廠、燃煤鍋爐、垃圾焚燒爐、水泥廠的袋濾室和煙道氣過濾器，也可應(yīng)用于化學、石化、醫(yī)療、飲料等領(lǐng)域，過濾溫度可達205℃的多種液體，包括水、牛奶、胺、醇、環(huán)丁砜、二氯甲烷、石腦油及氫氧化鉀等，另外還可做電絕緣材料、阻燃材料、復(fù)合材料、耐熱耐腐蝕材料等，是廣泛應(yīng)用的高技術(shù)紡織材料。

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，特別是近年來人們的環(huán)境保護意識越來越強，國家對工業(yè)粉塵排放的標準也越來越嚴格。我國2003年修訂了火電廠燃煤鍋爐的煙塵排放標準，將粉塵排放濃度由原來的≤200mg/Nm3提高為≤50mg/Nm3，沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的一些城市和企業(yè)已將煙塵、粉塵排放標準提高到≤30mg/m3或≤20mg/Nm3，甚至≤10mg/Nm3。在此排放標準的要求下，燃煤電廠必須采用袋式除塵器取代靜電除塵器，才可使煙氣排放濃度達到≤50mg/Nm3，甚至更低。

PM2.5已正式納入國家《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》，PM2.5監(jiān)測將于明年開始在我國重點區(qū)域?qū)嵤?。由此可見，國家對空氣監(jiān)測及治理的力度將不斷加大。作為燃煤鍋爐煙氣除塵的首選濾材，聚苯硫醚濾材的需求將會有一個巨大的增長。

我國2010年的電力裝機容量達到8.59億kW，按保守的估算，每kW裝機容量需要濾料0.25m2（500g/m2），若50%的電廠采用袋式除塵裝置，則一次裝機就需要PPS纖維6.36萬t，并且每年更換濾料需PPS纖維2.12萬t。隨著國家環(huán)保相關(guān)政策的出臺，粉塵排放標準將會進一步趨嚴，袋式除塵器的應(yīng)用范圍將會越來越大，其所占的市場份額將會超過50%。因此，聚苯硫醚濾料的市場需求將是非常大的。

目前，聚苯硫醚纖維的生產(chǎn)商主要有日本東麗、東洋紡、四川德陽、江蘇瑞泰等公司。而聚苯硫醚短纖針刺濾料的生產(chǎn)主要有必達福、奧伯尼、三維絲、博格等企業(yè)。雖然國內(nèi)從事聚苯硫醚濾料的相關(guān)企業(yè)不少，但濾料的高端產(chǎn)品還是被外國企業(yè)壟斷。因此如何打破國外技術(shù)的限制和封鎖，滿足國民經(jīng)濟以及軍工各領(lǐng)域?qū)郾搅蛎褳V材的需求，將成為我國聚苯硫醚產(chǎn)業(yè)下一步的發(fā)展方向。

聚苯硫醚新型濾料的面世，開創(chuàng)了我國聚苯硫醚濾料的技術(shù)先河。該產(chǎn)品為國內(nèi)外首創(chuàng)，具有完全自主的知識產(chǎn)權(quán)。聚苯硫醚新型濾料產(chǎn)品打破了國外企業(yè)在高端產(chǎn)品上的壟斷地位，具有相當?shù)母偁幜?，產(chǎn)品應(yīng)用前景十分廣闊。

Characteristic & Application of New Filter Materials of Polyphenylene Sulfide

SU Lei1, LI Jie2
(1.China Association of Environmental Protection Industry, Beijing 100037;2.Foshan S. L. P. Special Materials Co., Ltd, Foshan Guangdong 528225, China)

The paper presents and analyzes the production technology and characteristic of product’s performance on new filter materials of polyphenylene sulfide; puts forward the application foreground of new filter materials of polyphenylene sulfide in bag precipitation industry.

polyphenylene sulfide; filter material; bag precipitation; application

X701.2

A

1006-5377（2012）04-0039-04