有機(jī)耐高溫纖維及其在過濾材料中的應(yīng)用

青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071

有機(jī)耐高溫纖維及其在過濾材料中的應(yīng)用

彭孟娜馬建偉

青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071

介紹5種有機(jī)耐高溫纖維及其過濾材料的性能特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域及國內(nèi)外生產(chǎn)狀況，同時(shí)對(duì)國產(chǎn)有機(jī)耐高溫過濾材料的發(fā)展方向提出建議，為更好地選用有機(jī)耐高溫過濾材料提供依據(jù)。

有機(jī)耐高溫纖維，過濾材料，應(yīng)用

耐高溫纖維是指在180 ℃以上的溫度條件下可長時(shí)間使用的纖維，即在此高溫條件下能維持常溫條件下所具備的物理力學(xué)性能或經(jīng)較長使用時(shí)間后仍具備最低限度的物理力學(xué)性能的纖維[1]。耐高溫過濾材料作為新型濾材，雖然起步較晚，但是其后層出不窮的產(chǎn)品逐漸填補(bǔ)了耐高溫濾料市場上的空白，且應(yīng)用場合越來越苛刻，其應(yīng)用范圍廣，并具有許多附加功能，如抗靜電、去異味、殺菌等[2]。

有機(jī)耐高溫纖維主要有聚苯硫醚(PPS)纖維、聚酰亞胺(P84)纖維、聚四氟乙烯(PTFE)纖維、芳砜綸(PSA纖維)、間位芳綸(MPIA纖維)等。通常，耐高溫過濾材料主要含一種或幾種有機(jī)耐高溫纖維。不同的耐高溫纖維，其物理化學(xué)性能及價(jià)格都存在差異。本文共討論上述5種有機(jī)耐高溫纖維的特性及其在過濾材料中的應(yīng)用。

1 部分有機(jī)耐高溫纖維的特性及應(yīng)用

1.1PPS纖維及其濾料

1.1.1 特性及應(yīng)用領(lǐng)域

PPS纖維分子特殊的結(jié)構(gòu)決定了其優(yōu)異的物理力學(xué)性能。表1列出了PPS纖維的主要性能指標(biāo)。

表1 PPS纖維的主要性能指標(biāo)

從表1可以看出，PPS纖維的耐高溫性能極好，其極限氧指數(shù)和熱分解溫度均較高，且高于P84、PSA、MPIA纖維；PPS纖維的回潮率較低，適宜制成針刺非織造布[3]；PPS纖維具有良好的力學(xué)性能及優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，這主要是因?yàn)槔w維分子結(jié)晶度高。但PPS濾料的耐氧化性稍差，當(dāng)煙氣含氧量超過15%時(shí)，就不能使用該種濾料了[4]。在正常工作溫度下，PPS濾袋的使用壽命可超過3年，可作為耐高溫濾材的主流纖維。

由于PPS纖維的價(jià)格昂貴，因此廣泛應(yīng)用于對(duì)環(huán)境要求苛刻的高端應(yīng)用領(lǐng)域，如垃圾焚燒爐、水泥廠、阻燃、化學(xué)品過濾、火力發(fā)電煙道除塵等。

1.1.2 生產(chǎn)廠家

日本的東洋紡織公司(TOYOBO)和東麗集團(tuán)(TORAY)、美國的菲利普公司(FIT)及法國的羅地亞公司(NEXIS)等是較大的PPS纖維生產(chǎn)廠家。

我國的PPS纖維生產(chǎn)起步較晚，主要有福建廈門三維絲環(huán)保股份有限公司、四川得陽科技股份公司、江蘇瑞泰科技有限公司、江蘇世財(cái)環(huán)?？萍加邢薰?、遼寧營口耐斯特環(huán)?？萍加邢薰?、浙江海寧新能紡織有限公司、廣東佛山市斯樂普特種材料有限公司等企業(yè)生產(chǎn)PPS纖維產(chǎn)品。

福建廈門三維絲環(huán)保股份有限公司生產(chǎn)的主要產(chǎn)品之一是“普耐”牌PPS針刺氈。四川得陽科技股份有限公司是首次實(shí)現(xiàn)PPS從樹脂到纖維的全程國產(chǎn)化的企業(yè)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。江蘇瑞泰科技有限公司是國內(nèi)首家實(shí)現(xiàn)PPS短纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)，目前，其PPS短纖的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已與日本東麗集團(tuán)產(chǎn)品接近，且長絲部分實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。江蘇世財(cái)環(huán)保科技有限公司主要生產(chǎn)PPS長絲基布及PPS纖維與玻纖基布復(fù)合品，其中，PPS纖維從美國、日本等地進(jìn)口。廣東佛山市斯樂普特種材料有限公司成功建成了國內(nèi)首條PPS紡黏針刺非織造布生產(chǎn)線，用這種非織造布制成的濾袋填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

我國是PPS纖維的應(yīng)用大國，使用量超過世界PPS纖維使用量的一半[5-6]。隨著國家對(duì)環(huán)保要求的提高，高性能PPS濾袋在高溫除塵領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛[7]。

1.2P84纖維及其濾料

1.2.1 特性及應(yīng)用領(lǐng)域

表2列出了P84纖維的主要性能指標(biāo)。

表2 P84纖維的主要性能指標(biāo)

P84纖維截面為不規(guī)則葉片狀，這一特殊結(jié)構(gòu)使其具有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是纖維表面積大大增加，阻塵與捕塵能力及過濾效率明顯提高；二是其內(nèi)應(yīng)力大小不同且分布不均勻，因此纖維自然卷曲，纖維間抱合力和纏結(jié)力增強(qiáng)[8]。P84由一種縮聚型聚合物制成，不耐水解，且在酸堿環(huán)境中易被腐蝕。因此，使用P84濾袋時(shí)，需對(duì)廢氣進(jìn)行一定的前處理(如脫硫)，降低氮氧化合物含量、硫氧化合物含量、含氧量、含水量等[9]。

P84纖維常與其他纖維復(fù)合，如玻璃纖維，使用比例隨使用環(huán)境不同而異。復(fù)合后，兩種纖維的優(yōu)點(diǎn)都得到充分發(fā)揮。濾袋商品如氟美斯(FMS)，它是在玻纖針刺氈基布上添加P84纖維而制成的，氈層更緊密，纖維間纏結(jié)增強(qiáng)，能應(yīng)對(duì)更高的過濾風(fēng)速[10]。

P84纖維制成的濾料的工作溫度為260 ℃，瞬間工作溫度可達(dá)280 ℃，且粉塵不會(huì)滲進(jìn)濾料，在減少壓力降的同時(shí)，剝離性能增強(qiáng)，適用于粉塵量巨大或排放濃度要求較高的場合，如水泥廠、熱式焚化爐、電石廠等。

1.2.2 生產(chǎn)廠家

奧地利蘭精集團(tuán)(LENZING)是國外生產(chǎn)P84纖維的主要廠家之一[11]。國內(nèi)生產(chǎn)P84濾布的主要廠家有四川勝鑫公司、江蘇世財(cái)環(huán)?？萍加邢薰?、上海菲爾特工業(yè)用布有限公司等。

江蘇世財(cái)環(huán)?？萍加邢薰炯吧虾７茽柼厣a(chǎn)的P84耐高溫針刺過濾氈系列產(chǎn)品均選用奧地利蘭精集團(tuán)生產(chǎn)的P84纖維，江蘇世財(cái)環(huán)?？萍加邢薰臼菄鴥?nèi)批量生產(chǎn)此種濾料的首家企業(yè)，其濾料通常與玻璃纖維復(fù)合。

1.3PTFE纖維及其濾料

1.3.1 PTFE纖維及其濾料的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

表3所示為PTFE纖維的主要性能指標(biāo)。

表3 PTFE纖維的主要性能指標(biāo)

PTFE纖維是氟聚合物纖維中最具代表性的高性能纖維，分為PTFF棕色纖維和PTFF白色纖維[12]。PTFE纖維分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，分子間作用力大，分子鏈排列有序，可承受各種強(qiáng)氧化物的作用且不易發(fā)生水解，因而能適應(yīng)高溫和化學(xué)作用聯(lián)合影響的環(huán)境。PTFF纖維的熔點(diǎn)為327 ℃，其工作溫度為280 ℃，瞬間工作溫度可達(dá)到300 ℃[13]。

PTFE濾袋與硬質(zhì)表面接觸時(shí)，其摩擦系數(shù)極大，但當(dāng)煙氣壓力增大時(shí)，濾材的摩擦系數(shù)顯著降低。因此，生產(chǎn)中一般將PTFE纖維與其他材料復(fù)合，如混合一定比例的玻璃纖維、耐高溫纖維和耐酸堿纖維[14]。另外，將PTFE纖維按其細(xì)度分級(jí)，可以生產(chǎn)梯度復(fù)合針刺氈濾料。

普通PTFE濾料適用于環(huán)境溫度較高、含塵濃度較大的場合，是垃圾焚燒等高溫?zé)煔獬龎m領(lǐng)域理想的過濾材料。PTFE覆膜濾袋的過濾效率高，使用壽命長，且清灰容易，常應(yīng)用在去油、去水等特殊煙氣環(huán)境中[15]。

1.3.2 生產(chǎn)廠家

奧地利蘭精集團(tuán)生產(chǎn)的PTFE纖維濾料性能優(yōu)異[15]。美國戈?duì)柟咀钕乳_發(fā)出新型復(fù)合PTFE覆膜濾料，其表面是膨體聚四氟乙烯(ePTFE)微孔薄膜，孔徑約1～2 μm，基底是PTFE纖維或玻璃纖維等制成的針刺氈或機(jī)織物[16]。

上海博格工業(yè)用布有限公司的過濾材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，其產(chǎn)品在質(zhì)量、品種、產(chǎn)量上均處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，其中高溫濾料FMS性能優(yōu)異。南京英斯瑞德高分子材料股份有限公司主要生產(chǎn)耐磨、耐腐蝕、耐溫的過濾材料。天鼎峰非織造布有限公司生產(chǎn)的PTFE濾料中通常復(fù)合玻璃纖維及耐高溫纖維、耐酸堿纖維。江蘇奧凱環(huán)?？萍加邢薰局饕a(chǎn)PPS與PTFE復(fù)合的耐高溫除塵濾袋。宏祥新材料有限公司主要生產(chǎn)PTFE過濾氈，其采用純PTFE纖維經(jīng)過針刺或水刺加工制成。此外，還有上海凌橋環(huán)保設(shè)備廠有限公司、上海大宮新材料有限公司、浙江格爾泰斯環(huán)保特材科技有限公司等生產(chǎn)純PTFE濾料的廠家。

1.4PSA纖維及其濾料

1.4.1 特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

PSA纖維屬于對(duì)位芳綸系列，其學(xué)名為聚苯砜對(duì)苯二甲酰胺纖維[17]。PSA纖維的主要性能指標(biāo)見表4。

表4 PSA纖維的主要性能指標(biāo)

PSA纖維與Nomex(芳綸1313，美國杜邦公司生產(chǎn))同屬芳香族聚酰胺纖維，性能相似。與Nomex相比，PSA纖維的強(qiáng)度稍低，但在阻燃性、耐高溫性、耐氧化性、抗老化性能上的優(yōu)勢(shì)顯著。

在270 ℃以內(nèi)，PSA纖維的尺寸穩(wěn)定性及耐酸性良好，常用作耐高溫濾料，已在環(huán)保過濾材料等領(lǐng)域打破了國外壟斷[17]，廣泛應(yīng)用于煙道氣體除塵過濾袋、稀有金屬回收袋及耐酸堿和一般有機(jī)溶劑的過濾材料等方面[18]。

1.4.2 生產(chǎn)廠家

PSA纖維是由上海自主研發(fā)的，是我國耐高溫產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的一項(xiàng)核心技術(shù)[18]。目前，國產(chǎn)PSA纖維已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，而類似的纖維只有少數(shù)幾個(gè)國家能生產(chǎn)。上海特安綸纖維有限公司主要生產(chǎn)PSA纖維和PSA濾袋，后者主要與玻璃纖維、PPS纖維、PTFE纖維等復(fù)合。

1.5MPIA纖維及其濾料

1.5.1 特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

表5所示為MPIA纖維的主要性能指標(biāo)。

表5 MPIA纖維的主要性能指標(biāo)

MPIA纖維濾袋的工作溫度為204 ℃，瞬時(shí)工作溫度為240 ℃，耐磨耐折性較好，耐堿性一般，耐酸性差，抗水解能力也較差，但可進(jìn)行拒水防油后處理，提高抗水解性[19]37。

芳綸1313屬于間位芳綸，是一種集耐高溫、阻燃、絕緣等特性于一體的特種合成纖維,俗稱防火纖維[19]37，適合在高溫、無酸、含水較少的工況中使用，廣泛應(yīng)用于冶金、水泥、筑路等行業(yè)的高溫?zé)煔膺^濾。

1.5.2 生產(chǎn)廠家

Nomex最早由美國杜邦公司研制成功，1967年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。無論在國際市場上還是國內(nèi)市場上，目前已實(shí)現(xiàn)芳綸1313規(guī)?；a(chǎn)的企業(yè)屈指可數(shù)。美國、日本和蘇聯(lián)對(duì)間位芳綸的生產(chǎn)技術(shù)一直進(jìn)行壟斷，將其產(chǎn)品視為重要戰(zhàn)略物資。

煙臺(tái)氨綸股份有限公司于2004年率先實(shí)現(xiàn)了間位芳綸產(chǎn)業(yè)化，打破了國外公司的壟斷，且產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到了國際先進(jìn)水平，使我國成為世界上繼美國、日本、俄羅斯后第四個(gè)能批量生產(chǎn)芳綸的國家。煙臺(tái)泰和新材料公司是全球第二大間位芳綸供應(yīng)商，是國內(nèi)唯一一家擁有芳綸原料→纖維→制成品的完整產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)企業(yè)，其商品名為“泰美達(dá)”(Tametar)。香港圣歐集團(tuán)有限公司主要生產(chǎn)耐高溫阻燃X-FIPERTM芳綸纖維及相關(guān)產(chǎn)品。

2 國內(nèi)外高溫過濾行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)《2015年中國環(huán)境狀況公報(bào)》，2015年，全國338個(gè)地級(jí)以上城市中，空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)的城市占21.6%，主要污染物以細(xì)顆粒物(PM2.5)、臭氧(O3)和可吸入顆粒物(PM10)居多。其次，還存在NO2、SO2和CO等污染物。除塵器得到越來越廣泛的應(yīng)用，其中濾袋式除塵器是控制粉塵污染的主要選擇，而過濾袋的材料選用至關(guān)重要[20]。

迄今，全球耐高溫纖維的主要供應(yīng)商仍然是美國杜邦和日本帝人，最大的兩個(gè)區(qū)域市場主要集中在亞太地區(qū)和歐洲地區(qū)。其中，中國是全球最大的耐高溫纖維需求國。預(yù)計(jì)到2020年，耐高溫纖維的市場需求量的穩(wěn)定增長，主要依靠發(fā)展中國家的需求及發(fā)達(dá)國家向低成本亞洲國家進(jìn)行的工業(yè)轉(zhuǎn)移。

純高溫纖維濾料的生產(chǎn)成本較高。目前，主要采用既能發(fā)揮耐高溫纖維的特性又能降低新型濾袋生產(chǎn)成本的方法，開發(fā)更多的耐高溫復(fù)合濾料系列產(chǎn)品[21]。為打破國外技術(shù)限制和封鎖，滿足各領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芙Y(jié)構(gòu)材料的需求，我國耐高溫濾料產(chǎn)業(yè)下一步的發(fā)展方向：增加耐高溫纖維產(chǎn)品品種，研發(fā)高性能產(chǎn)品，開發(fā)新型耐高溫復(fù)合材料及改性品種，建立更大的規(guī)?；a(chǎn)裝置，提高產(chǎn)能，等等。

3 結(jié)語

P84濾料和PTFE濾料雖能夠勝任高溫工況，且使用壽命長，但價(jià)格昂貴，一般企業(yè)難以承受。為了延長濾袋的壽命和適應(yīng)未來更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，今后的創(chuàng)新方向，一是使用兩種及以上的不同品種的耐高溫纖維進(jìn)行復(fù)合，達(dá)到取長補(bǔ)短的效果；二是研發(fā)超細(xì)纖維或異形截面纖維，提高濾料的過濾精度。

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Organic high temperature resistant fiber and its application in filtration materials

PengMengna，MaJianwei

College of Textiles & Clothing, Qingdao University, Qingdao 266071, China

The performance features, application fields and production status at home and abroad of five kinds of organic high temperature resistant fibers and their filatration materials were mainly described. Meanwhile, the advice on the development direction of domestic organic high temperature resistant filtration materials was proposed to provide proofs for better selection of organic high temperature resistant filtration materials.

orgnic high temperature resistant fiber, filtration material, application

2017-06-20

2017-07-20

彭孟娜，女，1992年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榧徔棽牧吓c紡織品設(shè)計(jì)

馬建偉，915286867@qq.com

TS102， TS156

A

1004-7093(2017)10-0027-05