溫度對(duì)PPS濾料挺度及耐磨性影響的實(shí)驗(yàn)研究

李強(qiáng)，宋樂，孫鑫，柳靜獻(xiàn)

（東北大學(xué)濾料檢測中心，沈陽 110004）

引言

近年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，我國的大氣污染日趨嚴(yán)重及霧霾天氣增多。理論與實(shí)踐證明，袋式除塵器是控制工業(yè)煙塵、減少霧霾的最有效手段之一[1～3]。袋式除塵器的核心部件就是濾料，聚苯硫醚（PPS）具有良好的耐腐蝕性、耐高溫性、化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[4～7]，自1897年由Grenvesse提出以來逐漸被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，過濾行業(yè)自然也加盟其中，由其加工而成的各種濾料是燃煤電廠、工業(yè)鍋爐、冶金等行業(yè)的主要過濾材料。

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)磨損破漏是濾料的主要失效形式之一，主要原因是高風(fēng)速攜塵氣流對(duì)濾袋的沖刷；濾袋與濾袋之間的摩擦；濾袋與骨架之間的磨碰以及脈沖噴吹清灰時(shí)的空氣力作用[8]。溫度是煙氣過濾的重要影響參數(shù)之一，高溫下濾料會(huì)變硬、挺度增加，導(dǎo)致耐磨性下降。研究溫度對(duì)濾料性能的影響，找出最適合濾料使用的溫度具有重要意義。本文從耐磨和挺度兩個(gè)方面研究了溫度對(duì)PPS針刺氈濾料的影響，從另一角度分析了溫度對(duì)濾料失效的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)使用的是PPS針刺氈，同一廠生產(chǎn)的同規(guī)格新舊兩條濾袋。濾袋的基本參數(shù)如下：新袋的平均克重為606.2g/m2、厚度為1.56mm、透氣度為4.49m3/m2·min；舊袋的平均克重為697.8g/m2、厚度為1.49mm、透氣度1.236m3/m2·min。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用的主要設(shè)備有YG（B）522型織物耐磨儀和ZB-TD500挺度儀等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)利用變量分析法來研究不同溫度和高溫作用的時(shí)間對(duì)PPS濾料性能的影響。即固定時(shí)間（24h），改變溫度；固定溫度（170℃、190℃、210℃），改變加熱時(shí)間。

耐磨測試的樣品制備、測試及計(jì)算依據(jù)《紡織品織物氣球?qū)嶒?yàn)圓軌跡法》（GB/T4802.1-1997），每個(gè)組制樣3塊，稱重后放入耐磨儀受磨，試樣總加壓為1000cN，轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定為1萬次，磨后再次稱重，取3塊料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值計(jì)算單位面積濾料的磨琢平均失重；挺度測試樣品的制備、測試及計(jì)算服從《紙和紙板彎曲挺度的測定》（GBT 22364-2008）規(guī)定，每個(gè)組制樣5個(gè)，測試后取5個(gè)數(shù)的平均值為濾料在該溫度下的挺度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

濾料的基本物理性能決定了其使用壽命，單位面積失重值表征了其耐磨性能，通常來說，該值越小其使用壽命越長；挺度又稱剛度，表征濾料的柔韌性[9～10]，通常濾料使用前后的挺度值不希望變化太大，挺度過大或過小都會(huì)影響濾料的正常使用。

2.1 溫度對(duì)濾料挺度與耐磨性的影響

利用烘箱對(duì)PPS濾料進(jìn)行24小時(shí)的加熱預(yù)處理，加熱溫度分別為150℃、170℃、190℃、210℃、230℃，加熱后取出與參照組濾料同條件下進(jìn)行挺度和耐磨測試，結(jié)果如圖1、圖2。

圖1 PPS濾料挺度隨溫度變化

圖2 PPS濾料單位面積濾料的磨琢失重隨溫度變化（處理時(shí)間24h ）

由圖1可看出，新料挺度值先減小然后變大，而舊料的挺度值持續(xù)變大。說明隨著溫度的升高新濾袋出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象（190℃之前），當(dāng)超過一定溫度后新料開始變硬，甚至出現(xiàn)炭化現(xiàn)象；而舊料沒有軟化這一過程，是因?yàn)榕f料在使用過程中已經(jīng)發(fā)生過軟化。

從圖2可看出，隨著溫度的上升，新、舊袋在磨琢后整體都呈現(xiàn)失重上升的現(xiàn)象，舊袋的磨琢失重值持續(xù)上升，且溫度越高上升速率越快；而新袋在170℃之前有失重值下降的現(xiàn)象，隨后失重開始升高。

結(jié)合兩圖參數(shù)的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)當(dāng)濾料處于軟化狀態(tài)（190℃之前）新料耐磨性能較好，而舊料在此溫度之內(nèi)耐磨性能也較為穩(wěn)定；當(dāng)溫度超過190℃后，新料耐磨性能略微下降，舊料耐磨性能明顯下降。

2.2 高溫作用時(shí)間對(duì)濾料挺度與耐磨性的影響

2.2.1 濾料在170℃下的變化規(guī)律

設(shè)定烘箱溫度為170℃，加熱時(shí)間分別設(shè)置為24h、36h、48h、60h、72h，加熱后與參照組濾料在相同條件下進(jìn)行耐磨和挺度測試，結(jié)果如圖3、圖4。

圖3 170℃下挺度隨受熱時(shí)間變化

圖4 170℃下單位面積濾料的磨琢失重隨受熱時(shí)間變化

由圖3、圖4可看出，新料在170℃下挺度略微下降后趨于平穩(wěn)，舊料挺度值略微上升后趨于平穩(wěn)；新、舊料的單位面積平均失重隨時(shí)間變化都十分平緩。表明PPS新、舊料在此溫度下的耐磨性能都十分穩(wěn)定，可以長時(shí)間工作。

2.2.2 濾料在190℃下的變化規(guī)律

設(shè)定烘箱溫度為190℃，加熱時(shí)間分別設(shè)置為24h、36h、48h、60h、72h，加熱后與參照組濾料在相同條件下進(jìn)行耐磨和挺度測試，結(jié)果如圖5、圖6。

圖5 190℃下挺度隨受熱時(shí)間變化

圖6 190℃下單位面積磨琢失重隨受熱時(shí)間變化

由圖5、圖6可看出，在190℃下，隨著加熱時(shí)間的增加，新料的挺度和單位面積平均失重呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，先是略微降低，時(shí)長超過36小時(shí)后緩慢增長。而舊料的挺度值持續(xù)增長，單位面積平均失重先略微降低后快速增長。

這表明新料在190℃下工作短時(shí)間內(nèi)發(fā)生軟化且耐磨性能略微加強(qiáng)，超過36小時(shí)后，濾料的挺度值開始升高，耐磨性能開始下降；從舊料的變化規(guī)律可以看出，舊料在此溫度下工作會(huì)很快發(fā)生破損失效，從而說明PPS濾料在190℃下可以短時(shí)間工作，不能長時(shí)間工作。

2.2.3 濾料在210℃下的變化規(guī)律

設(shè)定烘箱溫度為210℃，加熱時(shí)間分別設(shè)置為24h、36h、48h、60h、72h，加熱后與參照組濾料在相同條件下進(jìn)行耐磨和挺度測試，結(jié)果如圖7、圖8。

圖7 210℃下挺度隨受熱時(shí)間變化

圖8 210℃下單位面積磨琢失重隨受熱時(shí)間變化

由圖7、圖8可看出新料的挺度值先減小后增大，而新料的單位面積平均失重值先略微減小后快速增長；舊料呈現(xiàn)出與190℃下相似的變化規(guī)律，挺度隨加熱時(shí)間的增長而增大，單位面積平均失重前期平緩，當(dāng)超過48小時(shí)后迅速增長。

這表明新料在210℃下也出現(xiàn)了軟化這一過程，在此過程中新料的耐磨性能略有增高，但加熱時(shí)間超過48小時(shí)后，新料的耐磨性能快速降低，舊料沒有出現(xiàn)軟化過程，也在48小時(shí)后耐磨性能迅速降低，從而說明PPS濾料在此溫度下只能瞬時(shí)工作。

2.3 各溫度下耐磨性能隨時(shí)間的變化

不同溫度下的耐性性能變化如圖9、圖10。

圖9 170℃、190℃、210℃下新料琢磨失重隨加熱時(shí)間變化圖

圖10 170℃、190℃、210℃下舊料磨琢失重隨加熱時(shí)間變化圖

由圖9可看出，新料的單位面積平均失重在170℃和190℃下隨時(shí)間變化平穩(wěn)，在210℃下有失重值快速增大的現(xiàn)象，說明新料可在170℃和190℃下工作，在210℃下只能瞬時(shí)工作。

由圖10可看出，舊料的單位面積平均失重在170℃下隨時(shí)間變化平穩(wěn)，在190℃和210℃下有失重值快速增大的現(xiàn)象。說明舊料可在170℃下工作，在190℃和210℃下只能瞬時(shí)工作。

而舊料是經(jīng)過長時(shí)間使用的新料，只有舊料能夠穩(wěn)定工作的溫度才是PPS濾料能穩(wěn)定工作的溫度。結(jié)合上述兩個(gè)結(jié)論，說明PPS濾料可以在170℃下長時(shí)間穩(wěn)定工作，在190℃短時(shí)間工作，在210℃瞬時(shí)工作。

3 結(jié)論

隨著溫度的升高，PPS濾料的耐磨性能整體呈降低趨勢(shì)。當(dāng)溫度低于190℃，新料耐磨性能有一定加強(qiáng)，舊料的耐磨性能也較為平穩(wěn)，190℃以上新、舊料的耐磨性能都發(fā)生減弱。

PPS濾料的挺度隨著溫度升高先降低后增大。PPS濾料受熱會(huì)發(fā)生軟化使挺度值降低，在190℃以下的溫度環(huán)境中能夠長時(shí)間保持軟化狀態(tài)，在190℃及以上的溫度環(huán)境中會(huì)使挺度值增大。

PPS濾料的挺度值越低耐磨性能越強(qiáng)。PPS濾料處于軟化階段時(shí)耐磨性能有一定程度加強(qiáng)，當(dāng)濾料挺度值開始上升，其單位面積失重升高，耐磨性能下降。

PPS濾料可在170℃以下的溫度環(huán)境中長時(shí)間穩(wěn)定的工作，在190℃短時(shí)間工作，在210℃瞬時(shí)工作。

PPS舊料的耐磨性能低于新料，挺度大于新料。舊料的挺度值比未經(jīng)高溫處理的新料的挺度值小，是因?yàn)樵?90℃以下的溫度中工作過的舊料已經(jīng)發(fā)生過軟化，而一旦進(jìn)行加熱，舊料的挺度值就會(huì)高過新料。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊勇，宋存義，童震松，冷廷雙．溫度對(duì)新舊聚苯硫醚濾料力學(xué)性能的影響[J]．環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2015，9（10）：5005-5010．

[2] 常德強(qiáng)，柳靜獻(xiàn)，毛寧，陳寶智．熱重法研究聚苯硫醚濾料的熱穩(wěn)定性[J]．東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，34（9）：1357-1360．

[3] 柳靜獻(xiàn)，郭彥波，毛寧，常德強(qiáng)，孫熙．臭氧對(duì)鍋爐煙氣用PPS濾料性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]．工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36（10）：1-3．

[4] Benoit Vieille，JérémieAucher，LakhdarTaleb．Influence of temperature on the behavior of carbon fiber fabrics reinforced PPS laminates[J]．Materials Science & Engineering A，2009，517（1）：51-60．

[5] ChongjiangLv,Huaiyuan Wang,Zhanjian Liu, Chijia Wang，Haiyan Li，Yiming Zhao，Yanji Zhu A fluorine-free superhydrophobic PPS composite coating with high thermal stability，wear resistance, corrosionresistance[J]．Progress in Organic，Coatings，2017，110，47-54．

[6] Karen Stoeffler，StefanAndjelic，NathalieLegros，JudithRoberge，Ste en B．Schougaard．Polyphenylene sulfide(PPS)composites reinforced with recycled carbon fiber[J]．Composites Science and Technology，2013，84．

[7] 張蕊萍，相鵬偉，郭健，戴晉明，郭雪萍．徐冷溫度對(duì)聚苯硫醚纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響[J]．紡織學(xué)報(bào)，2013，34（8）：17-21．

[8] 孫亭亭．氨氣對(duì)過濾材料耐久性影響的實(shí)驗(yàn)研究[D]．東北大學(xué)，2014．

[9] 李晶，邱文倫，付強(qiáng)，陳曦．復(fù)印紙企業(yè)自我聲明標(biāo)準(zhǔn)中挺度指標(biāo)評(píng)價(jià)和排行榜[J]．標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)，2017（2）：53-56．

[10] 陳月平，王傳賢，陳正澍，蘇紅波．紙基復(fù)合無菌包裝材料挺度檢測技術(shù)研究[J]．上海包裝，2017（10）：59-61．