聚苯硫醚紡黏水刺非織造布紡絲工藝探討

廣東寶泓新材料股份有限公司，廣東 佛山 528225

聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide，簡(jiǎn)稱“PPS”)是以苯環(huán)在對(duì)位上連接硫原子而形成大分子主鏈的一種線性結(jié)晶聚合物，阻燃性能達(dá)UL94-0級(jí)，熔點(diǎn)在285 ℃，分解溫度大于400 ℃，長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)160 ℃，是一種新型的高性能熱塑性樹脂，具有力學(xué)強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、電學(xué)性能優(yōu)良、耐化學(xué)藥劑腐蝕、耐高溫、難燃等特點(diǎn)[1]。當(dāng)前，聚苯硫醚樹脂總消費(fèi)量的40%主要應(yīng)用在航空航天、電子電氣和汽車工業(yè)等領(lǐng)域，主要涉及纖維、薄膜、復(fù)合材料及涂層產(chǎn)品等[2]。

由聚苯硫醚纖維制成的非織造過濾袋具備優(yōu)良的絕緣性、熱穩(wěn)定性及耐化學(xué)藥劑腐蝕性等，特別適用于對(duì)含有化學(xué)腐蝕性的煙氣粉塵的過濾，且使用壽命長(zhǎng)、除塵效果優(yōu)異。與其他耐高溫纖維相比，由聚苯硫醚纖維制成的非織造過濾材料綜合性能突出，且在經(jīng)濟(jì)上具有較高的性價(jià)比，現(xiàn)已成為電廠燃煤鍋爐煙氣除塵材料的首選[3]。

1 聚苯硫醚紡黏水刺非織造布生產(chǎn)工藝流程

目前，市場(chǎng)上的聚苯硫醚非織造布主要采用兩種方法生產(chǎn)——短纖針刺和紡黏水刺。本文就聚苯硫醚紡黏水刺非織造布的紡絲工藝展開探討。

聚苯硫醚紡黏水刺非織造布的生產(chǎn)工藝流程為切片→預(yù)結(jié)晶→干燥→熔融擠壓→熔體過濾→紡絲→緩冷→側(cè)吹風(fēng)冷卻→氣流牽伸→擺絲成網(wǎng)→針刺→水刺→熱定型→后整理→卷繞，其前半部分與常規(guī)的紡黏非織造布的工藝流程基本一致，但在具體的工藝參數(shù)上有差異。

2 聚苯硫醚紡黏水刺非織造布主要紡絲工藝參數(shù)

2.1 切片

紡絲級(jí)聚苯硫醚切片一般要求熔融指數(shù)在25～200 g/(10 min)，過大或過小均對(duì)紡絲不利。另外，切片顏色越淺，表明其被氧化的程度越低，越有利于紡絲過程的穩(wěn)定。因此，檢測(cè)切片品質(zhì)時(shí)，除測(cè)定熔融指數(shù)外，還需測(cè)定其色度。此外，切片中含有的易揮發(fā)性小分子物質(zhì)(即指高分子的降解物，包括二氧化硫等)會(huì)在紡絲過程中產(chǎn)生揮發(fā)性氣體，造成紡絲車間環(huán)境惡化，故測(cè)定切片在150 ℃時(shí)的質(zhì)量損失率很有必要。表1歸納了常見的聚苯硫醚切片的主要性能。

2.2 預(yù)結(jié)晶和干燥工藝

聚苯硫醚切片的初始結(jié)晶度較低，故為了確保紡絲過程的穩(wěn)定性，對(duì)聚苯硫醚切片進(jìn)行預(yù)結(jié)晶和干燥處理不可缺少。

聚苯硫醚具備良好的耐溫性能，但耐氧化性能較差。若預(yù)結(jié)晶溫度較高，則聚苯硫醚切片易被氧化，故預(yù)結(jié)晶溫度不宜超過160 ℃，同時(shí)由于聚苯硫醚的冷結(jié)晶溫度在135 ℃左右，因此通常設(shè)置預(yù)結(jié)晶溫度在135～160 ℃。實(shí)踐證明，采用(140±10) ℃的預(yù)結(jié)晶溫度可滿足生產(chǎn)的需要。

干燥工藝方面，鑒于多方面因素，聚苯硫醚切片的干燥溫度最好控制在120～140 ℃。表2以(130±5) ℃的干燥溫度為例，介紹了聚苯硫醚切片含水率隨時(shí)間的變化情況，其中干燥氣體的露點(diǎn)溫度為-86 ℃。

表2 聚苯硫醚切片含水率隨時(shí)間的變化

由表2可知，聚苯硫醚切片在(130±5) ℃干燥8 h后，含水率能滿足高速紡絲的要求。但若進(jìn)一步延長(zhǎng)干燥時(shí)間，則聚苯硫醚切片易在高溫下氧化、分解。故聚苯硫醚切片的干燥時(shí)間宜控制在6～8 h。

2.3 螺桿及箱體溫度

聚苯硫醚在高溫下易氧化、分解，因此其箱體溫度不宜過高。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，對(duì)紡絲螺桿進(jìn)行高斯曲線溫度設(shè)定，即紡絲螺桿中段的溫度最高(控制在310～330 ℃)、紡絲螺桿末端及箱體的溫度較低(控制在290～310 ℃)時(shí)，有利于聚苯硫醚熔體熔融均勻，且不會(huì)因產(chǎn)生明顯的氧化交聯(lián)而導(dǎo)致降解。整個(gè)紡絲過程小分子物質(zhì)析出少，生產(chǎn)過程穩(wěn)定。

在高斯曲線溫度的設(shè)定下，紡絲組件的壓力隨計(jì)量泵轉(zhuǎn)速的不同在15.00～20.00 MPa范圍內(nèi)變化，符合實(shí)際生產(chǎn)要求。

2.4 側(cè)吹風(fēng)工藝

聚苯硫醚的紡絲溫度高，且與外界溫度相差大。若熔體細(xì)流從噴絲板噴出后直接暴露于外界空氣中，則聚苯硫醚纖維會(huì)因冷卻過快產(chǎn)生皮芯現(xiàn)象(即皮層已固化而芯層還是熔融狀態(tài))而易斷絲；同時(shí)，過快的冷卻速度會(huì)降低纖維的結(jié)晶度，使纖維力學(xué)性能變差。因此，噴絲板下方除了增設(shè)緩冷裝置外，還要適當(dāng)調(diào)整側(cè)吹風(fēng)工藝，以平緩冷卻過程。

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，側(cè)吹風(fēng)溫度設(shè)定在20～30 ℃、風(fēng)速設(shè)置在0.3～0.5 m/s、緩冷區(qū)溫度設(shè)置在260～300 ℃時(shí)，聚苯硫醚纖維的冷卻效果好，生產(chǎn)過程穩(wěn)定。

2.5 牽伸工藝

紡絲工藝過程中，在同等熔體質(zhì)量流量(即計(jì)量泵轉(zhuǎn)速不變)的條件下，調(diào)整牽伸氣壓的大小發(fā)現(xiàn)，聚苯硫醚纖維的紡絲速度及線密度隨牽伸氣壓增大呈現(xiàn)圖1和圖2所示的變化規(guī)律。

由圖1可知，隨著牽伸氣壓的增大，紡絲速度增加。其中，牽伸氣壓小于0.65 MPa時(shí)，紡絲速度增長(zhǎng)較快，但當(dāng)牽伸氣壓超過0.65 MPa后，紡絲速度基本趨于穩(wěn)定。這是由于牽伸氣流的速度不會(huì)隨著牽伸氣壓的增加一直增加，而是趨向于一個(gè)亞音速的穩(wěn)定值，故紡絲速度也隨之變得穩(wěn)定。

圖1 聚苯硫醚纖維的紡絲速度與牽伸氣壓的關(guān)系

圖2 聚苯硫醚纖維的線密度與牽伸氣壓的關(guān)系

由圖2可見，聚苯硫醚纖維的線密度隨著牽伸氣壓的增加迅速減小并趨于穩(wěn)定。

調(diào)整牽伸氣壓的大小發(fā)現(xiàn)，聚苯硫醚纖維的斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率隨牽伸氣壓增大呈現(xiàn)圖3和圖4所示的變化規(guī)律。

圖3 聚苯硫醚纖維的斷裂強(qiáng)度與牽伸氣壓的關(guān)系

圖4 聚苯硫醚纖維的斷裂伸長(zhǎng)率與牽伸氣壓的關(guān)系

由圖3可知：當(dāng)牽伸氣壓小于0.60 MPa時(shí)，聚苯硫醚纖維的斷裂強(qiáng)度隨牽伸氣壓的增加而增加；當(dāng)牽伸氣壓大于0.60 MPa時(shí)，聚苯硫醚纖維的斷裂強(qiáng)度隨牽伸氣壓的增加略有下降。原因可能是牽伸氣壓的增加導(dǎo)致紡絲速度增加，聚苯硫醚纖維的紡絲應(yīng)力相應(yīng)增加，故聚苯硫醚纖維在應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)晶的作用下結(jié)晶度增加，斷裂強(qiáng)度增加；但當(dāng)牽伸氣壓過高時(shí)，聚苯硫醚纖維冷卻速度過快，這會(huì)抑制結(jié)晶的產(chǎn)生，故纖維斷裂強(qiáng)度有所下降。

總之，紡黏工藝生產(chǎn)的聚苯硫醚纖維斷裂強(qiáng)度偏低，這可能與紡黏過程為一步拉伸，且牽伸過程中冷卻速度較高、纖維結(jié)晶度較低有關(guān)。因此，如何調(diào)整工藝以生產(chǎn)出性能更好的聚苯硫醚纖維，將是今后開發(fā)的重點(diǎn)。

圖4中，聚苯硫醚纖維的斷裂伸長(zhǎng)率開始隨牽伸氣壓的增加而迅速減小，當(dāng)牽伸氣壓超過0.60 MPa后，纖維的斷裂伸長(zhǎng)率趨于穩(wěn)定。

綜上，聚苯硫醚紡黏水刺非織造布的生產(chǎn)中，牽伸氣壓設(shè)置不宜過高，宜在0.55～0.65 MPa。

2.6 其他

由于聚苯硫醚樹脂在合成過程中難以避免地會(huì)含有一定的可揮發(fā)性的降解物，因此，紡絲過程中噴絲板下方會(huì)有降解物揮發(fā)析出，并產(chǎn)生大量的刺激性氣體。故噴絲板下方需設(shè)置單體抽吸系統(tǒng)，以保證降解物的清除；同時(shí)，紡絲車間還需保持良好的通風(fēng)與氣流走向，確保舒適的生產(chǎn)環(huán)境，以利于工人的健康。

3 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)外，聚苯硫醚纖維的生產(chǎn)企業(yè)當(dāng)前主要有日本東麗、東洋紡等[4]；在國(guó)內(nèi)，聚苯硫醚纖維的生產(chǎn)企業(yè)當(dāng)前較多，如四川德陽(yáng)、成都旭光高新及江蘇瑞泰等，但都存在產(chǎn)品品種少特別是高功能產(chǎn)品少、產(chǎn)能亟待擴(kuò)大、高端產(chǎn)品被國(guó)外企業(yè)控制等問題。因此，如何打破國(guó)外技術(shù)的限制與封鎖，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)及軍工各領(lǐng)域?qū)Ω叨司郾搅蛎牙w維的需求，將是我國(guó)聚苯硫醚纖維產(chǎn)業(yè)下一步發(fā)展的主要方向。