PTFE乳液改性聚酰亞胺纖維/超細(xì)玻璃纖維復(fù)合針刺濾料的耐酸堿腐蝕性

袁香楠 張延輝 成 沙 高 晶

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2. 上海市紡織科學(xué)研究院有限公司，上海 200082

隨著人們環(huán)保意識的加強(qiáng)，以及對空氣質(zhì)量要求的不斷提高，燃煤發(fā)電、鋼鐵、水泥行業(yè)及垃圾焚燒工業(yè)越來越重視煙塵的排放和過濾。纖維基袋式過濾器作為一種重要的空氣過濾技術(shù)，因過濾效率高、除塵穩(wěn)定性好、適用性強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢，已得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。其中，濾料是過濾器的核心，直接關(guān)系到袋式過濾器的除塵性能和使用壽命，而纖維基濾料的性能主要取決于纖維固有的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)[3]。工業(yè)排放的煙氣不僅包含SO2、 NO、 NO2、 HCl、 CO、氟化物等酸性氣體，同時(shí)也含有MgO、 CaO、 NH3等堿性氣體。這些混合氣體在高熱高濕環(huán)境中發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生酸性物質(zhì)(H2SO4、 HNO3等)和堿性物質(zhì)，極易出現(xiàn)凝結(jié)酸液或堿性物質(zhì)腐蝕濾料的現(xiàn)象。附著在纖維表面或進(jìn)入纖維內(nèi)部的腐蝕性物質(zhì)會促使纖維水解或發(fā)生其他化學(xué)反應(yīng)，破壞纖維結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重時(shí)還會使濾料破損，過濾性能失效，影響濾袋的長期使用[4-5]。

基于上述要求，纖維基濾料應(yīng)具有良好的耐酸堿腐蝕性以保障過濾的長期穩(wěn)定。目前常用的濾料纖維包括玻璃纖維、聚酰亞胺(P84)纖維、聚苯硫醚纖維、芳綸纖維、聚丙烯腈預(yù)氧化纖維等[6-7]。其中，玻璃纖維具有耐高溫、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定性好、拉伸斷裂強(qiáng)度高、性價(jià)比高等優(yōu)勢，但其耐折性和耐磨性差，使用過程中易磨損。超細(xì)玻璃纖維不僅具有普通玻璃纖維所具有的優(yōu)良性能，且柔韌性好、過濾效率高，是制作濾料的理想基材[8]。P84纖維是一種截面呈三角形的合成纖維，具有高模量、耐高溫、耐腐蝕、阻燃等優(yōu)點(diǎn)，但其耐水解性差，價(jià)格較高，故常與玻璃纖維等復(fù)合來制備濾料[9]。將P84纖維和超細(xì)玻璃纖維復(fù)合，可以結(jié)合兩種纖維材料的優(yōu)良性能，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，利于濾料的進(jìn)一步推廣使用。

本文首先利用針刺法制備P84/超細(xì)玻璃纖維復(fù)合針刺濾料，然后對濾料進(jìn)行PTFE乳液改性，獲得PTFE乳液改性的P84/超細(xì)玻璃纖維復(fù)合濾料，最后對該復(fù)合濾料進(jìn)行硫酸、硝酸、氫氧化鈉溶液處理，探究溶液的種類、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、處理時(shí)間對其力學(xué)性能的影響，評價(jià)復(fù)合濾料的耐酸堿腐蝕性。

1 試驗(yàn)

1.1 原料與設(shè)備

原料：P84纖維，線密度為2.2 dtex，長度為61 mm，由東邦特種纖維有限公司生產(chǎn)；超細(xì)玻璃纖維，線密度為0.625 dtex，長度為51 mm，由興國大成特種纖維科技有限公司生產(chǎn)；玻璃纖維基布，緯二重組織結(jié)構(gòu)，由重慶國際復(fù)合材料股份有限公司生產(chǎn)；PTFE濃縮分散液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，由日本大金氟化工(中國)有限公司生產(chǎn)；硫酸(分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%～98%)、硝酸(分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～68%)、固體氫氧化鈉(分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥96%)、去離子水，由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

設(shè)備：HH-4型恒溫水浴鍋(上海比朗儀器有限公司)、101A-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱(常州市第二紡織儀器廠)、YG026MB-3250型電子織物強(qiáng)力機(jī)(深圳方圓儀器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 復(fù)合濾料制備

首先，采用針刺法制備P84/超細(xì)玻璃纖維復(fù)合針刺濾料。P84與超細(xì)玻璃纖維的混合質(zhì)量比為60∶40，工藝流程：纖維單獨(dú)開松→纖維混合→梳理成網(wǎng)→交叉鋪網(wǎng)→上下纖維層與玻璃纖維基布中間層復(fù)合→預(yù)針刺→主針刺→P84/超細(xì)玻璃纖維復(fù)合針刺濾料。

然后，利用PTFE乳液改性P84/超細(xì)玻璃纖維復(fù)合針刺濾料。改性處理工藝流程：濾料清洗→浸漬→軋車軋壓→預(yù)烘(100 ℃，10 min)→焙烘。其中軋車壓強(qiáng)為0.4 MPa，焙烘溫度為170 ℃，焙烘時(shí)間為5 min， PTFE乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%。

最后，將所制備的PTFE乳液改性P84/超細(xì)玻璃纖維復(fù)合針刺濾料(下文簡稱“復(fù)合濾料”)放在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境[溫度為(23±2)℃、相對濕度為(50±5)%]中調(diào)濕，24 h后復(fù)合濾料達(dá)到平衡狀態(tài)。

1.2.2 酸堿處理

首先，分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、 30%、 40%、 60%、 80%的硫酸溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、 20%、 30%、 40%、 50%、 60%的硝酸溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、 10%的氫氧化鈉溶液，用塑料薄膜蓋住，放入烘箱中加熱到所需溫度；之后，將平衡狀態(tài)的等質(zhì)量復(fù)合濾料分別放入上述溶液中；再密封放入恒溫水浴鍋中處理不同時(shí)間；最后，將試樣拿出，用去離子水沖洗5遍，烘干、調(diào)濕后進(jìn)行測試。具體酸堿處理?xiàng)l件如表1所示。

表1 酸堿處理?xiàng)l件

1.3 測試表征

1.3.1 力學(xué)性能測試

酸堿處理后的試樣在溫度為(20±3)℃、相對濕度為(65±5)%的環(huán)境下放置24 h，達(dá)到平衡狀態(tài)后對其進(jìn)行力學(xué)性能測試。采用YG026MB-3250型電子織物強(qiáng)力機(jī)，按照GB/T 7689.5—2013《增強(qiáng)材料 機(jī)織物試驗(yàn)方法第5部分：玻璃纖維拉伸斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長的測定》，測試試樣的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸率。測試條件：拉伸速度為150 mm/min，夾持距離為20 mm。每個(gè)試樣測試10次，結(jié)果取平均值。

1.3.2 力學(xué)性能表征

濾料的力學(xué)性能直接影響濾袋的使用壽命。不同試驗(yàn)條件的酸堿溶液會對濾料產(chǎn)生不同程度的腐蝕，主要表現(xiàn)在濾料的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率的變化。其中，濾料的斷裂強(qiáng)度越大，使用壽命越長；而斷裂伸長率則反應(yīng)了濾料的拉伸韌性，影響濾料的耐用性。因此通過測試經(jīng)酸堿溶液處理后各試樣的縱向、橫向斷裂強(qiáng)度，以及縱向、橫向斷裂伸長率，計(jì)算斷裂強(qiáng)度保持率和斷裂伸長率保持率，可定量評價(jià)和比較復(fù)合濾料的耐酸堿腐蝕性能。斷裂強(qiáng)度保持率、斷裂伸長率保持率的計(jì)算如式(1)、式(2)所示。

(1)

式中：E0、E1分別表示酸堿處理前、處理后的斷裂強(qiáng)度(cN/dtex)，E表示斷裂強(qiáng)度保持率(%)。

(2)

式中：L0、L1分別表示酸堿處理前、處理后的斷裂伸長率(%)，L表示斷裂伸長率保持率(%)。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫酸溶液對復(fù)合濾料的影響

圖1表示復(fù)合濾料在95 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硫酸溶液中，處理不同時(shí)間后的力學(xué)性能變化。其中，MD表示縱向；CD表示橫向。由圖1可知，隨著處理時(shí)間的延長，濾料的縱向、橫向斷裂強(qiáng)度保持率和斷裂伸長率保持率均有所下降；浸泡120 h后，縱向、橫向斷裂強(qiáng)度保持率分別下降至54.03%和64.66%；縱向、橫向斷裂伸長率保持率分別下降至73.29%和73.21%。這說明復(fù)合濾料受硫酸溶液腐蝕而老化，力學(xué)性能有所降低。

圖1 經(jīng)95 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硫酸溶液處理后復(fù)合濾料的力學(xué)性能與處理時(shí)間的關(guān)系

圖2和圖3分別表示復(fù)合濾料在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸溶液中常溫處理15 h和95 ℃處理1 h后的力學(xué)性能變化。由圖2可知，常溫下復(fù)合濾料經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的硫酸溶液處理15 h后，縱向、橫向斷裂強(qiáng)度保持率仍為90%以上，縱向、橫向斷裂伸長保持率為80%以上；而當(dāng)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高到80%時(shí)，復(fù)合濾料遭到嚴(yán)重破壞，已無法測出其斷裂強(qiáng)度，斷裂伸長率降至10%以下。由圖3可知，復(fù)合濾料經(jīng)95 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的硫酸溶液處理1 h后縱向、橫向斷裂強(qiáng)度保持率和斷裂伸長率保持率均大于70%；與圖2相似，當(dāng)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高到80%后，復(fù)合濾料大面積破壞，數(shù)據(jù)無法測出。對比圖2和圖3可發(fā)現(xiàn)：復(fù)合濾料不耐高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸；與常溫處理?xiàng)l件相比，復(fù)合濾料的縱向、橫向力學(xué)性能在95 ℃處理時(shí)下降得更快，即在酸性條件下，升高溫度會加快濾料的老化速率。

圖2 經(jīng)常溫硫酸處理15 h后復(fù)合濾料的力學(xué)性能與溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖3 經(jīng)95 ℃硫酸處理1 h后復(fù)合濾料的力學(xué)性能與溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

綜合分析圖1～圖3的硫酸處理結(jié)果，可得出以下結(jié)論：硫酸處理時(shí)間越長，處理溫度越高，復(fù)合濾料力學(xué)性能下降越顯著，腐蝕越嚴(yán)重；復(fù)合濾料不耐高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸溶液。酸對復(fù)合濾料中P84纖維的水解起到催化作用，而硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高和溫度的升高同時(shí)加快了纖維的水解速率，纖維結(jié)構(gòu)的破壞使得纖維的力學(xué)性能受到一定程度的損傷，進(jìn)而降低復(fù)合濾料的力學(xué)性能，甚至引起復(fù)合濾料力學(xué)失效[5， 10-11]。

2.2 硝酸溶液對復(fù)合濾料的影響

復(fù)合濾料在85 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的硝酸溶液中處理不同時(shí)間所得的測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著處理時(shí)間的延長，復(fù)合濾料的縱向、橫向斷裂強(qiáng)度保持率和斷裂伸長率保持率均下降，尤其是剛開始的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，下降速度最快，但斷裂強(qiáng)度保持率和斷裂伸長率保持率仍為較高數(shù)值，之后便逐漸趨于平緩。處理12 h后，縱向、橫向斷裂強(qiáng)度保持率分別下降到55.97%、 53.57%；縱向、橫向斷裂伸長率保持率分別為74.27%和75.77%。

圖4 經(jīng)85 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的硝酸溶液處理后復(fù)合濾料的力學(xué)性能與處理時(shí)間的關(guān)系

固定硝酸溶液的溫度和時(shí)間兩個(gè)因素，將復(fù)合濾料放在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硝酸溶液中處理，所得的測試結(jié)果如圖5所示。隨著硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，濾料的斷裂強(qiáng)度保持率和斷裂伸長率保持率均呈下降趨勢，并且下降幅度越來越大；當(dāng)硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí)，復(fù)合濾料部分破壞。

圖5 經(jīng)85 ℃硝酸處理1 h后復(fù)合濾料的力學(xué)性能與溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

綜合分析復(fù)合濾料的硫酸處理試驗(yàn)和硝酸處理試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：與處理時(shí)間相比，酸溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合濾料力學(xué)性能的影響更顯著；在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酸溶液條件下，復(fù)合濾料仍可保持較高的斷裂強(qiáng)度保持率和斷裂伸長率保持率，不易受到酸溶液腐蝕；與硫酸溶液處理相比，復(fù)合濾料斷裂強(qiáng)度保持率和斷裂伸長率保持率受硝酸溶液的影響比較明顯。原因在于：復(fù)合濾料中的P84纖維和超細(xì)玻璃纖維本身都具有良好的耐酸性，經(jīng)過PTFE乳液改性后，PTFE乳液凝固在濾料表面及其內(nèi)部，以薄膜的形式包覆在濾料纖維上，增強(qiáng)了復(fù)合濾料的耐酸性和力學(xué)穩(wěn)定性[8， 12-13]；另外，與硫酸溶液處理相比，硝酸溶液具有強(qiáng)氧化性，進(jìn)一步加快復(fù)合濾料中P84纖維的腐蝕速度，故對復(fù)合濾料力學(xué)性能的影響也更顯著[10]。

2.3 氫氧化鈉溶液對復(fù)合濾料的影響

將復(fù)合濾料分別在85 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鈉溶液和常溫條件、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氫氧化鈉溶液中處理，所測得的復(fù)合濾料力學(xué)性能與處理時(shí)間的關(guān)系如圖6和圖7所示。

圖6 經(jīng)85 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鈉溶液處理后復(fù)合濾料的力學(xué)性能與處理時(shí)間的關(guān)系

圖7 經(jīng)常溫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氫氧化鈉溶液處理后復(fù)合濾料的力學(xué)性能與處理時(shí)間的關(guān)系

隨著處理時(shí)間的延長，復(fù)合濾料的縱向、橫向斷裂強(qiáng)度保持率和斷裂伸長率保持率均下降。經(jīng)85 ℃氫氧化鈉溶液處理12 h后，復(fù)合濾料的縱向、橫向斷裂強(qiáng)度保持率分別下降至50.44%和53.10%，縱向、橫向斷裂伸長率保持率分別為60.00%和61.47%；經(jīng)常溫氫氧化鈉溶液處理12 h后，縱向、橫向斷裂強(qiáng)度保持率分別下降至80.94%和83.57%；縱向、橫向斷裂伸長率保持率分別為72.34%和73.18%。這表明復(fù)合濾料在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堿溶液處理一段時(shí)間后仍能保持一定的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率，但升溫會加快復(fù)合濾料在堿溶液中的老化。

綜合對比硫酸溶液、硝酸溶液、氫氧化鈉溶液對復(fù)合濾料力學(xué)性能的影響后發(fā)現(xiàn)，堿處理?xiàng)l件對復(fù)合濾料斷裂強(qiáng)度保持率和斷裂伸長率保持率的影響較為顯著。以酸堿溶液對復(fù)合濾料斷裂強(qiáng)度保持率的影響為例，經(jīng)95 ℃、 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硫酸溶液處理120 h后復(fù)合濾料的縱向、橫向斷裂強(qiáng)度保持率分別下降至54.03%、 64.66%；經(jīng)85 ℃、 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的硝酸溶液處理12 h后，其分別下降至55.97%、 53.57%；經(jīng)85 ℃、 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鈉溶液處理12 h后，其分別下降至50.44%、 53.10%。原因如下：復(fù)合濾料中的P84纖維耐堿性較差，纖維分子結(jié)構(gòu)中的酰亞胺環(huán)基團(tuán)在堿液處理后發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，纖維結(jié)構(gòu)受損[14]；超細(xì)玻璃纖維和玻璃纖維基布都具有極好的耐酸堿性能，但它們的耐堿性均不如耐酸性[8]；PTFE乳液改性同時(shí)增強(qiáng)了濾料的耐酸和耐堿腐蝕性[13]。從整體來看，復(fù)合濾料具有良好的耐酸堿腐蝕性，且耐酸性優(yōu)于耐堿性。

在實(shí)際應(yīng)用中，工業(yè)煙氣中的腐蝕性氣體主要含有酸性或堿性成分，一般煤礦、鋼鐵等工業(yè)排放的煙氣中含有NO、 SO2，多為酸性環(huán)境[5， 15]，而且實(shí)際酸溶液濃度不會達(dá)到濃酸的濃度。在含塵氣流進(jìn)入除塵系統(tǒng)之前，工廠會對氣流進(jìn)行脫硫處理以降低腐蝕性氣體的濃度，同時(shí)采取適當(dāng)措施降低煙氣溫度，以延長復(fù)合濾料的使用壽命[6]。故本文制備的PTFE乳液改性復(fù)合濾料適用于實(shí)際工況條件下的除塵過濾。

3 結(jié)論

經(jīng)硫酸溶液、硝酸溶液、氫氧化鈉溶液處理后，PTFE乳液改性的P84/超細(xì)玻璃纖維復(fù)合針刺濾料的力學(xué)性能受到影響。

(1) 隨著酸、堿溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加、處理時(shí)間的延長，復(fù)合濾料的斷裂強(qiáng)度保持率和斷裂伸長率保持率均呈下降趨勢；其中，酸、堿溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對力學(xué)性能的影響更顯著。

(2) 低質(zhì)量分?jǐn)?shù)酸、堿溶液處理后，復(fù)合濾料仍具有一定的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率。復(fù)合濾料經(jīng)酸堿處理后不易伸長變形，尺寸穩(wěn)定性好。

(3) 升高酸、堿溶液溫度將加快復(fù)合濾料的腐蝕老化速率；在高溫條件下，復(fù)合濾料不耐質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的濃硫酸溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的硝酸溶液；復(fù)合濾料的耐硫酸性稍強(qiáng)于耐硝酸性。

(4) 在實(shí)際工況下，復(fù)合濾料具有良好的耐酸堿腐蝕性，且耐酸性優(yōu)于耐堿性，可以滿足煙氣過濾環(huán)境對濾料耐酸堿性的要求。