新型耐高温滤料用纤维

1、402001年8月新型耐高温滤料用纤维范晓玲郭秉臣(天津工业大学天津300160摘要介绍了P84、Basofil 、PPS 、Conex 四种耐高温纤维的特性, 研究了各纤维结构与性能的关系及其在新型耐高温滤料中的应用。关键词:耐高温纤维; 过滤材料文章编号:1002-3348(2001 04-0040-071前言随着科技的进步和人们环保意识的增强, 环境治理, 防止大气污染, 尤其是对冶金、钢铁、发电、碳黑、水泥等行业高温烟尘过滤越来越重视。目前用于空气和气体过滤, 即固/气相分离的纺织材料主要有两大类, 一类为机织布, 另一类为非织造布, 其中以针刺布用量最大, 这类材料多呈三维结构, 其

2、孔隙小而孔隙率大, 过滤效率高, 因此在近年来得到越来越广泛的应用。目前针刺过滤材料约耐高温纤维P84合成滤料, 其余10%90%是常温(<150主要采用耐高温合成纤维(180200以上 和无机纤维, 其中耐高温滤料主要采用耐高温合纤。国外从70年代开始致力于研究开发耐高温合成纤维, 随着耐高温合成纤维的开发利用, 新品种滤料不断涌现, 推动了高温烟尘过滤滤料业的发展。而国内由于受化纤工业的影响, 目前国产的中高温合成纤维较少, 国产的中高温过滤以玻璃纤维材料为主, 玻璃表1四种粉尘过滤材料用进口耐高温纤维 生产厂Lenzing(奥 BASF (德常用最高260热分解550分子结构式Ba

3、sofil 200PPS东洋纺(日 帝人(日190285Conex 230400收稿日期:2001-04-18作者简介:范晓玲(1977- 女, 江苏南通市人, 天津工业大学材料化工学院研究生, 主要从事非织造布技术研究。北京纺织第22卷第4期41滤料虽价格较低, 但耐磨、耐折性能差, 不能满足环境复杂的高温粉尘过滤要求, 其应用受到限制。因此引进高性能的耐高温纤维, 研制出优质的耐高温滤料, 满足日益增长的高温烟尘过滤的要求是一个重要的课题。鉴于耐高温合成纤维对于高温滤料业的重要作用, 本文对表1中4种高性能的高温滤料用纤维的性能及应用的情况进行研究。2耐高温纤维特性211对4种耐高温纤维各

4、种常规性能测试结果如表2所示表2各纤维物理性能测试结果性能纤度(D 长度(mm 断裂强度(cN/dtex 断裂伸长(%3温度(图2Basofil 与P84的DSC 曲线(Tg 或熔点(Tm 较高。其中PPS 纤维的Tm 达285, Conex 纤维Tg 为270,Ba 2PPS 2 60 sofil 纤维的Tg 近216。P84纤维的Tg 为315, 这样纤维可在250应用温度下使回潮率(%密度(g/cm 含油率(% 卷曲度(%用, 纤维不会熔融, 但在升华温度下会分解和炭化。从表1中各成纤高聚物长链分子结构式看出, 主链中都含有共轭双键的芳香结构或环状结构, 结构中含碳量高于脂肪族高聚物分子

5、, 还含有少量N 原子和O 原子, 这些分子结构特点决定了上述耐高温纤维主链刚性大, 在受热过程中富集氢的形成量少, 因此对热稳定性好, 具有较高的熔点、分解温度和玻璃化温度。从而使耐高温滤料具有优良的耐燃性、高温机械性能及化学性能, 提高了过滤效率和延长了使用寿命。4种耐高温纤维另一项特性是难燃性。3在23RH65时212对耐高温纤维共性的研究了解纤维在受热过程中纤维内部结构和性质变化的规律对于研究耐高温纤维的热性能非常重要。图1与图2是Perkin -elmer DSC7仪器绘出的各纤维差热分析图, 从上图中可看出各纤维高聚物的玻璃化转变温度图3各耐温纤维的极限氧指数温度(图3是各纤维的极

6、限氧指数(LO I 值,LO I是目前最常见的用于判断纤维抗燃烧性能的测定法,LO I 值是指在氮和氧的混合气体中, 能使纤维连续燃烧的最低氧气组分的百分图1Conex 与PPS 的DSC 曲线422001年8月率。纤维若能自行熄灭, LO I 需要高于25%。图3给出各种耐高温纤维的LO I 值。其中PPS 与Basofil 的LO I 值较高, 属于不燃纤维。此外纤维的高聚物都带有偶极, 如羰基团(O , 由于碳和氧两原子的电负性不同, 基团偶极共振, 酰胺基团(也存在偶极共振, 如图4所示。按伦敦凡得瓦尔斯力(或分散力 过滤材料集尘机理, 由偶极振荡形成分散力, 该力为不饱和力, 在两个

7、分子间互相吸引的同时, 不妨碍被第三个分子吸引, 即当颗粒m 出现分与纤维距离非常近时(约011子吸引力, 因此为获得最佳的集尘效率, 应分析和选择纤维和被过滤颗粒带偶极情况, 从而选择合适的能在表面迅速不断地建立尘饼的过滤材料。羰基团偶极共振酰胺基团偶极共振图4偶极共振213对耐高温纤维特性的研究(1 P84(聚酰亚胺一显著特点是其不规则的截面结构。在纺丝工艺中应用特殊的工艺参数可获得不规则的纤维截面。从图5与图 6的P84纤维扫描电子显微镜照片可明显看出其三叶形截面结构。 该芳族聚合物是在高极性溶剂如:二甲基甲酰胺(DMF 与芳族二异氰酸酯缩聚而成, 用干纺法可直接制成纤维。P84纤维的图

8、5P84纤维横截面的SE M 图6P84纤维纵向的SE MP84纤维三叶形横截面形成了非常高的纤维表面积系数, 与圆形或豆形截面纤维相比, 具有较大的比表面积, 增大了捕集尘粒的机会。而且P84纤维特殊的截面形态, 使得粉尘大多被集中到滤料的表面, 较难渗透到滤料的内部堵塞孔隙, 降低运行阻力。因此PPS 纤维对粉尘的捕集能力大大强于一般纤维, 如选用同样旦尼尔数的纤维制得的滤料, P84纤维滤料的集尘效率要比其他纤维高一个数量级, 因此混有P84纤维的滤料将会大大改善使用性能。目前国内已生产出用短切无碱玻璃纤维与P84混合, 运用特殊的梳理北京纺织第22卷第4期43和针刺工艺而最终形成的复合

9、针刺滤料, 该产品是高炉煤气净化的首选品种, 也是运用量最大的一个品种。(2 Basofil (三聚氰胺树脂不像其它所有的熔融纺或溶剂纺纤维, 三聚氰胺树脂和独特的离心式纺丝工艺共同决定了Basofil 纤维最独特的性能之一, 是它椭圆形纤维的均匀的直径分布。此性能特点产生了纤维线密度和长度的连续分布。图7为Basofil 纤维椭圆形横截面的扫描电镜照m (平均线密片。虽然它的平均直径是15度为216dtex , 实际上直径有一均匀分布, 其中超过96%(基于总体支数 是在10m (111414dtex 之间 。图8所示为测20量了2300根以上的单根纤维所得的总体分布 。图7Basofil

10、纤维横截面的SE M 照片图8Basofil 纤维直径分布由过滤机理理论可知, 组成滤料的纤维直径大小与纤维横截面形状一样, 决定了纤维表面面积的大小, 对滤料的过滤性能影响较大。由过滤机理可知随纤维直径的变细, 纤维对粉尘颗粒的惯性碰撞、筛分、扩散、截留、静电等作用增强, 捕获率随着增大。m (017116dtex 细小直径的Ba 28121sofil 纤维均匀地分布在整个毡基上, 增强了从表中可看出, PPS 纤维抗酸、碱性卓越,只有在强氧化剂中才降解。此外, 实验表明低于200时, PPS 纤维不溶解于任何已知的溶剂中, 高于此温度时, 此纤维在若干溶剂中的可溶性低。PPS 优异的性能取

11、决于晶体结构形态和滤料的集尘能力。(3 PPS (聚苯硫醚PPS 是一种半结晶聚合物, 其分子链是由苯环经对位硫原子连接起来的刚性结构, 见表1。PPS 所呈现的一个主要特点为:在恶劣化学环境下仍能保持其物理性, 具有极佳的抗强度损失性。表3列出PPS 纤维在95状况下, 浸泡在各种酸、碱、有机溶剂与氧化剂中一个星期, 测出的强度保持率。结晶度等因素, 具有优良的耐热性、优异的抗化学腐蚀性和阻燃性。对于轻度交联、热处理与拉伸的PPS , 国外有关学者Tabor , Lovinger 和G ornez 等人认为其晶胞属正交晶系, 晶胞常数为a =8167! , b =5161! , c =101

12、26! , 其中硫原子在(110 平面上呈锯齿形分布, 而苯环平面分别与(100 平面成±45°角, 连接硫原子的两共价键成110°角。偏光显微镜观察结果曾表明PPS 可以形成很完善的球晶。44表3PPS 纤维抗化学性酸碱类型48%10%盐酸2001年8月保持强度%溶剂类种丙酮33四氯化碳33氯仿33二氯化乙稀四氯乙稀甲苯二甲苯(混合保持强度%氧化剂种类10%保持强度%75001020100酸浓盐酸浓磷酸醋酸10%氢氧化钠20%氢氧化钠有机溶 剂氧化剂碱浓硝酸50%的酪酸5%次氯酸钠浓硫酸Br 2(游离溴实验条件:在93状况下, 暴露在各种化学物质一星期后, 测的

13、纤维所保持抗拉强度的%33暴露在化学物质沸点时情况工业用炉和城市垃圾焚烧炉排放出的废热烟气一般都含有SOx 、NOx , Hcl 及Dioxn (二氧杂环烃类 等腐蚀性化学物, 因此要求过滤材料不仅耐热性好, 而且耐化学腐蚀性优良。PPS 纤维特性决定了PPS 滤料能满足上述要求。(4 Conex (间位芳香族聚酰胺 Conex 纤维是由酰胺基团与间位苯基连接所构成的线性大分子(见表1 , 呈柔性结构, 由于氢键的作用和苯环的影响, Conex 化学结构非常稳定, 有优异耐高温性、耐燃性、高温尺寸稳定性。尤其突出的是其优良的物理机械性能, 强度和涤纶相近, 耐磨性、耐弯曲性好, 具有优良的纺织

14、加工特性, 可通过针刺、水刺成非织造布。图9表明了Conex 纤维在不同温度、不同时间的强力保持率, 其中在温度250干热1000小时条件下, 其强力保持率可达60%以上。Conex 纤维作为功能性纤维在高温粉尘过滤行业有着不可替代的地位, 但是由于分子结构的特点决定了它也存在一定缺陷, 如耐强酸性差, 耐高温水解性较差, 不可在燃煤锅炉、垃圾焚烧等行业中应用。由于滤料使用现场情况复杂, 含尘气体的温度、湿度、腐蚀性、可燃性、粉尘的形状、粒径大小、附着性和凝聚性有所差异, 对原料纤维物理化学性能有不同的要求, 因此对各高温合成纤维特性的研究, 对于选用合适纤维研制耐高温滤料就显得非常重要, 并

15、且有一定难度。3耐高温纤维在新型高温滤料业应用根据耐高温合成纤维特性, 研制出适合温、湿度及耐化学性要求的滤料, 国外这方面研究较早, 现已开发多种规格、类型的高性能耐高温滤料。如下表:表4几种高性能耐高温滤料美塔斯204240Metamax 莱顿190220Ryton 260P84180220Basofil其他特性强度高, 耐磨、耐折性好, 使用量大耐酸、碱性好, 耐化学性最好纤维呈现不规则截面, 表面过滤效果好表面过滤效果好, 价格较低图9Conex 纤维强度保持率北京纺织 22 卷 4 期 第 第 45 国内在研制耐高温纤维方面属于初级阶 段 , 多数还依赖进口 , 因此上述纯高温纤维

16、滤料生产成本较高 。以下对既能发挥进口耐 高温纤维的特性 , 又能降低成本的新型耐高 温复合针刺滤料的研究开发作一介绍 。 新型耐高温过滤材料系列产品是由几种 耐高温纤维如 : P84 、Procon 、Basofil 等以 311 新型耐高温复合针刺过滤毡生产工艺 312 耐高温过滤材料的研究 ( 1 原料混配比 规 格 厚度 ( mm 3 2 不同的比例与玻璃纤维混合梳理成网 , 将两 层纤网与玻纤基布针刺成料 , 再用含氟的助 剂进行后整理即形成具有多种使用特性的一 系列产品 。具体工艺路线如下 : ( 1 基布的工艺流程 玻纤开松 混合 梳理 制条 粗纱 细纱 合股 热定型 织布 (

17、2 耐高温复合针刺过滤材料工艺流程 预 主 浸 热 烧 轧 成 针 胶 定 烘 刺 剌 燥 型 毛 光 品 耐高温化纤与玻纤开松混合 梳理成网 交叉铺网 耐高温化纤与玻纤开松混合 梳理成网 交叉铺网 玻纤基布 还要进行表面光洁处理。由于原料为耐高温的 纤维 ,纤维受热不易熔粘 ,选择采用了聚四氟乙 烯浸渍法。先在滤料表面浸渍聚四氟乙烯溶 液 ,然后经烘燥、 热轧使溶液固化成膜 ,增强了 复合滤料的易清灰、 耐磨、 耐折、 高强等性能。 此系列产品经试用表明 ,其具有强度高 , 使用周期长 , 耐高温 、 透气量大 、 易清灰等特 点 ,能够达到和满足冶金 、 钢铁等行业耐高温 过滤的各项要求

18、, 表 5 示出该系列产品的质 量性能指标 。 国内用于中高温过滤材料的纤维以玻璃 纤维为主 。在结合传统工艺的基础上 , 考虑 生产成本 , 经试验最后确定玻纤与各耐高温 纤维 ( P84 、PPS 、Conex 、Basofil 的混纺 比为 30/ 70 。 ( 2 滤料后整理工艺 为了提高过滤材料的使用性能 ,尤其由于 玻纤耐磨、 耐折性能差 ,复合滤料在针刺复合后 表5 新型耐高温针刺复合滤料的性能指标 PPS 玻纤混合型 215315 820 2000 2000 200220 Conex 玻纤混合型 215315 1020 2000 2000 400450 Basofil 玻纤混合

19、型 215315 820 2000 2000 P84 玻纤混合型 215315 1020 2000 2000 260300 透气度 ( m / m min 断 裂 强 度 断裂伸 长 率 经 向 纬 向 经 向 纬 向 < 10 < 10 连续工作温度 ( 240260 较高 , 技术难度大 , 因此如何结合本国实际 开发成本低 、热稳定性好 、应用范围广的耐 高温纤维将是共同关心的课题 。目前已提出 一些方案 , 如在高分子中引入苯环 、杂环结 4 结束语 以上介绍了 4 种耐高温纤维的特点及应 用情况 , 目前国内由于耐高温纤维生产成本 © 1995-2005 Tsi

20、nghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 46 2001 年 8 月 构 ; 引入二维方向结构的高分子物 ; 芳香族 高分子的共混 ; 有机与无机纤维的复合等 。 因此为满足我国的耐高温滤料市场需求 , 化 纤和非织造布行业应加快研制和生产价格性 能更优的耐高温纤维和高温粉尘滤料 。 参考文献 1 黄齐模 1 纺织品过滤材料 1 北京 : 纺织 M 工业出版社 , 1990 Abstract : This paper int roduces t he characteristics of four kinds of h

21、igh temperat ure resis2 tant fiber , including P84 , Basofil , PPS and Cortex1 The relationship between t he st ruct ure and property of t he fibers and t he application for t he new type of high temperat ure resistant filter me2 dia are also researched1 Key words : high temperat ure resistant fiber

22、 , filter media 2 邵启祥译 1 过滤理论与实践 1 北京 : 国 M 防工业出版社 , 1982 3 Dr1 Andrew G1 Wilkes1 A New Viscose Rayon 5 wovens1 American : 19971 1611791 Nonwovens1 19921 7177 Forming for Nonwovens1 19921 7889 Thomas C1Allen , B1V1 Hettich , PI PRESS Ant hology1 Fibers and Forming for 4 C1R1 Woodings , A1J 1Bartholo

23、mew1 The Manufac2 ture Properties and Uses of Inflated Viscose Rayon 6 BASOFIL Filter Media in High Temperature Dry J 1 W1 Nonwoven Fabrics Industry1 Principles of Non2 Schapped , and Fred P1 Smit h1 RA YON1 A TAP2 Fibre For Nonwovens1 INDA1 Association of t he Fibers 1 A T APPI PRESS Anthology1 Fibers and Fibers f or Ne w Type of High Temperature Resistant Filter Media ( Tian Jin Indust ray U niv