epfe微孔滤料的物理改性及性能研究

epfe微孔滤料的物理改性及性能研究

1薄膜的破损和力学性能近年来，环保部门严格控制水泥工业排放，出现了一种新的过滤材料——膜滤材料。该覆膜滤料的关键膜材是ePTFE微孔滤膜,此薄膜的微孔结构改变了普通滤料的过滤机理,由普通滤料的深层过滤转变成为表面过滤。性能良好的滤料必须有合适的空隙和结构,ePTFE薄膜是立体网状、交叉微孔结构,这种微孔滤料可以补集大多数粉尘颗粒,使粉尘无法通过该膜的表面到膜或者基材中去。目前,水泥厂普遍出现滤袋上的薄膜破损的现象,薄膜一旦破损,粉尘则迅速进入基材,在基材上形成板实致密的粉饼层,过滤阻力增加,清灰周期变短,滤袋提早老化,致使滤袋失效。薄膜出现破损的情况主要是以下两处:(1)覆合的过程。覆膜滤料的制备由薄膜和基材在热压的条件下进行覆合,薄膜在高温受载时,容易出现蠕变现象,发生应力松弛,造成破损。(2)缝制、运输、包装、装袋的过程。在缝制成袋、运输、装袋过程中,免不了滤袋的摩擦,例如在安装过程中,送袋这一环节时,即便有安装袖套的保护,在速度过快时,薄膜与袖套直接摩擦,很容易造成小裂缝的出现。薄膜的易蠕变性质与温度、结晶度有关,结晶度过高或过低对蠕变都有影响;同时ePTFE抗磨损性较差,提高薄膜的耐磨性,可以降低在制备到安装过程中,滤袋破损的几率,所以提高薄膜的力学性能迫在眉睫。本研究试图采用物理改性方法,在不改变材料成分的情况下,采用简单设备,对薄膜进行热收缩改性,分析不同定量热收缩率下,ePTFE薄膜力学性能变化规律。2试样的制作和饲料的铺设以PTFE分散树脂双向拉伸制备的微孔薄膜为实验对象,取不同工艺参数下制备的薄膜试样a和试样b,分别确定其经纬方向。选取具有矩形边框的模具,其尺寸为50cm×30cm,确定每次实验的收缩量β,根据计算式:d=50(1+β),确定样片的宽度d,沿着纬向方向裁剪样片(d×30cm),将鼓风干燥箱升温至230℃,将样片固定在模具上,纬向两端用铁铗固定(见图1)。样片呈松散放入烘箱;当样片在模具上绷直之后取出。3薄膜电镜观察采用YG461E型数字式透气量仪器测量透气度。采用CHY-C2型厚度仪测量厚度。拉伸性能的测试根据ASTMD882-01,用CMT6104型电子万能试验机,测试温度20℃,湿度65%,薄膜样品宽度50mm,夹持长度100mm,拉伸速度50mm/min。断裂伸长率按强力仪的程序,将100mm的试样等速伸长拉伸到断裂前瞬间的长度L。断裂伸长率=(L-50)/50×100%。样品厚度用最小分度值为0.001mm的测厚仪测量40点,取平均值。断裂伸长率(%)—表征试样在收到冲击外力时,通过发生位移来缓解外力的能力。最大力(N)—试样在屈服阶段后所能承受的最大力。样品真空镀金后,用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)观察表面形态结构。耐磨性能检测,根据GB/T21196,采用YG(B)401E型马丁代尔耐磨仪进行测试。4结果与讨论4.1热收缩率对薄膜力学性能的影响图2、图3分别表示试样a经过物理改性之后透气、厚度、断裂伸长率以及最大力的变化趋势。首先从图2中可以发现,热收缩率越大,厚度越厚,然而透气度也在增大,这是由于随着收缩,纤维和节点发生位移,纤维之间形成的孔隙的孔径变小,但孔隙数量增多,所以厚度增大。从图3中可以看出,随着热收缩率的增大,最大力和断裂伸长率逐渐升高,薄膜的结晶度提高,力学性能也相应改进。在30%时,性能得到最优,透气度提高了10%,断裂伸长率提高了31.2%,最大力提高了31.8%。但是,继续增大收缩后,结晶度过高,性能出现下降。说明该膜在30%的热收缩下,薄膜的结晶度刚性最优,性能得到了最大的提高。4.2试样a的性能图4、图5分别表示试样b经过物理改性之后透气、厚度、断裂伸长率以及最大力的变化趋势。试样b实验后性能变化趋势与试样a类似,但出现拐点位置不同。试样b在20%时性能达到最优,透气度提高了11.2%,断裂伸长率提高了29.72%,最大力提高了56.1%。但是,持续增大收缩发现,各项性能均呈下降趋势。结合试样a和试样b的变化趋势可以知道,在一定范围内,增加热收缩,对薄膜的力学性能有提升作用,热收缩能有效提高薄膜受外力冲击的能力。4.3改性前后薄膜的微观形貌变化图6和图7分别表示试样a在改性前和热收缩30%时的微观形貌图。仔细观察图6,不难发现,纤维排列杂乱,取向不明显,纤维长短参差不齐,有部分纤维过度拉伸,节点呈长带状。经过改性处理后,纤维和节点整齐排列,取向度高。对比图6和图7,在热收缩的过程中,纤维回缩,带状节点聚拢形成颗粒状,微观结构由之前的杂乱无章转变成整齐排列,孔隙变得小排列密实,达到高孔隙率小孔径的薄膜结构。这样纤维交织紧密,节点分布均匀的结构,在收到外力攻击时,能很好有效地抵抗。图8和图9分别表示试样b在改性前和在热收缩率为20%时的微观形貌图。如图8所示,改性前,纤维排列稀疏,节点排布不紧凑,该种结构使得膜的抗拉能力变差。经过改性处理后,纤维和节点整齐紧密排列,取向度高。试样b的微观形貌变化与试样a几乎一致,有效证明热收缩对改进薄膜微观结构的有效性,从而提高了薄膜的力学性质。拉伸e-PTFE微孔膜中充满了由微细纤维连接结的微孔结构,完全烧结会使微细纤维重新熔合为密实结构,因此只能对其进行适度烧结,这就会造成薄膜成孔的稳定性不佳。当被拉伸的预成型品加热到熔点以上时,结晶相逐渐转变为无定型相,结晶结构中的无定型部分沿着结晶轴做较大的滑动,由于纤维和结点的阻碍,在应力下阻止了这种滑动。经过改性后,微纤维可以通过释放能量回复到微粒状态而缩短,薄膜发生定量回缩,增加取向度增加,从而达到提高其强度和模量的目的。4.4复合滤料耐磨性能测试将试样a未进行改性的薄膜与基材热压复合制成覆膜滤料a1,热收缩30%改性后的薄膜与基材热压复合制成覆膜滤料a2;试样b未进行改性的薄膜与基材热压复合制成覆膜滤料b1,热收缩20%改性后的薄膜与基材热压复合制成覆膜滤料b2。对以上四个滤料试样,进行耐磨性能测试,测试内容包括两个部分:(1)相同摩擦次数下,观察外观情况(见表1);(2)在外观出现破损的情况下,记录摩擦次数(见表2)。从表1中可以看到,覆膜滤料a1和覆膜滤料a2在相同摩擦次数下,a1的外观就已经出现即将破损的趋势,而a2外观没有改变;在外观都出现破损的情况下,a1的耐磨次数也不及a2。覆膜滤料b也出现和a一致的情况,如表2中所示,薄膜改性后的覆膜滤料b2耐磨性能也优于未改性的滤料b1。从以上两表数据可以得到,经过热改性后的薄膜制成的覆膜滤料耐磨性能得以提升,能有效降低覆膜滤料加工、运输、安装等环节中磨损的概率,提高滤袋的使用寿命。5热改性覆膜滤料针对水泥厂出现覆膜滤袋上薄膜破损的情况,采用热改性的方法,适当提高薄膜的结晶度,使薄膜内部的纤维释放能量回复,取向度增加,纤维节点排列整齐,微观结构得到了改善。在热压覆合时,热改性后的薄膜的蠕变性降低,应力松弛的情况减少;在耐磨性测试时,热改