聚苯硫醚纖維的發展及應用

汪家銘

聚苯硫醚纖維是一種新型高性能合成纖維，具有優異的熱穩定性、耐化學腐蝕性、阻燃性等，在環保、電子、機械、汽車、紡織、航空航天等領域中得到廣泛應用。本文介紹了目前國內外聚苯硫醚纖維的開發與應用情況，并對國內聚苯硫醚纖維產業的發展提出了一些建議。

PPS fiber is one of the novel synthetic fibers with high performance. Due to its excellent performance on thermo-stability, chemical resistance and flame retardancy, the fiber has widely used in the fields such as environment protection, electronic, machinery, automobile, aerospace. This article introduced status quo of PPS fiber at home and abroad, and put forward some suggestions on development of domestic PPS industry.

聚苯硫醚，簡稱PPS，其分子結構比較簡單，分子主鏈由苯環和硫原子交替排列，大量的苯環賦予了PPS剛性，大量的硫醚鍵又提供了柔順性，使其分子結構對稱，易于結晶，無極性，電性能好，不吸水。PPS是一種高性能纖維原料，廣泛應用于高溫、化學腐蝕等環境中。

1物化性能

PPS纖維是一種線型高分子量結晶性高聚物，具有很高的熱穩定性、耐化學腐蝕性、阻燃性及良好的加工性能，其優異的綜合性能主要表現在以下幾方面。

1.1熱穩定性

PPS纖維在高溫下具有優良的強度、剛性及耐疲勞性，可在 200 ～ 240 ℃下連續使用，在低于 400 ℃的空氣或氮氣中較穩定，基本無重量損失。在 204 ℃的高溫空氣中放置2 000h后能保持 90% 的強度，放置 5 000 h后能保持 70% 的強度，8 000 h后能保持近 60% 的強度；在 260 ℃的高溫空氣中放置 1 000h后能保持 60% 的強度。

1.2耐化學腐蝕性

PPS纖維具有優異的耐化學腐蝕性，與號稱“塑料之王”的聚四氟乙烯（PTFE）相近，能抵抗酸、堿、氯烴、烴類、酮、醇、酯等化學品的侵蝕，特別是耐非氧化性酸和熱堿液的性能突出。在 200 ℃下基本不溶于任何化學溶劑，只有濃硫酸和濃硝酸等強氧化劑才能使PPS纖維發生劇烈的降級。

1.3阻燃性

PPS纖維制品具有難燃性，無需添加阻燃劑就可達到UL–94V–0標準。置于火焰中時雖會發生燃燒，但無滴落現象，且離火自熄。其燃燒時呈黃橙色火焰，并生成微量的黑煙灰，發煙率低于鹵化聚合物，燃燒物不脫落，形成殘留焦炭，表現出較低的延燃性和煙密度。

1.4其他性能

PPS的強度、伸度和彈性等與聚酯相當，對于γ射線和中子放射的隔絕性比聚酰胺和聚酯好。同時，PPS還具有良好的紡織加工性能，可用于高溫煙道氣或特殊熱介質的過濾。日本東麗工業公司利用PPS纖維傳熱系數小的特點，開發了保溫衣料，其保暖性較常規PET纖維可提高 30% ～ 40%，且可減弱穿衣時約 16% 的冷觸感；美國Crane公司開發的PPS纖維氈，可在 200 ℃左右的條件下連續使用。

2加工工藝

PPS樹脂結構有線型、交聯型和直鏈型 3 種，目前世界PPS樹脂的生產技術已由交聯改性的低分子量向直接合成的直鏈高分子量發展，根據PPS樹脂分子量低、中、高的不同，可以分為涂料級、注塑級、纖維級和化學改性級，適于不同的需求，可以通過注塑或擠出成型加工形成塑料制品，也可經過雙向拉伸制成薄膜或紡絲制成纖維，還可通過填充增強制成復合材料等。

當采用常規方法將PPS樹脂加工成PPS纖維時，要求PPS樹脂的直鏈度要高，特別是對網狀物（凝膠團）有嚴格要求。但直鏈PPS易于氧化降解，在高溫下有明顯的氧化現象，影響了PPS纖維的使用效果。

用于加工纖維的PPS樹脂線性度一般較好，且分子量分布較窄。作為纖維級的PPS樹脂原料，對水質的線型強度、相對分子質量、多分散系數、熔融指數和焓增值率等與注塑級PPS相比均有更高的要求。在PPS熔融紡絲的過程中，需選用適合的高溫紡絲、漸冷、固化成形、牽伸、定形等技術。

如采用淺黃色的纖維級PPS樹脂切片為原料，其紡絲成形工藝如圖 1 所示。

紡絲前先在 110 ℃下真空干燥 4 h，以減少PPS樹脂的含水量、改善含水的均勻性、提高樹脂的結晶度和軟化性；然后在噴絲孔直徑為 0.7 mm的柱塞式小型單孔熔融紡絲機上進行紡絲，紡絲溫度為 310 ～ 340 ℃。在拉伸過程中，PPS纖維會產生部分結晶，同時纖維的大分子取向增加，從而可提高纖維的強度。將PPS拉伸纖維在 160 ～ 260 ℃下進行 5 min的熱定形處理，可使結晶度增加 60% ～ 80%，并獲得具有良好物理機械性能的PPS纖維。

3技術進展

3.1國外概況

國外對PPS纖維的研究已有較長的歷史。早在1975年，Bartlesville等就開始研究PPS的紡絲；1979年，美國Phillips Fiber公司首次成功研制了纖維級PPS樹脂，并于1983年實現PPS短纖維工業化生產；1985年Phillips Fiber公司專利保護失效后，日本及西歐一些發達國家也相繼研究和開發PPS纖維，日本東洋紡的Procon、東麗的Torcon和美國Celanese（塞拉尼斯）的Fortron等PPS纖維產品相繼問世；21世紀初，日本東麗工業公司收購了美國Phillips石油公司和Fiber & Yarns公司的PPS纖維事業部，使日本成為世界PPS纖維的最大生產國。

國外PPS纖維的生產商雖然多，但因生產工藝難度高，相關廠商幾經合并或退出市場后，整個PPS纖維的歷史幾乎掌握在美國AFY、美國Amoco F&F、日本東麗、日本東洋紡等少數幾個廠商手中。國外一些公司PPS纖維的生產開發及應用概況如表 1 所示。

3.2國內開發情況

國內最早于 20世紀 90年代初開始研究PPS纖維。1990 — 1996年，四川省紡織工業研究所與四川大學等單位合作，結合國家“863計劃”開始研究開發PPS纖維，2004年取得中試研究成果，并獲得兩項發明專利，通過驗收鑒定，技術水平達到國內領先；清華大學在 20世紀 90年代對進口PPS樹脂與聚酯共混紡絲機理以及紡絲動力學等進行了研究；天津紡織工學院（現為天津工業大學）的“國產聚苯硫醚纖維的開發研究”項目列入天津市自然科學基金項目，并于 1999年 6月通過了天津市科委組織的驗收。

2004年底，中國紡織科學研究院與國內已實現規模化生產的PPS原料制造商四川得陽科技股份有限公司合作，成功利用國產PPS樹脂進行纖維級PPS樹脂的研制及其纖維產品和紡絲技術的開發，批量試制出了PPS短纖維。在中試放大過程中，成功完成了PPS纖維紡絲關鍵設備和成套技術的開發，較好地紡制出了PPS短纖維，并加工成過濾袋，應用于煙道過濾系統。

2006年，四川省紡織工業研究所將PPS短纖維生產技術轉讓給張家港江蘇瑞泰科技有限公司，建立了 1 500 t/a的PPS短纖維工業化生產裝置，并實現規模化生產，當年l2月通過中國紡織工業協會的技術鑒定。目前，江蘇瑞泰科技有限公司年產 1 000 t PPS短纖維，銷售收入預計在億元以上。

2008年1月，由中國紡織科學研究院承建，以國產PPS樹脂為原料，國內最大規模的 5 000 t PPS纖維生產裝置在四川得陽科技股份有限公司建成投產。該項目涉及到工程設計和施工、設備的安裝和調試以及紡絲工藝流程的貫通和優化等多個方面，生產出的PPS短纖維經檢測性能優良，達到了國外同類產品的技術水平。在實現PPS短纖維工業化的同時，中國紡織科學研究院又完成了PPS長絲的產品、工藝開發及中試放大，目前正在進行產業化推廣。

鑒于我國工業發展對PPS纖維迫切的市場需求，高性能PPS纖維受到了國內科技主管部門和產業界的廣泛關注。四川得陽科技股份有限公司投資 15 億元，計劃新建年產 2.2 萬t的纖維級PPS和 5 000 t PPS紡絲項目；2008年10月，蘇州賽綸纖維材料科技有限公司核準建設PPS纖維項目，該項目總投資估算為 6 938 萬美元，建設地點位于吳江市汾湖鎮。預計到2009年，國內將形成 7 500 t/a的PPS纖維產能，2010年這一數據將達 1 萬t。

4應用領域及前景

4.1環保領域

近年來，隨著工業的飛速發展，工業排污日益嚴重，而PPS纖維被高溫煙氣過濾除塵領域所青睞，是燃煤電廠煙道氣除塵和城市垃圾焚燒廠尾氣過濾等的首選濾材。過去，國內高溫過濾袋的生產一直依賴進口PPS纖維產品，目前，作為高溫耐腐蝕濾袋主導材料的PPS纖維在國內的市場已經形成并逐年擴大，其需求量保持著 20% 以上的年增長速度，呈供不應求的態勢。

近年來，我國高溫袋式除塵的推廣應用已取得較大進展，現已在鋼鐵廠、熱電廠、垃圾焚燒爐、炭黑廠等領域得到應用，水泥廠的常溫除塵已使用了袋式除塵，高溫除塵系統目前還未應用。目前，國產的PPS短纖維已用于制作國內電廠使用的濾料，第一批試生產濾料已于 2005年5月開始在電廠除塵裝置上應用，至今運行狀況良好。

4.2其他領域

PPS樹酯近年來才應用于纖維領域，以往則以工程塑料為主。利用PPS纖維耐高溫、耐腐蝕、阻燃等性能，在航天航空及軍事等領域中具有發展前途。

用PPS纖維制成的針刺氈帶是較為理想的耐熱和耐腐蝕材料，可用于造紙工業的烘干，也可用于制作電子工業的特種用紙；將其制成針刺非織造布或機織物可用于熱的腐蝕性試劑的過濾，其單絲或復絲織物還可用作除霧材料。此外，還可將PPS制成的非織造布用于干燥機用帆布、防護產品、耐熱衣料、電絕緣材料、電解隔膜、剎車用摩擦片、復合材料、液氣體過濾材料、特種包裝材料和特種功能過濾材料等。

5發展建議

5.1加快生產裝置的國產化進程

建議國家有關部門應從政策方面加以引導，對高性能PPS纖維的開發和國產化裝置的建設予以扶持，在目前合成技術取得較大進展的情況下，繼續加大PPS纖維產業化技術的研發力量，重點建設配套的從PPS合成到纖維制造的生產裝置，形成完整的產業鏈，填補我國在相關技術領域的空白，打破國外對這一技術的壟斷，并為國內發展這類高新技術材料提供全套成熟的技術，推動其應用領域的全面拓展。

5.2不斷完善關鍵性工藝技術

雖然國內目前在PPS纖維的研究和開發方面取得了很大進展，但與國外相關產品相比，仍存在較大的差距。究其原因，主要還是由于國內纖維級PPS的生產工藝不夠成熟，在產品純化處理及工程規模放大上仍有很多關鍵性工藝技術尚未突破，因此還需在生產實踐中不斷加以完善。特別是在紡絲技術和產品性能方面，對工藝參數還需作進一步的優化和調整，達到降低生產成本、提高產品質量的目的，以適應國內部分產業整體水平的提高急需高性能纖維的現狀。

5.3形成產品市場的核心競爭力

根據產品的不同應用領域，生產企業應對PPS纖維進行改性處理，選擇合適的共混組分、最佳的共混配比，進而改善PPS纖維的使用性能。除了在環保領域大力開展芳砜綸纖維產品的宣傳和試用工作，還要研究PPS纖維在非織造氈、復合面料、絕緣紙、紡織面料和部分軍工產品中的應用，為PPS纖維的市場拓展提供技術支持，提高市場占有率，逐步形成核心競爭力，滿足市場日益增長的需求。