丙綸濾料LB500和LB550的耐酸腐蝕性能比較

李岱霖，劉 洋，龍降雪，葉妍萍，楊麗君，洪和平，邱新標

（1.廈門理工學院環境工程系，福建 廈門 361024；2.廈門美達斯環保工業有限公司，福建 廈門 361027）

近年來隨著鋼鐵、冶金、水泥、化工等行業的迅猛發展，工業煙塵尾氣的排放量相應劇增，懸浮顆粒物含量超標引起的大氣環境污染將導致環境效應、氣候效應和健康效應不同程度的惡化[1].我國“十一五”規劃綱要中明確提出將微細顆粒物作為城市大氣污染物防治的重點[2].在眾多除塵技術中，袋式除塵的突出特點是除塵效率高，實驗室條件下凈化率高達99.9999%，實際應用中可達到99.9%[3].此外，袋式除塵設備具有投資成本低、占地面積小、處理風量大、運行和維修操作簡易方便等眾多優勢，得到工業煙塵尾氣治理行業的廣泛推崇，截至2009年，其應用數量約占各類除塵器總量的60%以上[4].過濾材料（濾料）是袋式除塵器的核心部件之一，其自身性能將直接影響實際除塵效率和除塵效果.丙綸由丙烯單體經分子間聚合而成，具有成本低、密度小、通透性高、拉伸強度大等優勢，成為一種常見的袋式除塵常溫濾料.在酸性尾氣工況條件下，丙綸可能由于酸性物質如SOx、NOx的腐蝕加劇老化，容易產生破損，縮短使用壽命.這一缺陷限制了丙綸在除塵行業的應用，一定程度上增加了袋式除塵的運行成本.針對上述使用現狀，本文選取2種丙綸濾料為研究對象，通過模擬不同工況使用條件，比較二者的耐酸腐蝕性能，旨在為丙綸表面改性研究提供參考.

1 實驗部分

1.1 實驗材料與設備

實驗材料由廈門某企業自主生產提供，涉及型號LB500和LB550的丙綸織物產品，由于投料比例不同，二者的自身克重不同，分別為500 g/m2和550 g/m2.實驗試樣的制備以《織物斷裂強力和斷裂伸長的測定》（GB3923－97）為標準，即采取平行剪裁法將丙綸產品裁剪成長20 cm、寬5 cm的樣條.

實驗設備主要涉及:Nicolet380型紅外光譜儀，美國熱電集團公司產品；YG026B型電子織物強力機，常州正大通用紡織儀器有限公司產品；DK－S22型電熱恒溫水浴鍋，上海精宏公司產品.

1.2 耐酸腐蝕實驗

利用溶液腐蝕實驗法，將丙綸試樣浸泡于盛裝有H2SO4溶液的燒杯中，并將燒杯放置于電熱恒溫水浴鍋中.通過控制表1所示的酸度、溫度和腐蝕時間3因素實驗水平，考察LB500和LB550的老化失效過程.

表1 丙綸耐酸腐蝕實驗因素水平Tab.1 Experimental factors and levels of polypropylene acid corrosion resistance

1.3 性能測試

（1）斷裂強力測試:斷裂強力指濾料發生斷裂時的應力.由袋式除塵原理所致，濾料在使用過程中將持續受到高通量含塵尾氣的慣性碰撞和定期清灰引起的拉伸、扭曲、收縮、膨脹等機械磨損作用.對于腐蝕前后的濾料，可以借助斷裂強力指標反映其耐久性，評價耐腐蝕性能.丙綸試樣的斷裂強力測試參照《織物斷裂強力和斷裂伸長的測定》（GB3923－97），在電子織物強力機上完成.為直觀反映腐蝕樣的耐腐蝕性能變化，本文根據（1）式計算了斷裂強力保持率λi:

式中:fi和f0分別表示腐蝕樣和空白樣的斷裂強力.

（2）紅外光譜測試:借助紅外光譜儀，分別對丙綸空白樣和腐蝕試樣（不同酸度條件下于80℃浸泡60 h）進行了紅外光譜測試，從微觀分子組成水平考察丙綸的老化過程，對其耐腐蝕性能的變化規律做出較合理的解釋.

2 結果與討論

2.1 斷裂強力保持率分析

同一溫度條件下隨酸度增加，LB500和LB550兩種試樣的斷裂強力保持率變化情況如圖1～圖3所示.

圖1 40℃時LB500和LB550的斷裂強力保持率Fig.1 Breaking strength retention of LB500 and LB550 under 40℃

圖2 60℃時LB500和LB550斷裂強力保持率Fig.2 Breaking strength retention of LB500 and LB550 under 60℃

由圖1可見，40℃時，隨著酸度的增加，LB500和LB550的經、緯向λ保持在80%以上，均表現出較好的耐酸腐蝕性能.LB500空白樣的經、緯向斷裂強力分別為1371和1110N，低于LB550的1439和1140N；酸度70%、經歷60 h腐蝕，LB500的經、緯向λ分別為92.41%和92.07%，而LB550的分別為90.67%和94.12%，表明LB500的經、緯向耐腐性能略遜于LB550.

圖3 80℃時LB500和LB550斷裂強力保持率Fig.3 Breaking strength retention of LB500 and LB550 under 80℃

由圖2和圖3可見，60℃時，相對于LB550，LB500經、緯向λ開始表現出較明顯的降低趨勢；80℃時LB500經向λ甚至低于40%，而LB550的經、緯向λ仍保持在80%以上，耐腐蝕性能優勢更加顯著.

由此可見，LB550的耐酸腐蝕性能優于LB500，隨著溫度升高，優勢愈發顯著.

2.2 紅外光譜分析

2種試樣的紅外譜圖如圖4所示.

圖4 LB500和LB550空白及腐蝕樣的紅外譜圖Fig.4 Infrared spectrum images of blank and corrosion samples of LB500 and LB550

圖4（a）LB500紅外譜圖顯示:隨著酸度的增加，空白樣1640 cm-1附近的吸收峰逐漸減弱，酸度達到70%，該峰幾乎消失；腐蝕樣1710 cm-1附近產生了吸收峰，吸收強度逐漸增加.產生該現象的原因可能是:聚丙烯纖維中存在叔碳原子，由于甲基誘導效應一定程度上增加了其反應活性，使其容易被氧化[5]；此外，纖維中含有少量不飽和碳碳雙鍵（1640 cm-1），被氧化的可能性有所提高.在較高溫度（80℃）下，隨著酸度的增加，H2SO4提供酸性介質的同時，表現出不同程度的氧化性，將長期浸泡的LB500氧化成羰基類化合物，產生1710 cm-1附近的羰基碳氧伸縮振動吸收峰.早期研究報道顯示，聚丙烯氧化的主要產物包括醛、羧酸和酮類化合物[6]，分子中均含有碳氧雙鍵，本文紅外測試結果有力支持了這一結論.

圖4（b）LB550紅外譜圖與LB500的顯著差異在于:空白樣1640 cm-1附近的吸收峰強基本不變，腐蝕樣1710 cm-1附近并未產生新的吸收峰，表明LB550并未發生類似的氧化作用.原因可能是LB550纖維密度大，經、緯向致密程度較高，延緩了H2SO4的滲透過程，造成纖維內部短期內（60 h）酸度較低，氧化作用較弱.

此外，LB500和LB550的紅外譜圖較好地解釋了二者耐酸腐蝕性能的變化規律.在80℃下，LB500的氧化程度隨酸度增加而加劇（如圖4（a）），引起耐腐蝕性能顯著降低（如圖3）；相同條件下的LB550在分子官能團組成上基本保持不變（如圖4（b）），經、緯向λ因此均保持在80%以上（如圖3），其耐腐蝕性能小幅降低的原因可能是分子鏈間非鍵相互作用遭到部分破壞.

3 結論

利用溶液腐蝕實驗法，在酸度、溫度和時間3因素實驗水平下，比較了LB500和LB550的耐酸腐蝕性能.結果表明:同一實驗條件下，LB550的耐酸腐蝕性能優于LB500，溫度越高，優勢越顯著；造成耐酸腐蝕性能降低的原因可能是LB550分子鏈間非鍵相互作用遭到部分破壞，而LB500發生了氧化作用.因此針對丙綸的表面改性有待從提高其抗氧化性方面著手.

[1]CHAN Y C，SIMPSON R W，MCTAINSH G H，et al.Characterization of chemical species in PM2.5 and PM10 aerosols in Brisbane，Australia[J].Atmospheric Environment，1997，31:3773-3785.

[2]王春燕.實現污染減排目標的有力保障[J].中國石油和化工，2007（9）:17-19.

[3]李然然，楊景玲.袋式除塵器在抗酸抗腐蝕性方面研究的現狀[C]//全國袋式過濾技術研討會論文集.廈門:中國環保協會袋式除塵委員會，2005:12.

[4]中國環境保護產業協會袋式除塵委員會.我國袋式除塵行業2009年發展綜述[J].中國環保產業，2010（8）:11-17.

[5]EDWARD P J.Polypropylene Handbook:Polymerization，Characterization，Properties，Processing，Applications[M].Cincinnati:Hanser Gardner Publications，1996:114-123.

[6]JAMES C W，CHIEN，BOSS C R.Polymer reactions V:Kinetics of autoxidation of polypropylene[J].Journal of Polymer Science:Part A-1，1967，5:3091-3101.