一種耐高溫水解的聚酰亞胺過濾材料的制備及其性能研究

李兵濤 金平良 柯勤飛

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620;2.上海紡織建筑設(shè)計(jì)研究院，上海，200060)

2012年中國國務(wù)院同意發(fā)布新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，將PM2.5寫入“國標(biāo)”，大氣污染控制成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。袋式除塵器可以通過凈化過濾高溫?zé)煔鈦韺?duì)大氣污染進(jìn)行有效控制，耐高溫過濾材料是其中起到過濾作用的關(guān)鍵材料，因此成為大氣污染控制研究的重要課題。

常用的耐高溫過濾材料主要是玻璃纖維過濾材料、芳綸過濾材料、聚四氟乙烯(PTFE)纖維過濾材料、聚苯硫醚(PPS)纖維過濾材料、聚酰亞胺(PI)纖維過濾材料［1］。其中，PI纖維的顯著特點(diǎn)是截面呈三葉形［2］，比表面積比較大，易捕集粉塵。PI纖維最高工作溫度可達(dá)260℃，還能承受300℃的瞬時(shí)高溫［3］，因此PI纖維過濾材料是耐高溫過濾材料的重要研究對(duì)象。由于PI纖維在酸、堿環(huán)境下易發(fā)生水解，本身又不具有拒水拒油的特性，若用PI纖維制作成濾袋，容易出現(xiàn)濾袋斷裂強(qiáng)力下降或糊袋現(xiàn)象，嚴(yán)重影響濾袋的除塵效率和使用壽命。為了克服PI纖維過濾材料的缺陷，國內(nèi)外研究人員對(duì)其進(jìn)行了大量研究［4-9］，但都未能很好地解決這個(gè)問題。

本文采用以PTFE與環(huán)氧酚醛樹脂為主的整理液，對(duì)PI纖維過濾材料進(jìn)行浸漬整理，再經(jīng)低溫防泳移預(yù)烘和高溫交聯(lián)焙烘等多種技術(shù)方案，制得一種耐高溫水解的PI過濾材料。該過濾材料具有耐高溫水解和拒水拒油的特性，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均達(dá)到或超過GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》［10］中所規(guī)定的指標(biāo)，能夠滿足實(shí)際工況需求。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

1.1.1 過濾材料

PI纖維經(jīng)過開松、混合、梳理、交叉鋪網(wǎng)制得上下兩層纖網(wǎng)，并以PI紗線機(jī)織基布作為中間層，經(jīng)針刺加固制得過濾材料，再經(jīng)噴吹、抽吸、除塵得到潔凈的過濾材料坯體。

1.1.2 浸漬整理液

浸漬整理液配方見表1。

1.2 內(nèi)容與方法

用整理液對(duì)PI纖維過濾材料進(jìn)行浸漬整理，再經(jīng)預(yù)烘焙烘制得耐高溫水解的PI過濾材料。

(1)浸軋整理工藝:兩次軋輥浸漬一次軋輥擠壓，擠壓輥之間線壓力為115～145 N/cm，生產(chǎn)速度為2.7 ～4.6 m/min，軋液率為100% ～120%。

表1 浸漬整理液配方

(2)預(yù)烘焙烘工藝:預(yù)烘溫度為95～115℃，預(yù)烘時(shí)間1～2 min，預(yù)烘后坯料含液率為30% ～35%;第一焙烘區(qū)域溫度為180～190℃，第二焙烘區(qū)域溫度為215～225℃，第三焙烘區(qū)域溫度205～215℃，第四焙烘區(qū)域溫度為185～195℃，各區(qū)域焙烘時(shí)間均為1～2 min。

1.3 性能測(cè)試

(1)拒水等級(jí)按 AATCC 193—2005［11］方法測(cè)試。

(2)拒油等級(jí)按 AATCC 118—2007［12］方法測(cè)試。

(3)淋水等級(jí)按 AATCC 22—2005［13］方法測(cè)試。

(4)接觸角按 ASTM D 5725—1999［14］方法測(cè)試。

(5)過濾材料高溫水解試驗(yàn)方法

①連續(xù)工作溫度的高溫水解試驗(yàn)方法:將過濾材料在選定的連續(xù)工作溫度下處理24 h，再經(jīng)20%H2SO4(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液處理24 h后，按GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》測(cè)定過濾材料的斷裂強(qiáng)力保持率。

②瞬時(shí)工作溫度的高溫水解試驗(yàn)方法:將試樣在所選擇瞬時(shí)溫度下加熱10 min，然后放置在室溫下冷卻10 min，按此加熱、冷卻循環(huán)重復(fù)10次，再經(jīng)20%H2SO4溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù))處理24 h后，按GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》測(cè)定過濾材料的斷裂強(qiáng)力保持率。

2 結(jié)果與討論

2.1 整理前后PI過濾材料的基本性能分析

由表2可以看出，經(jīng)過浸漬整理后，PI過濾材料的面密度、厚度和縱橫向斷裂強(qiáng)力均有所提高，但變化不是很大;縱橫向斷裂伸長(zhǎng)率有下降趨勢(shì)，降低趨勢(shì)不是很明顯。

表2 整理前后PI過濾材料的基本性能

2.2 整理前后PI過濾材料的拒水拒油性能分析

由表3可以看出，未經(jīng)整理的PI過濾材料不具有拒水拒油的性能，拒水拒油等級(jí)均為0級(jí);經(jīng)過整理后，拒水拒油效果明顯提高，拒水和拒油等級(jí)均達(dá)到8級(jí)，淋水等級(jí)達(dá)到4級(jí)，水和正十六烷在PI過濾材料表面的接觸角分別為140°～146°和110°～118°。

表3 整理前后PI過濾材料的拒水拒油性能

2.3 PI過濾材料的耐高溫水解性能分析

由圖1可以看出，PI過濾材料經(jīng)連續(xù)工作溫度200℃下24 h的高溫水解試驗(yàn)，縱向和橫向斷裂強(qiáng)力保持率在100% ～109%;經(jīng)瞬時(shí)工作溫度230℃的高溫水解試驗(yàn)，縱向和橫向斷裂強(qiáng)力保持率為100%～110%;經(jīng)瞬時(shí)工作溫度250℃的高溫水解試驗(yàn)，縱向和橫向斷裂強(qiáng)力保持率為101%～111%。

由表4可以看出:整理后的樣品1的拒水和拒油等級(jí)均為8級(jí);整理后的樣品1經(jīng)連續(xù)工作溫度200℃下24 h的高溫水解試驗(yàn)，其拒水等級(jí)為7級(jí)，拒油等級(jí)為5級(jí);整理后的樣品1經(jīng)瞬時(shí)工作溫度230和250℃的高溫水解試驗(yàn)，其拒水等級(jí)分別為5和4級(jí)，拒油等級(jí)分別為4和3級(jí)。

上述各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均達(dá)到或超過GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》［10］中耐溫特性和專項(xiàng)技術(shù)要求所規(guī)定的指標(biāo)。

圖1 整理后PI過濾材料經(jīng)耐高溫水解試驗(yàn)后的縱橫向斷裂強(qiáng)力保持率

表4 整理后的樣品1在高溫水解前后拒水等級(jí)與拒油等級(jí)對(duì)比

2.4 SEM 分析

圖2是樣品2整理前后的SEM照片。

由圖2可以看出，經(jīng)過耐高溫水解整理后的PI過濾材料，其表面形成了一層均勻的PTFE多孔層，內(nèi)部也有PTFE膜的形成。氟樹脂包覆在纖維表面或者在纖維與纖維之間形成膜狀結(jié)構(gòu)，有效地保護(hù)了耐高溫水解性能較差的PI纖維，同時(shí)也改善了產(chǎn)品的表面性能，使過濾材料表面“微孔化”。

2.5 紅外分析

圖3是樣品2整理前后的紅外光譜譜圖。PTFE化合物在650 cm－1以上只出現(xiàn)1 211和1 155 cm－1兩個(gè)強(qiáng)的吸收譜帶，分別對(duì)應(yīng)于CF2的反對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰。

圖2 樣品2整理前后的SEM照片

圖3 樣品2整理前后的紅外光譜

對(duì)比圖3的紅外光譜圖發(fā)現(xiàn):

(1)整理后與整理前相比，主要增加的吸收峰在1 730～1 780 cm－1和2 916～2 930 cm－1區(qū)間，同時(shí)存在1 211和1 155 cm－1兩個(gè)強(qiáng)的吸收譜帶。

(2)甲基與亞甲基吸收峰在2 850～2 950 cm－1區(qū)間，且在1 455 cm－1處也有吸收峰。1 350～1 390 cm－1的譜帶是甲基的特征峰，該譜帶不存在則表明化合物可能是脂環(huán)(或者開鏈烴兩端有其他取代基)，不存在甲基。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)整理后的材料有含氟整理劑的存在，說明含氟整理劑已經(jīng)包覆在纖維表面，形成了良好的保護(hù)層。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過耐高溫水解整理后，PI過濾材料的面密度、厚度、縱向和橫向斷裂強(qiáng)力均有所提高，但變化不是很大;拒水拒油性能明顯提高，效果顯著。

(2)整理后的PI過濾材料經(jīng)連續(xù)工作溫度高溫水解及瞬時(shí)工作溫度高溫水解試驗(yàn)后，縱向和橫向斷裂強(qiáng)力保持率均大于100%，且具有拒水拒油效果，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均達(dá)到或超過GB/T6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》中耐溫特性和專項(xiàng)技術(shù)要求所規(guī)定的指標(biāo)。

(3)經(jīng)過整理的PI過濾材料，在其纖維表面形成了一層含氟整理劑保護(hù)層，能有效地保護(hù)PI纖維，使PI纖維在高溫高濕下不易水解，并使過濾材料具有拒水拒油的性能。

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