PTFE乳液改性聚酰亞胺纖維/超細玻璃纖維復合針刺濾料的耐酸堿腐蝕性

袁香楠 張延輝 成 沙 高 晶

1. 東華大學紡織學院，上海 201620；2. 上海市紡織科學研究院有限公司，上海 200082

隨著人們環保意識的加強，以及對空氣質量要求的不斷提高，燃煤發電、鋼鐵、水泥行業及垃圾焚燒工業越來越重視煙塵的排放和過濾。纖維基袋式過濾器作為一種重要的空氣過濾技術，因過濾效率高、除塵穩定性好、適用性強、成本低等優勢，已得到了廣泛的應用[1-2]。其中，濾料是過濾器的核心，直接關系到袋式過濾器的除塵性能和使用壽命，而纖維基濾料的性能主要取決于纖維固有的物理性質和化學性質[3]。工業排放的煙氣不僅包含SO2、 NO、 NO2、 HCl、 CO、氟化物等酸性氣體，同時也含有MgO、 CaO、 NH3等堿性氣體。這些混合氣體在高熱高濕環境中發生復雜的物理化學反應，產生酸性物質(H2SO4、 HNO3等)和堿性物質，極易出現凝結酸液或堿性物質腐蝕濾料的現象。附著在纖維表面或進入纖維內部的腐蝕性物質會促使纖維水解或發生其他化學反應，破壞纖維結構，嚴重時還會使濾料破損，過濾性能失效，影響濾袋的長期使用[4-5]。

基于上述要求，纖維基濾料應具有良好的耐酸堿腐蝕性以保障過濾的長期穩定。目前常用的濾料纖維包括玻璃纖維、聚酰亞胺(P84)纖維、聚苯硫醚纖維、芳綸纖維、聚丙烯腈預氧化纖維等[6-7]。其中，玻璃纖維具有耐高溫、耐腐蝕、尺寸穩定性好、拉伸斷裂強度高、性價比高等優勢，但其耐折性和耐磨性差，使用過程中易磨損。超細玻璃纖維不僅具有普通玻璃纖維所具有的優良性能，且柔韌性好、過濾效率高，是制作濾料的理想基材[8]。P84纖維是一種截面呈三角形的合成纖維，具有高模量、耐高溫、耐腐蝕、阻燃等優點，但其耐水解性差，價格較高，故常與玻璃纖維等復合來制備濾料[9]。將P84纖維和超細玻璃纖維復合，可以結合兩種纖維材料的優良性能，同時降低生產成本，利于濾料的進一步推廣使用。

本文首先利用針刺法制備P84/超細玻璃纖維復合針刺濾料，然后對濾料進行PTFE乳液改性，獲得PTFE乳液改性的P84/超細玻璃纖維復合濾料，最后對該復合濾料進行硫酸、硝酸、氫氧化鈉溶液處理，探究溶液的種類、質量分數、溫度、處理時間對其力學性能的影響，評價復合濾料的耐酸堿腐蝕性。

1 試驗

1.1 原料與設備

原料：P84纖維，線密度為2.2 dtex，長度為61 mm，由東邦特種纖維有限公司生產；超細玻璃纖維，線密度為0.625 dtex，長度為51 mm，由興國大成特種纖維科技有限公司生產；玻璃纖維基布，緯二重組織結構，由重慶國際復合材料股份有限公司生產；PTFE濃縮分散液，質量分數為60%，由日本大金氟化工(中國)有限公司生產；硫酸(分析純，質量分數為95%～98%)、硝酸(分析純，質量分數為65%～68%)、固體氫氧化鈉(分析純，質量分數≥96%)、去離子水，由國藥集團化學試劑有限公司生產。

設備：HH-4型恒溫水浴鍋(上海比朗儀器有限公司)、101A-2型電熱鼓風干燥箱(常州市第二紡織儀器廠)、YG026MB-3250型電子織物強力機(深圳方圓儀器有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 復合濾料制備

首先，采用針刺法制備P84/超細玻璃纖維復合針刺濾料。P84與超細玻璃纖維的混合質量比為60∶40，工藝流程：纖維單獨開松→纖維混合→梳理成網→交叉鋪網→上下纖維層與玻璃纖維基布中間層復合→預針刺→主針刺→P84/超細玻璃纖維復合針刺濾料。

然后，利用PTFE乳液改性P84/超細玻璃纖維復合針刺濾料。改性處理工藝流程：濾料清洗→浸漬→軋車軋壓→預烘(100 ℃，10 min)→焙烘。其中軋車壓強為0.4 MPa，焙烘溫度為170 ℃，焙烘時間為5 min， PTFE乳液質量分數為12%。

最后，將所制備的PTFE乳液改性P84/超細玻璃纖維復合針刺濾料(下文簡稱“復合濾料”)放在標準環境[溫度為(23±2)℃、相對濕度為(50±5)%]中調濕，24 h后復合濾料達到平衡狀態。

1.2.2 酸堿處理

首先，分別配制質量分數為20%、 30%、 40%、 60%、 80%的硫酸溶液，質量分數為10%、 20%、 30%、 40%、 50%、 60%的硝酸溶液，質量分數為5%、 10%的氫氧化鈉溶液，用塑料薄膜蓋住，放入烘箱中加熱到所需溫度；之后，將平衡狀態的等質量復合濾料分別放入上述溶液中；再密封放入恒溫水浴鍋中處理不同時間；最后，將試樣拿出，用去離子水沖洗5遍，烘干、調濕后進行測試。具體酸堿處理條件如表1所示。

表1 酸堿處理條件

1.3 測試表征

1.3.1 力學性能測試

酸堿處理后的試樣在溫度為(20±3)℃、相對濕度為(65±5)%的環境下放置24 h，達到平衡狀態后對其進行力學性能測試。采用YG026MB-3250型電子織物強力機，按照GB/T 7689.5—2013《增強材料 機織物試驗方法第5部分：玻璃纖維拉伸斷裂強力和斷裂伸長的測定》，測試試樣的斷裂強力和斷裂伸率。測試條件：拉伸速度為150 mm/min，夾持距離為20 mm。每個試樣測試10次，結果取平均值。

1.3.2 力學性能表征

濾料的力學性能直接影響濾袋的使用壽命。不同試驗條件的酸堿溶液會對濾料產生不同程度的腐蝕，主要表現在濾料的斷裂強度與斷裂伸長率的變化。其中，濾料的斷裂強度越大，使用壽命越長；而斷裂伸長率則反應了濾料的拉伸韌性，影響濾料的耐用性。因此通過測試經酸堿溶液處理后各試樣的縱向、橫向斷裂強度，以及縱向、橫向斷裂伸長率，計算斷裂強度保持率和斷裂伸長率保持率，可定量評價和比較復合濾料的耐酸堿腐蝕性能。斷裂強度保持率、斷裂伸長率保持率的計算如式(1)、式(2)所示。

(1)

式中：E0、E1分別表示酸堿處理前、處理后的斷裂強度(cN/dtex)，E表示斷裂強度保持率(%)。

(2)

式中：L0、L1分別表示酸堿處理前、處理后的斷裂伸長率(%)，L表示斷裂伸長率保持率(%)。

2 結果與討論

2.1 硫酸溶液對復合濾料的影響

圖1表示復合濾料在95 ℃、質量分數為30%的硫酸溶液中，處理不同時間后的力學性能變化。其中，MD表示縱向；CD表示橫向。由圖1可知，隨著處理時間的延長，濾料的縱向、橫向斷裂強度保持率和斷裂伸長率保持率均有所下降；浸泡120 h后，縱向、橫向斷裂強度保持率分別下降至54.03%和64.66%；縱向、橫向斷裂伸長率保持率分別下降至73.29%和73.21%。這說明復合濾料受硫酸溶液腐蝕而老化，力學性能有所降低。

圖1 經95 ℃、質量分數為30%的硫酸溶液處理后復合濾料的力學性能與處理時間的關系

圖2和圖3分別表示復合濾料在不同質量分數的硫酸溶液中常溫處理15 h和95 ℃處理1 h后的力學性能變化。由圖2可知，常溫下復合濾料經質量分數為60%的硫酸溶液處理15 h后，縱向、橫向斷裂強度保持率仍為90%以上，縱向、橫向斷裂伸長保持率為80%以上；而當硫酸質量分數升高到80%時，復合濾料遭到嚴重破壞，已無法測出其斷裂強度，斷裂伸長率降至10%以下。由圖3可知，復合濾料經95 ℃、質量分數為60%的硫酸溶液處理1 h后縱向、橫向斷裂強度保持率和斷裂伸長率保持率均大于70%；與圖2相似，當硫酸質量分數升高到80%后，復合濾料大面積破壞，數據無法測出。對比圖2和圖3可發現：復合濾料不耐高質量分數的硫酸；與常溫處理條件相比，復合濾料的縱向、橫向力學性能在95 ℃處理時下降得更快，即在酸性條件下，升高溫度會加快濾料的老化速率。

圖2 經常溫硫酸處理15 h后復合濾料的力學性能與溶液質量分數的關系

圖3 經95 ℃硫酸處理1 h后復合濾料的力學性能與溶液質量分數的關系

綜合分析圖1～圖3的硫酸處理結果，可得出以下結論：硫酸處理時間越長，處理溫度越高，復合濾料力學性能下降越顯著，腐蝕越嚴重；復合濾料不耐高質量分數的硫酸溶液。酸對復合濾料中P84纖維的水解起到催化作用，而硫酸質量分數的提高和溫度的升高同時加快了纖維的水解速率，纖維結構的破壞使得纖維的力學性能受到一定程度的損傷，進而降低復合濾料的力學性能，甚至引起復合濾料力學失效[5， 10-11]。

2.2 硝酸溶液對復合濾料的影響

復合濾料在85 ℃、質量分數為10%的硝酸溶液中處理不同時間所得的測試結果如圖4所示。由圖4可知，隨著處理時間的延長，復合濾料的縱向、橫向斷裂強度保持率和斷裂伸長率保持率均下降，尤其是剛開始的幾個小時內，下降速度最快，但斷裂強度保持率和斷裂伸長率保持率仍為較高數值，之后便逐漸趨于平緩。處理12 h后，縱向、橫向斷裂強度保持率分別下降到55.97%、 53.57%；縱向、橫向斷裂伸長率保持率分別為74.27%和75.77%。

圖4 經85 ℃、質量分數為10%的硝酸溶液處理后復合濾料的力學性能與處理時間的關系

固定硝酸溶液的溫度和時間兩個因素，將復合濾料放在不同質量分數的硝酸溶液中處理，所得的測試結果如圖5所示。隨著硝酸質量分數的增加，濾料的斷裂強度保持率和斷裂伸長率保持率均呈下降趨勢，并且下降幅度越來越大；當硝酸質量分數達到60%時，復合濾料部分破壞。

圖5 經85 ℃硝酸處理1 h后復合濾料的力學性能與溶液質量分數的關系

綜合分析復合濾料的硫酸處理試驗和硝酸處理試驗，可得出以下結論：與處理時間相比，酸溶液的質量分數對復合濾料力學性能的影響更顯著；在低質量分數的酸溶液條件下，復合濾料仍可保持較高的斷裂強度保持率和斷裂伸長率保持率，不易受到酸溶液腐蝕；與硫酸溶液處理相比，復合濾料斷裂強度保持率和斷裂伸長率保持率受硝酸溶液的影響比較明顯。原因在于：復合濾料中的P84纖維和超細玻璃纖維本身都具有良好的耐酸性，經過PTFE乳液改性后，PTFE乳液凝固在濾料表面及其內部，以薄膜的形式包覆在濾料纖維上，增強了復合濾料的耐酸性和力學穩定性[8， 12-13]；另外，與硫酸溶液處理相比，硝酸溶液具有強氧化性，進一步加快復合濾料中P84纖維的腐蝕速度，故對復合濾料力學性能的影響也更顯著[10]。

2.3 氫氧化鈉溶液對復合濾料的影響

將復合濾料分別在85 ℃、質量分數為5%的氫氧化鈉溶液和常溫條件、質量分數為10%的氫氧化鈉溶液中處理，所測得的復合濾料力學性能與處理時間的關系如圖6和圖7所示。

圖6 經85 ℃、質量分數為5%的氫氧化鈉溶液處理后復合濾料的力學性能與處理時間的關系

圖7 經常溫質量分數為10%的氫氧化鈉溶液處理后復合濾料的力學性能與處理時間的關系

隨著處理時間的延長，復合濾料的縱向、橫向斷裂強度保持率和斷裂伸長率保持率均下降。經85 ℃氫氧化鈉溶液處理12 h后，復合濾料的縱向、橫向斷裂強度保持率分別下降至50.44%和53.10%，縱向、橫向斷裂伸長率保持率分別為60.00%和61.47%；經常溫氫氧化鈉溶液處理12 h后，縱向、橫向斷裂強度保持率分別下降至80.94%和83.57%；縱向、橫向斷裂伸長率保持率分別為72.34%和73.18%。這表明復合濾料在低質量分數的堿溶液處理一段時間后仍能保持一定的斷裂強度和斷裂伸長率，但升溫會加快復合濾料在堿溶液中的老化。

綜合對比硫酸溶液、硝酸溶液、氫氧化鈉溶液對復合濾料力學性能的影響后發現，堿處理條件對復合濾料斷裂強度保持率和斷裂伸長率保持率的影響較為顯著。以酸堿溶液對復合濾料斷裂強度保持率的影響為例，經95 ℃、 質量分數為30%的硫酸溶液處理120 h后復合濾料的縱向、橫向斷裂強度保持率分別下降至54.03%、 64.66%；經85 ℃、 質量分數為10%的硝酸溶液處理12 h后，其分別下降至55.97%、 53.57%；經85 ℃、 質量分數為5%的氫氧化鈉溶液處理12 h后，其分別下降至50.44%、 53.10%。原因如下：復合濾料中的P84纖維耐堿性較差，纖維分子結構中的酰亞胺環基團在堿液處理后發生開環反應，纖維結構受損[14]；超細玻璃纖維和玻璃纖維基布都具有極好的耐酸堿性能，但它們的耐堿性均不如耐酸性[8]；PTFE乳液改性同時增強了濾料的耐酸和耐堿腐蝕性[13]。從整體來看，復合濾料具有良好的耐酸堿腐蝕性，且耐酸性優于耐堿性。

在實際應用中，工業煙氣中的腐蝕性氣體主要含有酸性或堿性成分，一般煤礦、鋼鐵等工業排放的煙氣中含有NO、 SO2，多為酸性環境[5， 15]，而且實際酸溶液濃度不會達到濃酸的濃度。在含塵氣流進入除塵系統之前，工廠會對氣流進行脫硫處理以降低腐蝕性氣體的濃度，同時采取適當措施降低煙氣溫度，以延長復合濾料的使用壽命[6]。故本文制備的PTFE乳液改性復合濾料適用于實際工況條件下的除塵過濾。

3 結論

經硫酸溶液、硝酸溶液、氫氧化鈉溶液處理后，PTFE乳液改性的P84/超細玻璃纖維復合針刺濾料的力學性能受到影響。

(1) 隨著酸、堿溶液質量分數的增加、處理時間的延長，復合濾料的斷裂強度保持率和斷裂伸長率保持率均呈下降趨勢；其中，酸、堿溶液質量分數對力學性能的影響更顯著。

(2) 低質量分數酸、堿溶液處理后，復合濾料仍具有一定的斷裂強度和斷裂伸長率。復合濾料經酸堿處理后不易伸長變形，尺寸穩定性好。

(3) 升高酸、堿溶液溫度將加快復合濾料的腐蝕老化速率；在高溫條件下，復合濾料不耐質量分數為80%的濃硫酸溶液和質量分數為60%的硝酸溶液；復合濾料的耐硫酸性稍強于耐硝酸性。

(4) 在實際工況下，復合濾料具有良好的耐酸堿腐蝕性，且耐酸性優于耐堿性，可以滿足煙氣過濾環境對濾料耐酸堿性的要求。