間位芳綸針刺非織造布耐高溫耐腐蝕性

張宇皓，韓萬(wàn)里，李思嘉，羅靈茜，汪大鵬

(嘉興學(xué)院材料與紡織工程學(xué)院，浙江嘉興 314001)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)資源、能源的耗費(fèi)日益增多，我國(guó)已成為原煤、鋼鐵、水泥和化纖生產(chǎn)第一大國(guó)，從而導(dǎo)致環(huán)境污染問(wèn)題日益突出。目前，我國(guó)工業(yè)煙塵排放量巨大，主要來(lái)自于電力、鋼鐵、水泥、冶煉、化工等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的排放物[1]。近年來(lái)，國(guó)家高度重視空氣排放污染物問(wèn)題，環(huán)保部門(mén)對(duì)相關(guān)行業(yè)的高溫?zé)煔獾某龎m要求也更加嚴(yán)格，已出臺(tái)相關(guān)環(huán)境治理政策[2–4]，要求排塵濃度由原來(lái)的200 mg／m3降低到30～50 mg／m3，部分地方城市甚至要求控制在20～30 mg／m3。目前袋式除塵技術(shù)已能夠完全滿足煙氣除塵和穩(wěn)定可靠運(yùn)行的需要，在煙氣除塵中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，其中濾料是袋式除塵器的關(guān)鍵材料，其性能直接影響袋式除塵器的過(guò)濾效果及使用壽命。隨著國(guó)內(nèi)排放標(biāo)準(zhǔn)的逐漸嚴(yán)格，耐高溫材料的需求量和市場(chǎng)空間進(jìn)一步增大，在大氣污染治理中有著舉足輕重的地位[5–6]。因此，研發(fā)高質(zhì)量的耐高溫濾料具有非常重要的意義。

間位芳綸又稱芳綸1313，全稱為聚間苯二甲酰間苯二胺，屬芳香族聚酰胺纖維，是一種優(yōu)良的耐高溫纖維，具有低剛度、高伸長(zhǎng)率、耐高溫、耐酸堿等優(yōu)良特性，其產(chǎn)品主要應(yīng)用于航空飛行服、高溫化工過(guò)濾和高溫絕緣產(chǎn)品中，是制備耐高溫濾材的理想材料[7–9]。芳香族聚酰胺纖維大分子鏈的剛性大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，采用熔體紡絲方法難以加工，通常由間苯二胺和間苯二甲酰氯縮聚后經(jīng)溶液紡絲而成。由于間位芳綸纖維大分子結(jié)構(gòu)中存在酰胺鍵，使其耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性和耐高溫水解性較差，在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿的環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)酰胺鍵水解斷裂[10–13]，導(dǎo)致間位芳綸在高溫過(guò)濾領(lǐng)域中的應(yīng)用受到一定的限制。

為了研究間位芳綸針刺非織造布在高溫環(huán)境下的耐酸堿腐蝕性，筆者采用100%間位芳綸短纖維，利用針刺非織造加工工藝制備了間位芳綸針刺非織造布。在此基礎(chǔ)上，將間位芳綸針刺非織造布置于200℃高溫條件下，在pH值為2，7，13溶液中浸漬48 h處理，通過(guò)觀察和測(cè)試間位芳綸非織造布的外觀形貌、力學(xué)性能、透氣性能、纖維結(jié)構(gòu)和熱性能，探討間位芳綸針刺非織造布在高溫下的耐腐蝕性，為耐高溫針刺濾料生產(chǎn)和應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

間位芳綸短纖維：1.5 D／51 mm，保定錦年特種纖維制造有限公司；

NaOH：白色固體，西隴科學(xué)股份有限公司；

濃HCl：36%～38%，浙江中星化工試劑有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

針刺熱軋聯(lián)合試驗(yàn)機(jī)：定制，常熟市偉成非織造成套設(shè)備有限公司；

強(qiáng)力測(cè)試機(jī)：YG(B)026H–250型，溫州大榮紡織儀器有限公司；

數(shù)字式織物透氣量?jī)x：YG461D型，常州市中纖儀器有限公司；

傅立葉變換紅外光譜(FTIR)儀：VERTEX 70型，德國(guó)布魯克(北京)有限公司；

熱失重(TG)分析儀：TGAQ50型，美國(guó)TA儀器公司；

數(shù)顯電子天平：DC–320AS型，南京蘇測(cè)計(jì)量?jī)x器有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：S-4800型，日本日立公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)烘箱：FY101A型，溫州方圓儀器有限公司。

1.3 樣品制備

選取5 kg間位芳綸纖維為原料，首先進(jìn)行加油潤(rùn)滑和抗靜電處理，經(jīng)過(guò)兩次開(kāi)松后進(jìn)入雙錫林雙道夫梳理機(jī)中梳理，喂入速度為1 m／min，錫林線速度為900 m／min，道夫線速度為16 m／min，速度簾速度為14 m／min，經(jīng)梳理機(jī)梳理后的纖維成單纖維平行伸直狀態(tài)。雙道夫輸出的雙層疊加纖網(wǎng)采用交叉鋪網(wǎng)方式制備面密度為200 g／m2的間位芳綸纖網(wǎng)。間位芳綸纖網(wǎng)經(jīng)過(guò)預(yù)針刺預(yù)處理，喂入速度為4 m／min，針刺頻率為340刺／min，針刺深度為7 mm，針刺密度為140刺／cm2。再經(jīng)過(guò)主針刺工藝成型，喂入速度為2 m／min，針刺頻率為370刺／min，針刺深度為1.77 mm，針刺密度為320刺／cm2，輸出速度為1.6 m／min，最后制得間位芳綸針刺非織造布，其成型工藝如圖1所示。

圖1 間位芳綸針刺非織造布成型工藝圖

1.4 樣品處理

用去離子水稀釋濃HCl和NaOH，配置pH值為2，7，13的酸性、中性和堿性溶液，將未處理的間位芳綸針刺非織造布、浸漬在pH值為2，7，13的間位芳綸針刺非織造布分別標(biāo)記為 1#，2#，3#，4#，在200℃的高溫環(huán)境下分別對(duì)1#～4#樣品進(jìn)行處理，處理時(shí)間均為48 h。

1.5 性能測(cè)試

形貌分析：用SEM觀察樣品表面形態(tài)。制樣面積為1 cm2，掃描前對(duì)樣品表面進(jìn)行噴金處理。

透氣性按照GB／T 5453–1997測(cè)試，樣品大小為 20 cm2，壓力為 200 Pa。

拉伸性能按照FZ／T 60005–1991測(cè)試，夾持距離50 mm，拉伸速度100 mm／min。

FTIR測(cè)試：掃描范圍為500～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1。

TG測(cè)試：氮?dú)鈿夥?，測(cè)試溫度為35～550℃，升溫速率為10℃／min。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM 分析

在200℃高溫、經(jīng)不同pH值溶液處理后，樣品的SEM照片如圖2所示。

從圖2a可以看出，未處理的1#樣品的間位芳綸纖維表面光滑，纖維截面為圓形，細(xì)度較為均勻。另外，間位芳綸纖維之間交錯(cuò)排列分布較為均勻，纖維具有較高的雜亂度，從而制備的針刺非織造布各向同性較好。間位芳綸纖維通過(guò)相互無(wú)序排列和相互纏結(jié)包合，使制備的針刺非織造布具有較好的蓬松多孔結(jié)構(gòu)，從而可有效地?cái)r截塵埃顆粒，提高過(guò)濾效率，并能保持較小的過(guò)濾阻力[14]。間位芳綸纖維表面縱向光滑平直，截面呈圓形，具有優(yōu)異的耐高溫性能，可廣泛應(yīng)用在高溫過(guò)濾領(lǐng)域。

圖2 不同處理后的間位芳綸針刺非織造布外觀形貌SEM照片

從圖2b～圖2d可以看出，2#～4#樣品的間位芳綸纖維表面受到了不同程度的損傷。在200℃高溫、經(jīng)pH值為7的溶液處理的3#樣品，其表面的間位芳綸纖維有少部分存在損傷，且損傷程度較輕；在200℃高溫、經(jīng)pH值為2和13的酸堿溶液高溫處理后，2#和4#樣品的間位芳綸纖維的損傷程度比較嚴(yán)重，間位芳綸纖維的表面出現(xiàn)較多的腐蝕現(xiàn)象，受損傷纖維的根數(shù)也較多，尤其在酸性條件下，腐蝕纖維面積最大，纖維表面起皮嚴(yán)重，存在明顯的溝槽，經(jīng)酸堿腐蝕后，其皮層結(jié)構(gòu)受到了破壞[15]。但總體來(lái)看，針刺非織造布的纖維纏結(jié)仍然是緊密的，說(shuō)明間位芳綸針刺非織造具有較好的耐腐蝕性。

2.2 透氣性能分析

間位芳綸針刺非織造布的透氣性能可反映出纖網(wǎng)中的孔徑大小及其分布，是影響過(guò)濾性能的一個(gè)重要因素。在200℃高溫、經(jīng)不同pH值溶液處理后，間位芳綸針刺非織造布透氣性能測(cè)試結(jié)果列于表1。

表1 不同處理后的間位芳綸針刺非織造布透氣性能測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，在200℃、經(jīng)不同pH值溶液處理后，樣品的透氣率有一定下降，但并沒(méi)有發(fā)生明顯變化。1#樣品的透氣率最大，為2 562.4 mm／s，4#樣品最小，為 2 402.8 mm／s，相比 1#樣品，減少了6.23%，而2#和3#樣品透氣率分別減少了3.93%和4.31%。

間位芳綸針刺非織造布的透氣性與其孔隙大小、體積分?jǐn)?shù)和緊密度等密切相關(guān)。從圖2也可以看出，經(jīng)酸堿和中性溶液處理后的間位芳綸針刺非織造布內(nèi)部的纖維之間的纏結(jié)程度和孔徑分布沒(méi)有發(fā)生明顯變化。這表明在200℃高溫下，間位芳綸針刺非織造布經(jīng)酸堿和中性溶液處理后，仍可以保持良好的透氣性能。由此可見(jiàn)，在200℃高溫及酸堿和中性環(huán)境下，間位芳綸針刺非織造布仍可保持良好的纖網(wǎng)多孔結(jié)構(gòu)，具有較好的過(guò)濾效率和較低的過(guò)濾阻力，可在200℃高溫及酸堿和中性環(huán)境中用作過(guò)濾材料。

2.3 拉伸性能分析

在200℃、經(jīng)不同pH值溶液處理后，間位芳綸針刺非織造布的拉伸曲線如圖3所示。

圖3 不同處理后的間位芳綸針刺非織造布的拉伸曲線

由圖3可以看出，經(jīng)過(guò)處理后的2#，3#和4#樣品與未處理的1#樣品的拉伸曲線整體趨勢(shì)相同。1#樣品的斷裂強(qiáng)力為340.1 N，斷裂伸長(zhǎng)率為66.55%；在200℃高溫、經(jīng)pH值為2的酸性溶液處理后，2#樣品的斷裂強(qiáng)力為354.3 N，斷裂伸長(zhǎng)率為56.1%，相比于1#樣品，斷裂強(qiáng)力增加了4.17%，斷裂伸長(zhǎng)率降低了10.45%，斷裂強(qiáng)力略有增加；在200℃高溫，經(jīng)pH值為7的中性溶液處理后，3#樣品的斷裂強(qiáng)力為372.3 N，斷裂伸長(zhǎng)率為68.02%，斷裂強(qiáng)力增大，而斷裂伸長(zhǎng)率基本沒(méi)有變化；在200℃高溫，經(jīng)pH值為13的堿性溶液處理后，4#樣品的斷裂強(qiáng)力為384.8 N，斷裂強(qiáng)力增加了13.14%，而斷裂伸長(zhǎng)率略有下降。由此可知，經(jīng)處理后的間位芳綸非織造布的斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂強(qiáng)度有所變化，但變化幅度相差不大，說(shuō)明在200℃高溫下，溶液的pH值對(duì)間位芳綸針刺非織造布的拉伸性能影響不大。

2.4 FTIR 分析

在200℃高溫、經(jīng)不同pH值處理后，間位芳綸針刺非織造布的FTIR譜圖如圖4所示。

圖4 不同處理后的間位芳綸針刺非織造布的FTIR譜圖

間位芳綸纖維主要是由苯環(huán)和酰胺鍵構(gòu)成的，從圖4可以看出，在780 cm-1處的吸收峰是C—H (間二取代苯鄰接三個(gè)H)的變形振動(dòng)峰；波數(shù)為1 487 cm-1和1 537 cm-1處的吸收峰是苯環(huán)上的C=C不對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起的；1 608 cm-1處的吸收峰是N—H變形振動(dòng)峰，即酰胺Ⅱ峰；波數(shù)為1 645 cm-1處是酰胺Ⅰ峰，即C=O伸縮振動(dòng)峰；波數(shù)3 272 cm-1附近的峰為N—H伸縮振動(dòng)峰。

從圖4 還可以看出，經(jīng)過(guò)處理后的 2#，3#，4#樣品在3 370 cm-1處的吸收峰明顯增強(qiáng)，說(shuō)明N—H鍵增多，由此可以預(yù)測(cè)間位芳綸纖維分子中酰胺鍵中的N—C鍵出現(xiàn)了一定的斷裂[16]。在682，722，780 cm-1處的峰并未消失，說(shuō)明C—H面外彎曲振動(dòng)沒(méi)有消失，即苯環(huán)沒(méi)有打開(kāi)。另外，2#，3#，4#樣品在2 400 cm-1位置上出現(xiàn)了CO2小分子片段對(duì)應(yīng)的吸收峰，其中酸性條件下處理的2#樣品的吸收峰最強(qiáng)。其主要原因是在氧氣存在的環(huán)境中CO氧化成CO2

[17]。從FTIR譜圖的形狀和位置來(lái)看，經(jīng)過(guò)不同pH值的溶液處理后，間位芳綸針刺非織造布內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)沒(méi)有產(chǎn)生明顯的變化，說(shuō)明該材料經(jīng)不同處理后具有良好的耐腐蝕性。

2.5 TG 分析

在200℃高溫、經(jīng)不同pH值溶液處理后，間位芳綸針刺非織造布的TG曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，從室溫至105℃，樣品的初始質(zhì)量損失歸因于釋放吸附的水分。浸漬在不同pH值溶液的2#，3#，4#樣品所含水分較多，曲線下降明顯。在105～400℃，質(zhì)量沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)生明顯的變化，樣品質(zhì)量只損失了1.5%左右，說(shuō)明間位芳綸具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。在415℃左右，間位芳綸出現(xiàn)分解，此后，間位芳綸纖維的質(zhì)量損失非?？?，纖維降解顯著。但當(dāng)溫度達(dá)到560℃時(shí)，樣品的質(zhì)量保持率仍維持在50%以上。由此可見(jiàn)，在約105℃之前，在溶液中浸漬過(guò)的2#，3#，4#樣品含有較多的水分，溫度升高后，樣品的水分蒸發(fā)，質(zhì)量損失較多。而在100～400℃區(qū)間內(nèi)，經(jīng)過(guò)高溫和不同pH值溶液處理后，2#，3#，4#樣品的纖維表面皮層結(jié)構(gòu)遭到破壞和腐蝕，導(dǎo)致纖維超分子結(jié)構(gòu)中的結(jié)晶度下降，分子間作用力下降，纖維無(wú)定形區(qū)阻礙分子鏈滑移能力較弱，從而使樣品易降解，熱失重質(zhì)量較大。在400℃以上時(shí)，間位芳綸非織造布均出現(xiàn)裂解吸熱現(xiàn)象，溫度升高迫使分子振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)劇烈而導(dǎo)致共價(jià)鍵斷裂，故TG曲線迅速下降。

圖5 不同處理后的間位芳綸針刺非織造布的TG曲線

3 結(jié)論

在200℃高溫下，樣品在酸堿和中性溶液環(huán)境中浸漬48 h后，對(duì)間位芳綸針刺非織造布的耐腐蝕性進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)間位芳綸針刺非織造布表面纖維出現(xiàn)了一定程度的腐蝕，但沒(méi)有破壞纖網(wǎng)的主體結(jié)構(gòu)。

(2)間位芳綸針刺非織造布的透氣性能和拉伸性能沒(méi)有明顯變化，其中，在堿性條件下，透氣性能降幅最大，為6.23%，斷裂強(qiáng)力增幅最大，為13.14%；在酸性條件下，斷裂伸長(zhǎng)率降幅最大，為10.45%。

(3)間位芳綸酰胺鍵中的N—C鍵出現(xiàn)斷裂，而苯環(huán)沒(méi)有打開(kāi)，仍具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。