酸堿處理對(duì)改性聚苯硫醚縫紉線性能的影響

黃婉珍，沈 華,b，徐廣標(biāo),b

(東華大學(xué) a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

在高溫除塵領(lǐng)域中，濾袋為袋式除塵器的核心部件，主要由耐高溫濾料與縫紉線構(gòu)成，因此袋式除塵器的過(guò)濾效率主要取決于濾料與縫紉線中纖維的種類(lèi)、直徑與成型方法，以及濾袋中縫隙與孔洞的大小等因素[1-4]。

作為濾袋的重要輔助材料之一，縫紉線的性能受到了廣泛關(guān)注。目前，較多學(xué)者對(duì)縫紉線的性能進(jìn)行了相應(yīng)的研究。柳靜獻(xiàn)等[5]利用配有加溫箱的強(qiáng)力機(jī)研究了溫度對(duì)聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)、聚苯硫醚(polyphenylene sulfide, PPS)、芳綸1313(Nomex)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile, PAN)與滌綸(polyster, PET)縫紉線力學(xué)性能的影響。Rudolf 等[6]探討了牽伸過(guò)程中的熱處理?xiàng)l件對(duì)滌綸縫紉線力學(xué)性能的影響。楊勇等[7]采用縫紉線縫合和熱熔縫合兩種不同的縫合工藝，研究了縫合針孔縫隙對(duì)電解鋁用濾料過(guò)濾特性的影響。但是，在實(shí)際使用過(guò)程中，耐高溫除塵袋中的縫紉線會(huì)受到煙氣中含有酸性氣體[8-9]和堿性氧化物粉塵的腐蝕作用[10]，這些物質(zhì)在酸露點(diǎn)以上腐蝕性不強(qiáng)，但遭遇異常高低溫后，煙氣中的酸性氣體結(jié)露，堿性氧化物溶于水，并隨時(shí)間而累積，形成高濃度的酸、堿溶液，從而使耐高溫除塵袋因腐蝕而失效。因此，縫紉線的耐酸堿性能[11-12]對(duì)耐高溫除塵袋的使用壽命具有重要的影響。

目前，用于高溫除塵領(lǐng)域的縫紉線常有PTFE、Nomex、PPS等縫紉線，其中由PPS纖維制備而成的縫紉線具有較好的耐酸堿腐蝕性，但是PPS纖維的抗氧化性較差，故較多學(xué)者對(duì)PPS纖維進(jìn)行抗氧化改性[13-15]，以得到抗氧化性更佳的改性PPS(modified PPS,MPPS)纖維。采用這種MPPS纖維制備而成的縫紉線的抗氧化性得到了改善，但是其耐酸堿性能的變化并不清楚，故本文以MPPS縫紉線為研究對(duì)象，探討酸、堿溶液對(duì)其性能的影響及其作用機(jī)理，以期為MPPS縫紉線在高溫除塵領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 材料與試劑

MPPS縫紉線，線密度為65.17 tex(蘇州耐德新材料科技有限公司)，其基本性能指標(biāo)如表1所示。濃H2SO4、NaOH(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

表1 MPPS縫紉線的基本性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

參照GB/T 35748—2017《聚四氟乙烯長(zhǎng)絲》，對(duì)MPPS縫紉線進(jìn)行酸堿處理，具體步驟如下：(1)制備MPPS縫紉線樣品。(2)配制濃度分別為2、4、6、8和10 mol/L的H2SO4溶液或NaOH 溶液。(3)在溫度為25 ℃且濃度為2 mol/L的酸、堿溶液中分別處理24、48、72、96和120 h；在溫度為85 ℃且濃度為2 mol/L的酸、堿溶液中分別處理2、4、6、8和10 h；在溫度為85 ℃且濃度分別為2、4、6、8和10 mol/L的酸、堿溶液中處理2 h。(4)處理完后，用蒸餾水充分漂洗，并用pH試紙檢驗(yàn)，直至中性，然后在溫度為50 ℃的烘箱中干燥30 min。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 表面形貌觀察

采用日立TM 3000型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)酸堿處理前后的MPPS縫紉線的表面形貌進(jìn)行觀察，以評(píng)價(jià)其耐酸堿腐蝕性能。

1.3.2 拉伸性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 3916—2013《紡織品卷裝紗單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(CRE法)》，采用YG061FQ/PC型電子單紗強(qiáng)力儀測(cè)試酸、堿溶液處理前后MPPS縫紉線的拉伸性能。測(cè)試時(shí)的隔距為500 mm，拉伸速度為250 mm/min，預(yù)加張力為0.5 cN/tex。

斷裂強(qiáng)力保持率(R)是指MPPS縫紉線經(jīng)酸、堿溶液處理后的斷裂強(qiáng)力(P1)占未處理時(shí)的斷裂強(qiáng)力(P2)的百分比，計(jì)算公式如式(1)所示。斷裂強(qiáng)力保持率用于表征酸、堿處理前后MPPS縫紉線的拉伸性能。

1.3.3 紅外光譜分析

采用Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀(波數(shù)范圍為4 000～500 cm-1)，在室溫條件下測(cè)定酸堿溶液處理前后MPPS縫紉線的紅外光譜圖。

1.3.4 熱重分析

采用PerkinElmer TGA 4000型熱重分析儀，在氮?dú)饬魉贋?0 mL/min，升溫速率為20 ℃/min，溫度范圍為50～800 ℃的條件下，對(duì)MPPS縫紉線的熱失重性能進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 酸、堿處理對(duì)MPPS縫紉線表面形貌的影響

在溶液溫度為25 ℃且濃度為2 mol/L的條件下，經(jīng)酸、堿溶液分別處理120 h后，MPPS縫紉線的表面形貌如圖1所示。

(a) 未處理

(b) 2 mol/L H2SO4,120 h

(c) 2 mol/L NaOH,120 h

由圖1可以看出，經(jīng)酸、堿溶液處理后，MPPS纖維表面附著的一些顆粒物質(zhì)被去除，并且纖維表面未見(jiàn)明顯損傷，仍保持較好的完整性。由此說(shuō)明，在溫度為25 ℃且濃度為2 mol/L的酸、堿溶液中，MPPS縫紉線在120 h內(nèi)的強(qiáng)力損失較小。

在溫度為85 ℃的條件下，經(jīng)一定濃度的H2SO4溶液處理一定時(shí)間后，MPPS縫紉線的表面形貌如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著H2SO4溶液處理時(shí)間的延長(zhǎng)或溶液濃度的增大，MPPS纖維表面未發(fā)生明顯變化。由此說(shuō)明，處理時(shí)間在6 h內(nèi)或H2SO4溶液濃度不超過(guò)10 mol/L時(shí)，酸處理對(duì)MPPS縫紉線的表面損傷較小。

在溫度為85 ℃的條件下，經(jīng)一定濃度的NaOH溶液處理一定時(shí)間后，MPPS縫紉線的表面形貌如圖3所示。

由圖3可以看出：隨著NaOH溶液處理時(shí)間的延長(zhǎng)或溶液濃度的增大，MPPS纖維表面損傷較小；但當(dāng)NaOH溶液濃度為2 mol/L且處理時(shí)間為4 h時(shí)，MPPS纖維表面局部會(huì)出現(xiàn)縫隙、孔洞等現(xiàn)象，如圖3(b)所示。

(a) 2 mol/L H2SO4,2 h

(b) 2 mol/L H2SO4,4 h

(c) 2 mol/L H2SO4,6 h

(d) 4 mol/L H2SO4,2 h

(e) 6 mol/L H2SO4,2 h

(f) 10 mol/L H2SO4,2 h

(a) 2 mol/L NaOH,2 h

(b) 2 mol/L NaOH,4 h

(c) 2 mol/L NaOH,6 h

(d) 4 mol/L NaOH,2 h

(e) 6 mol/L NaOH,2 h

(f)10 mol/L NaOH,2 h

對(duì)比分析圖1～3可知，高溫會(huì)加劇MPPS縫紉線的損傷，且MPPS縫紉線的耐酸性要優(yōu)于耐堿性。

2.2 酸、堿處理對(duì)MPPS縫紉線力學(xué)性能的影響

在溫度為25 ℃且濃度為2 mol/L的條件下，經(jīng)酸、堿溶液分別處理24、48、72、96和120 h后，MPPS縫紉線的斷裂強(qiáng)力保持率和斷裂伸長(zhǎng)率的變化情況如圖4所示。

由圖4可以看出：在溫度為25 ℃的條件下，MPPS縫紉線的斷裂強(qiáng)力保持率受酸、堿溶液處理時(shí)間的影響均較??；在H2SO4溶液作用下，其強(qiáng)力損失在2%以?xún)?nèi)，斷裂伸長(zhǎng)率的最大偏差約為1.9%；在NaOH溶液作用下，其強(qiáng)力損失在5%以?xún)?nèi)，斷裂伸長(zhǎng)率的最大偏差約為2.5%。以上結(jié)果表明，在溫度為25 ℃且濃度為2 mol/L的條件下，MPPS縫紉線在120 h內(nèi)對(duì)酸、堿溶液均具有較好的耐受性。

(a) 斷裂強(qiáng)力保持率

(b) 斷裂伸長(zhǎng)率

在溫度為85 ℃且濃度為2 mol/L的條件下，經(jīng)酸、堿溶液分別處理2、4、6、8和10 h后，MPPS縫紉線的斷裂強(qiáng)力保持率和斷裂伸長(zhǎng)率的變化情況如圖5所示。

(a) 斷裂強(qiáng)力保持率

(b) 斷裂伸長(zhǎng)率

由圖5可以看出，在溫度為85 ℃且濃度為2 mol/L的條件下，隨著酸、堿溶液處理時(shí)間的延長(zhǎng)，MPPS縫紉線的斷裂強(qiáng)力保持率均呈下降趨勢(shì)，但其值均在87%以上，即強(qiáng)力損失均在12%以?xún)?nèi)，其斷裂伸長(zhǎng)率的最大偏差分別為1.6%和2.0%左右。這說(shuō)明在10 h內(nèi)，MPPS縫紉線對(duì)溫度為85 ℃且濃度為2 mol/L的酸、堿溶液均具有較好的耐受性。

在溫度為85 ℃且濃度分別為2、4、6、8和10 mol/L的條件下，經(jīng)酸、堿溶液處理2 h后，MPPS縫紉線的斷裂強(qiáng)力保持率和斷裂伸長(zhǎng)率的變化情況如圖6所示。

(a) 斷裂強(qiáng)力保持率

(b) 斷裂伸長(zhǎng)率

由圖6可以看出：在溫度為85 ℃且處理時(shí)間為2 h的條件下，隨著酸、堿溶液濃度的增大，MPPS縫紉線的斷裂強(qiáng)力保持率均呈下降趨勢(shì)；同時(shí)，在H2SO4溶液作用下，其強(qiáng)力損失在7%以?xún)?nèi)，斷裂伸長(zhǎng)率的最大偏差約為1.2%；而在NaOH溶液作用下，其強(qiáng)力損失達(dá)12%左右，斷裂伸長(zhǎng)率的最大偏差約為1.9%。這說(shuō)明在溶液溫度為85 ℃且處理時(shí)間為2 h的條件下，MPPS縫紉線的耐酸性要優(yōu)于耐堿性。

2.3 酸、堿溶液對(duì)MPPS縫紉線的作用機(jī)理

2.3.1 酸、堿處理后MPPS縫紉線的紅外光譜

在不同溫度條件下，經(jīng)不同濃度的H2SO4溶液處理后，MPPS縫紉線的紅外光譜如圖7所示。由圖7可以看出：經(jīng)H2SO4溶液處理后，MPPS縫紉線位于3 088、1 570和1 386 cm-1處的苯環(huán)骨架面內(nèi)伸縮振動(dòng)峰[16-18]均變化不大，說(shuō)明此時(shí)H2SO4溶液并沒(méi)有對(duì)MPPS縫紉線的主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用；此外酸處理后MPPS縫紉線中發(fā)生主要變化的特征峰位于1 637、1 467、1 260、1 089、1 007和802 cm-1處。

圖7 H2SO4溶液處理前后MPPS縫紉線的紅外光譜圖Fig.7 FTIR spectra of MPPS sewing thread before and after treatment with H2SO4 solution

由圖7可知，在溫度為25 ℃且濃度為2 mol/L的條件下，經(jīng)H2SO4溶液處理120 h后，1 637和1 007 cm-1處的特征峰高度和面積均有所增大，1 467 cm-1處的特征峰高度略有提高，但峰的寬度變窄并偏移到1 470 cm-1處，1 089 cm-1處的特征峰分裂成兩個(gè)小峰，導(dǎo)致1 070 cm-1處出現(xiàn)一個(gè)新峰，802 cm-1處的特征峰強(qiáng)度和面積略有降低，并且偏移到804 cm-1處。由于1 637 cm-1處為苯環(huán)雙鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 070 cm-1處為亞砜基的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 007 cm-1處為苯環(huán)面內(nèi)的變形振動(dòng)峰[16-17,19]，說(shuō)明酸處理后MPPS縫紉線內(nèi)部纖維的大分子鏈發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，802 cm-1處為苯環(huán)對(duì)位取代質(zhì)子的特征峰[18, 20-23]，該峰的振動(dòng)頻率發(fā)生了偏移[16]。這可能是因?yàn)樵贖2SO4溶液的作用下，MPPS縫紉線的苯環(huán)上發(fā)生了取代反應(yīng)，由于取代基的電負(fù)性不同，引起了分子中電子分布的變化，使得大分子鏈內(nèi)部的鍵力常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致特征峰發(fā)生了偏移。

由圖7(a)、(b)和(d)可知，在溫度為85 ℃且濃度為2 mol/L的條件下，經(jīng)H2SO4溶液處理2 h后，1 467 cm-1處的特征峰高度略有提高，但寬度變窄，1 089 cm-1處的特征峰分裂成兩個(gè)小峰，導(dǎo)致1 070 cm-1處出現(xiàn)一個(gè)新峰，1 007 cm-1處的特征峰高度和面積略有增大，802 cm-1處的特征峰強(qiáng)度和面積略有降低，并且偏移到805 cm-1處。以上現(xiàn)象表明，在此條件下，MPPS縫紉線內(nèi)部纖維的大分子也發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，并且可能在苯環(huán)上發(fā)生了取代反應(yīng)。

由圖7可知，在溫度為85 ℃且濃度為10 mol/L的條件下，經(jīng)H2SO4溶液處理2 h后，1 467 cm-1處的特征峰寬度變窄并偏移到1 469 cm-1處，1 260 cm-1處的特征峰消失，1 089 cm-1處的特征峰高度降低并分裂成兩個(gè)小峰，導(dǎo)致1 070 cm-1處出現(xiàn)一個(gè)新的峰，1 007 cm-1處的特征峰高度和面積略有增大，802 cm-1處的特征峰強(qiáng)度和面積明顯降低，并且偏移到805 cm-1處。以上所有峰的變化均明顯增大，表明在此條件下，酸處理對(duì)MPPS縫紉線的作用增強(qiáng)，導(dǎo)致MPPS縫紉線的強(qiáng)力下降。1 260 cm-1處為芳基醚伸縮振動(dòng)譜帶[24]，酸處理后這個(gè)峰消失的原因在于，在H2SO4溶液的作用下MPPS縫紉線內(nèi)部纖維的大分子鏈部分發(fā)生斷裂。由此可知，在H2SO4溶液的作用下，MPPS縫紉線內(nèi)部纖維的大分子鏈發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，并且在H2SO4溶液濃度較大的條件下，MPPS縫紉線內(nèi)部纖維的大分子鏈還會(huì)部分發(fā)生斷裂，同時(shí)MPPS縫紉線的苯環(huán)上可能發(fā)生了取代反應(yīng)。

在不同溫度條件下，經(jīng)不同濃度的NaOH溶液處理后，MPPS縫紉線的紅外光譜如圖8所示。由圖8可知，經(jīng)NaOH溶液處理后，MPPS縫紉線位于3 088、1 570和1 386 cm-1處的苯環(huán)骨架面內(nèi)伸縮振動(dòng)峰[16-17]均變化不大，說(shuō)明此時(shí)NaOH溶液并沒(méi)有對(duì)MPPS縫紉線的主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用。由圖8(a)、(b)和(c)可以看出，堿處理后MPPS縫紉線中發(fā)生主要變化的特征峰位于1 637、1 467、1 260、1 089、1 007和802 cm-1處。

圖8 NaOH溶液處理前后MPPS縫紉線的紅外光譜圖Fig.8 FTIR spectra of MPPS sewing thread before and after treatment with NaOH solution

由圖8可知，在溫度為25 ℃且濃度為2 mol/L的條件下，經(jīng)NaOH溶液處理120 h后，MPPS縫紉線中位于1 637、1 467、1 089 和1 007 cm-1處的特征峰的變化，與相同條件下經(jīng)H2SO4溶液處理后的變化幾乎一致，不同之處在于802 cm-1處的特征峰強(qiáng)度和面積明顯降低，并且偏移到804 cm-1處。以上現(xiàn)象表明，堿處理后MPPS縫紉線內(nèi)部纖維的大分子發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，并且可能在苯環(huán)上發(fā)生了取代反應(yīng)。

由圖8(a)、(b)和(c)可知，在溫度為85 ℃且濃度為2 mol/L的條件下，經(jīng)NaOH溶液處理2 h后，MPPS縫紉線中特征峰的變化和相同條件下H2SO4溶液處理后的不同之處在于，1 467 cm-1處的特征峰高度不變，但峰的寬度變窄并偏移到1 468 cm-1處，且1 260 cm-1處的特征峰高度和面積明顯降低。以上現(xiàn)象表明，在此條件下的堿處理可能已經(jīng)對(duì)MPPS縫紉線內(nèi)部纖維的大分子鏈產(chǎn)生破壞作用。

由圖8可知，在溫度為85 ℃且濃度為10 mol/L的條件下，經(jīng)NaOH溶液處理2 h后，1 467 cm-1處的特征峰高度不變，但峰的寬度變窄并偏移到1 468 cm-1處，1 260 cm-1處的特征峰高度和面積明顯降低，1 089 cm-1處的特征峰分裂成兩個(gè)小峰，導(dǎo)致1 070 cm-1處出現(xiàn)了一個(gè)新峰。以上現(xiàn)象說(shuō)明堿處理對(duì)MPPS縫紉線的作用增強(qiáng)，導(dǎo)致MPPS縫紉線的斷裂強(qiáng)力保持率下降12%左右，如圖6(a)所示。

由此表明，在NaOH溶液的作用下，MPPS縫紉線內(nèi)部纖維的大分子鏈發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，并且在NaOH溶液濃度較低的條件下，MPPS縫紉線內(nèi)部纖維的部分大分子鏈也會(huì)發(fā)生斷裂，同時(shí)MPPS縫紉線的苯環(huán)上可能發(fā)生了取代反應(yīng)。

2.3.2 酸堿處理后MPPS縫紉線的熱學(xué)性能

在溫度為25 ℃且濃度為2 mol/L的條件下，經(jīng)H2SO4溶液和NaOH溶液分別處理120 h后，MPPS縫紉線在氮?dú)鈿夥罩械臒嶂?thermograrimetric, TG)曲線如圖9所示。

(a) 30～800 ℃ (b) 580～780 ℃

由圖9可以得出：未處理MPPS縫紉線在氮?dú)庵械钠鹗挤纸鉁囟燃s為489 ℃；經(jīng)酸溶液處理后MPPS縫紉線的起始分解溫度降低為484 ℃左右；經(jīng)堿溶液處理后MPPS縫紉線的起始分解溫度約為489 ℃。

同時(shí)，未處理MPPS縫紉線、酸處理MPPS縫紉線和堿處理MPPS縫紉線的殘?zhí)柯史謩e為50.4%、50.0%、51.8%，其中經(jīng)堿溶液處理后殘?zhí)柯试黾拥脑蚩赡苁荖aOH與MPPS大分子發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成相對(duì)分子質(zhì)量更大的物質(zhì)，使得大分子鏈的交聯(lián)密度增大，從而導(dǎo)致其殘?zhí)柯试龃蟆?/p>

在溫度為25 ℃且濃度為2 mol/L的酸、堿溶液中分別處理120 h后，MPPS縫紉線在氮?dú)鈿夥罩械奈⑸虩嶂?derivative themogravimetric, DTG)曲線如圖10所示。

(a) 30～800 ℃ (b) 530～600 ℃

由圖10可知：當(dāng)溫度為577.62 ℃時(shí)，未處理MPPS縫紉線的分解速率最大，為0.329 mg/min；經(jīng)酸溶液處理后，MPPS縫紉線在溫度為568.44 ℃時(shí)分解速率最大，為0.296 mg/min；經(jīng)堿溶液處理后，MPPS縫紉線在溫度為566.66 ℃時(shí)分解速率最大，為0.315 mg/min。相比較未處理MPPS縫紉線，經(jīng)溫度為25 ℃且濃度為2 mol/L的酸、堿溶液分別處理120 h后，MPPS縫紉線熱降解速率最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度均下降10 ℃左右，表明酸堿處理后MPPS縫紉線的熱穩(wěn)定性均有所下降。其中最大分解速率的減小表明此時(shí)MPPS縫紉線中剩余的物質(zhì)較難降解。

3 結(jié) 論

(1) 在溫度為25 ℃且酸、堿溶液濃度為2 mol/L條件下，當(dāng)處理時(shí)間不超過(guò)120 h時(shí)，MPPS縫紉線的表面完整性均較好；溫度為85 ℃且酸、堿溶液濃度為2 mol/L條件下，H2SO4溶液處理后MPPS縫紉線表面損傷較小，而NaOH溶液處理后MPPS縫紉線表面會(huì)出現(xiàn)縫隙、孔洞等現(xiàn)象；溫度為85 ℃且酸、堿溶液濃度不超過(guò)10 mol/L條件下，當(dāng)處理時(shí)間不超過(guò)2 h時(shí)，MPPS縫紉線的表面損傷均較小。

(2)在溫度為25 ℃且酸、堿溶液濃度為2 mol/L的條件下，經(jīng)酸、堿溶液處理后，120 h內(nèi)MPPS縫紉線的強(qiáng)力損失均在5%以?xún)?nèi)，斷裂伸長(zhǎng)率的最大偏差均在2.5%以?xún)?nèi)；在溫度為85 ℃且酸、堿溶液濃度為2 mol/L的條件下，經(jīng)酸、堿溶液處理后，10 h內(nèi)MPPS縫紉線的最大強(qiáng)力損失均在12%左右，且其斷裂伸長(zhǎng)率的最大偏差約為2.0%；溫度為85 ℃且溶液濃度分別為2、4、6、8和10 mol/L的條件下，經(jīng)酸、堿溶液處理2 h后，在H2SO4溶液作用下，MPPS縫紉線的強(qiáng)力損失在7%以?xún)?nèi)，斷裂伸長(zhǎng)率的最大偏差約為1.2%；而在NaOH溶液作用下，其強(qiáng)力損失達(dá)到12%左右，斷裂伸長(zhǎng)率的最大偏差約為1.9%。

(3)溫度升高會(huì)加劇MPPS縫紉線的損傷。在H2SO4溶液和NaOH溶液作用下，MPPS縫紉線內(nèi)部纖維的大分子鏈發(fā)生了旋轉(zhuǎn)或部分?jǐn)嗔?，且在苯環(huán)上可能發(fā)生了取代反應(yīng)，同時(shí)MPPS縫紉線的熱穩(wěn)定性有所下降。