張?jiān)倥d 李文濤 李永蘭 費(fèi)建信 萬馨潞

(1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡織化學(xué)工程系，常州，213164;2.江蘇寶德新材料有限公司，張家港，215638;3.上海博格工業(yè)用布有限公司，上海，201706)

芳香族聚噁二唑(aromatic polyoxadiazoles，簡(jiǎn)稱POD)為一種芳雜環(huán)(含噁二唑環(huán))結(jié)構(gòu)的耐高溫特種高分子材料，具有良好的熱穩(wěn)定、阻燃、耐腐蝕、電絕緣等性能。加工成纖維后，可廣泛用于防護(hù)制品、過濾材料、電絕緣材料、摩擦密封材料、工業(yè)織物、航空航天材料等耐高溫領(lǐng)域［1］，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了重要作用，是一種有著廣闊發(fā)展前景的耐高溫纖維材料。

聚噁二唑的合成和纖維成形研究始于20世紀(jì)60年代，其合成方法主要有兩步法與一步法兩種［2-4］，纖維成形方法多采用溶液紡絲方法中的濕法與干濕法［5-6］。因一步法具有合成過程簡(jiǎn)單，原料成本低，噁二唑環(huán)化度相對(duì)容易控制，成形后材料結(jié)構(gòu)較為完善等優(yōu)點(diǎn)，故得到了實(shí)際應(yīng)用。俄羅斯研究者采用一步法合成和濕法紡絲技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了POD纖維的工業(yè)化生產(chǎn)(商品名為Oxalon和Arselon)［7-8］，并在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。繼間位芳綸(PIMA)、芳砜綸(PSA)、聚苯硫醚(PPS)等耐高溫纖維成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)后，眾多科研工作者通過努力，成功解決了阻燃改性、聚合、溶液流變、紡絲成形、后處理、老化等難題［9-18］，使聚噁二唑成為我國(guó)又一具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)［9-10］并實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的耐高溫纖維品種。

目前，在高溫?zé)煔獬龎m領(lǐng)域，袋式除塵器是能夠滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求的最有效的除塵設(shè)備。用于袋式除塵器的常用耐高溫纖維種類有玻璃纖維、間位芳綸、聚苯硫醚纖維、聚四氟乙烯纖維、芳砜綸、聚酰亞胺纖維等，這些纖維各有優(yōu)勢(shì)與不足，適用的工況各異，其在高溫?zé)煔獬龎m領(lǐng)域的應(yīng)用與研究已有大量報(bào)道［19-24］。作為一種新型耐高溫纖維，聚噁二唑纖維在眾多耐高溫阻燃領(lǐng)域的應(yīng)用與研究處于起步階段，研究成果極少。雖然聚噁二唑纖維在高溫?zé)嵫鯒l件下的力學(xué)性能下降較少，高溫尺寸穩(wěn)定性好(熱收縮小、線密度變化較小)，具有與聚酰亞胺相似的耐溫性能［25］，但高溫?zé)煔獾膶?shí)際工況很復(fù)雜，含塵空氣中除含有O2外，還含有大量 CO、CO2、SO2、SO3、HOx等腐蝕性氣體［19-20］，會(huì)導(dǎo)致聚噁二唑纖維的熱氧降解規(guī)律不同。因此，研究聚噁二唑纖維及濾材在實(shí)際工況中的性能變化規(guī)律，發(fā)揮這種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的高性能纖維的優(yōu)點(diǎn)，使之為潔凈空氣起到重要作用，已成為纖維生產(chǎn)與研究者、濾材生產(chǎn)與應(yīng)用者的重要任務(wù)。本文將對(duì)POD濾材的力學(xué)性能與過濾性能的變化規(guī)律進(jìn)行初步探討，以期為聚噁二唑纖維在高溫?zé)煔膺^濾領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用起到積極作用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 纖維與濾材基布的制備

聚噁二唑纖維制備:采用20%的發(fā)煙硫酸作溶劑和脫水劑，對(duì)苯二甲酸、改性阻燃單體和硫酸肼為單體，通過共縮聚得到聚-1，3，4-噁二唑聚合物溶液。以聚噁二唑溶液為紡絲原液，經(jīng)混合、脫泡、過濾后，采用濕法紡絲成形工藝紡制得到聚-1，3，4-噁二唑初生纖維，再經(jīng)洗滌、烘燥、高溫定型、卷曲、上油、烘干、切斷、打包，得到成品聚噁二唑纖維(商品名寶德綸，PODRUNTM)。

濾材基布制備:聚噁二唑纖維經(jīng)環(huán)錠紡紗方法純紡得到聚噁二唑紗線，再經(jīng)絡(luò)筒、并捻得到所需規(guī)格(經(jīng)紗38.9 tex×3和緯紗38.9 tex)的紗線;將紗線以150根/(10 cm)×50根/(10 cm)的經(jīng)緯紗密度經(jīng)機(jī)織而成平紋基布。

1.2 聚噁二唑耐高溫濾材的制備

聚噁二唑纖維在開清棉工序開松后，分別送入兩臺(tái)梳理機(jī)而分梳、成網(wǎng)，再經(jīng)兩臺(tái)交叉鋪網(wǎng)機(jī)鋪疊形成上下兩層纖維網(wǎng)層;同時(shí)將機(jī)織基布引入兩層纖維網(wǎng)層之間，經(jīng)預(yù)刺初步加固，然后分別經(jīng)由上下主針刺(上下交叉兩道)加固、切邊、卷繞，得到POD未整理針刺濾布。未整理針刺濾布經(jīng)燒毛、燙光、熱壓定型后，得到潔凈聚噁二唑?yàn)V材，直接縫制成濾袋(Φ160 mm×6 200 mm)，試用于江蘇金柳熱電江南有限公司(未取樣)、河南孟電集團(tuán)水泥有限公司(半年、一年后各取樣1次)。

1.3 樣品制備與測(cè)試表征

1.3.1 纖維性能測(cè)試

纖維常規(guī)性能包括線密度和拉伸性能(斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)等)，拉伸性能按照GB/T 14337—2008《化學(xué)短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，纖維線密度按照GB/T 14335—2008《化學(xué)短纖維線密度試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。纖維線密度測(cè)試采用XD－1型纖維細(xì)度儀(上海新纖儀器有限公司)，纖維拉伸性能測(cè)試采用XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀(上海新纖儀器有限公司)。

纖維的熱分解性能采用Q600型熱分析儀(美國(guó)TA公司)在N2氛圍下進(jìn)行測(cè)試，樣品為充分烘干的纖維粉末(5～10 mg)。程序升溫前，在150℃平衡10 min，然后程序升溫，升溫速率為20℃/min，測(cè)試溫度范圍為150～850℃。

將纖維置于ZKG4080型高溫烘箱中，在一定溫度下(200、250、300℃)老化一定時(shí)間，對(duì)比其老化前后的拉伸性能變化，用以表征其耐熱氧老化性能。相類似，將纖維置于一定濃度、溫度的酸堿溶液中浸漬一定時(shí)間，洗滌干燥后，對(duì)比其浸漬前后的拉伸性能變化，用以表征其耐酸堿性能。其中，斷裂強(qiáng)度保留率為老化后的斷裂強(qiáng)度占原始樣品斷裂強(qiáng)度的百分率。

1.3.2 濾材性能測(cè)試

按照GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》測(cè)試濾材的物理性能(單位面積質(zhì)量、厚度等)、力學(xué)性能(主要為拉伸性能)、過濾性能(濾材阻力、過濾效率)等。

濾材單位面積質(zhì)量按照GB/T 4669—2008《紡織物機(jī)織物單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。濾材厚度按照FZ/T 60004—1991《非織造布厚度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試儀器為YG141D型數(shù)字式織物厚度儀(常州一紡儀紡電儀器有限公司)。濾材拉伸性能按照GB/T 3923.1—1997《紡織品織物拉伸性能》(條樣法)進(jìn)行測(cè)試，儀器為HD026H型電子織物強(qiáng)力儀(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，以基布的經(jīng)紗方向?yàn)榻?jīng)向，緯紗方向?yàn)榫曄?。濾材透氣度按照 GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試，儀器為YG461E型全自動(dòng)織物透氣量?jī)x(溫州大榮紡織儀器有限公司)。

過濾阻力與分級(jí)(過濾)效率的測(cè)試大氣條件為25℃，RH65%，測(cè)試儀器為AFC-131型濾料測(cè)試臺(tái)(德國(guó)Topas公司)。阻力測(cè)試時(shí)，將濾材剪切成Φ150 mm的圓形樣品，測(cè)試氣體流速為2.0～5.0 m/min，級(jí)差為10%;過濾效率測(cè)試時(shí)，同樣為Φ150 mm圓形樣品，濾材所受面風(fēng)速為0.05～1.0 m/s。濾材孔徑測(cè)試采用 PSM-165型濾材孔徑測(cè)試儀(泡點(diǎn)法，德國(guó) Topas公司)，測(cè)試液為Topor溶液，氣壓范圍為350～100 000 Pa。

濾材動(dòng)態(tài)過濾性能測(cè)試采用符合GB/T 12625—1990的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置，濾材尺寸為Φ65 mm×250 mm，試驗(yàn)用粉塵為Al2O3，粉塵濃度為5 g/m3，濾材表面風(fēng)速為1.0 m/min，定壓清灰預(yù)定值為1 000 Pa，清灰氣體壓力為0.5 MPa。

濾材與纖維形貌特征觀察采用掃描電鏡進(jìn)行。將濾材樣品經(jīng)噴金處理后，在掃描電鏡(S4800LV，日本Hitachi公司，INSPECT F，美國(guó)FEI公司)下觀察其形貌特征，電鏡加速電壓分別15和20 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚噁二唑纖維的性能特征

2.1.1 聚噁二唑纖維的力學(xué)性能

聚噁二唑(下稱POD)纖維的耐熱、力學(xué)性能及其形態(tài)結(jié)構(gòu)不僅受到分子結(jié)構(gòu)、噁二唑成環(huán)程度、分子量及其分布的影響，很大程度上還受到凝固條件(凝固浴組成、溫度、濃度等)的影響，這些影響因素可通過聚合階段與紡絲成形、后處理階段進(jìn)行有效控制。因采用稀硫酸作為凝固劑，凝固作用較為強(qiáng)烈，POD纖維呈不規(guī)則的近圓形結(jié)構(gòu)，表面有較多溝槽與皺褶［12-13，16］。

將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽樣的POD纖維與濾材用國(guó)產(chǎn)間位芳綸進(jìn)行了線密度與拉伸性能測(cè)試，測(cè)試指標(biāo)列于表1。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在線密度相近時(shí)，POD纖維的強(qiáng)度與初始模量稍低，斷裂伸長(zhǎng)略大，斷裂比功較大，纖維具有“強(qiáng)而韌”的特征;其各項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)略大，說明POD纖維生產(chǎn)的穩(wěn)定性尚待進(jìn)一步提高。

表1 POD纖維與國(guó)產(chǎn)間位芳綸常規(guī)性能指標(biāo)

2.1.2 POD 纖維的耐熱性能

POD纖維與間位芳綸在N2中的分解行為如圖1所示。圖1表明，POD纖維在失重5%、10%的起始分解溫度(Ti)分別為497.0、513.6 ℃，最大速率分解溫度(Tp)為546.0℃;間位芳綸在失重5%、10%時(shí)的起始熱分解溫度(Ti)分別為441.0、456.8℃，最大速率分解溫度(Tp)為468.2℃。結(jié)果初步表明，POD纖維的耐熱溫度高于間位芳綸約50℃。理論研究表明，POD纖維的熱分解活化能為 260 ～290 kJ/mol［12］，遠(yuǎn)高于間位芳綸的分解活化能(170 ～190 kJ/mol)［27］，證實(shí)了 POD 纖維的熱穩(wěn)定性高于間位芳綸。POD纖維的玻璃化溫度(Tg)＞400 ℃，而間位芳綸的 Tg為275 ℃［12，26］，說明POD纖維不僅具有良好的耐熱性，而且在耐高溫濾材的使用溫度下具有更好的尺寸穩(wěn)定性。POD纖維在200、250、300℃的干熱收縮率分別為0.3%、0.6%、1.0%，而間位芳綸的干熱收縮率對(duì)應(yīng)為0.6%、1.0%、3.5%，說明 POD 纖維的高溫尺寸穩(wěn)定性更好，纖維及其制品在300℃以下溫度使用時(shí)的形變很小。熱收縮導(dǎo)致的間位芳綸與制品的明顯形變?nèi)缇€密度增大［25］、織物變形等，應(yīng)在使用時(shí)引起較大關(guān)注。

圖1 POD纖維與間位芳綸熱分解TG與DTG圖

進(jìn)一步對(duì)POD纖維的長(zhǎng)期耐熱氧老化性能進(jìn)行測(cè)試，其在200、250、300℃干熱空氣條件下熱氧老化過程的強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖2所示。圖2表明，在200℃熱氧條件下，經(jīng)80 d后，POD纖維的強(qiáng)度保持率為87.1%;在250℃熱氧條件下，經(jīng)65 d后，POD纖維的強(qiáng)度保持率為64.4%;在300℃熱氧條件下，經(jīng)25 d后，POD纖維的強(qiáng)度保持率為82.8%。前期研究表明，POD纖維在250℃熱氧條件下，其力學(xué)性能變化趨勢(shì)與聚酰亞胺纖維(P84)相似，高溫尺寸穩(wěn)定性也相似，兩者在高溫下的線密度變化均很小(間位芳綸變化大)［25］。這些結(jié)果表明，POD纖維在200、250℃熱氧條件下可長(zhǎng)期使用，在300℃熱氧條件下可短期使用，而在350℃熱氧條件下可瞬間使用［12］。

圖2 不同溫度下POD纖維熱氧老化的強(qiáng)度變化情況

2.1.3 POD纖維的耐酸堿性能

POD聚合物結(jié)構(gòu)中不僅存在大量的噁二唑環(huán)，也存在少量為成環(huán)的酰肼基團(tuán)，兩者在酸堿溶液中會(huì)受到H+或OH－催化作用，發(fā)生噁二唑環(huán)開環(huán)反應(yīng)［28］或水解反應(yīng)，導(dǎo)致鏈結(jié)構(gòu)破壞而斷鏈?zhǔn)狗肿恿肯陆?，從而使力學(xué)性能下降。圖3為POD纖維經(jīng)20%NaOH、H2SO4溶液浸漬后的強(qiáng)度變化趨勢(shì)。圖3表明，POD纖維受堿溶液作用時(shí)，強(qiáng)度開始下降較快，而后趨于平緩。其原因可能是:酰肼基團(tuán)可在OH－催化下水解斷裂(類似酰胺鍵的水解)，而POD結(jié)構(gòu)中酰肼基團(tuán)很少，故聚合物斷鏈至一定分子量后，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。POD在受H2SO4溶液作用后，纖維強(qiáng)度一直呈下降趨勢(shì)。其原因是:H+催化作用可導(dǎo)致噁二唑環(huán)開環(huán)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，聚合物斷鏈一直進(jìn)行，分子量持續(xù)下降，纖維的強(qiáng)度也一直下降。將POD纖維與間位芳綸在相同的酸堿溶液中進(jìn)行浸漬處理，其結(jié)果列于表2。結(jié)果表明，POD纖維的耐堿性能優(yōu)于間位芳綸，而耐酸性能較間位芳綸差。耐酸堿性能測(cè)試結(jié)果說明，POD纖維作為耐高溫濾材使用時(shí)，應(yīng)盡量選擇煙氣含濕量低的工況，以避免酸催化下的開環(huán)降解。

圖3 20%NaOH、H2SO4對(duì)POD纖維強(qiáng)度的影響

表2 POD纖維與間位芳綸經(jīng)相同酸堿溶液老化后的強(qiáng)度保持率

2.2 聚噁二唑?yàn)V材的力學(xué)性能

POD纖維經(jīng)開松、梳理成網(wǎng)、鋪疊、引入基布、針刺加固、燒毛、熱壓定型加工后，成為可加工成濾袋的潔凈濾材。測(cè)試POD潔凈濾材的拉伸性能，并與同樣工藝制備的間位芳綸潔凈濾材相對(duì)比，其結(jié)果列于表3。經(jīng)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在濾材加工參數(shù)合理的情況下，POD濾材完全能滿足GB/T 6719—2009的要求;盡管間位芳綸的單纖強(qiáng)度高于POD纖維，但POD濾材經(jīng)緯向拉伸強(qiáng)度均高于同規(guī)格的間位芳綸濾材。這是因?yàn)镻OD纖維的不規(guī)則形狀與不光滑表面，使之具有良好的“抱合性”與“可紡性”，針刺過程中，纖維更容易“交纏、鎖結(jié)”，使濾布在拉伸斷裂過程中，纖維斷裂較多而滑脫較少，纖維強(qiáng)度利用率高。

表3 POD/間位芳綸針刺濾材的拉伸性能指標(biāo)對(duì)比

從POD針刺濾材的拉伸曲線(圖4)可知，濾材的緯向強(qiáng)度主要由纖維集合體決定，而經(jīng)向強(qiáng)度主要由基布決定。在緯向條樣拉伸過程中，當(dāng)基布的緯紗斷裂時(shí)，緯紗集合體的強(qiáng)度小于非織造布纖維集合體的強(qiáng)度，拉伸行為繼續(xù)進(jìn)行，直至非織造布纖維集合體破壞而斷裂或斷脫;在經(jīng)向條樣拉伸過程中，當(dāng)基布的經(jīng)紗斷裂時(shí)，經(jīng)紗集合體的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于非織造布纖維集合體在此伸長(zhǎng)下的強(qiáng)度，拉伸行為終止，濾材的經(jīng)向強(qiáng)度由基布的經(jīng)紗集合體決定。因此，為保證應(yīng)用領(lǐng)域?qū)V材強(qiáng)度與形變(經(jīng)向形變要小)要求，可通過設(shè)計(jì)紗線(線密度、捻度、股數(shù))、基布(組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯紗密度)參數(shù)與工藝而實(shí)現(xiàn)。

圖4 POD濾材的拉伸曲線

2.3 聚噁二唑?yàn)V材的耐熱性能

將潔凈POD濾材在200℃下干態(tài)老化24 h，其老化后的拉伸性能指標(biāo)列于表4。將在工場(chǎng)(河南孟電集團(tuán)水泥有限公司水泥窯頭，使用條件:處理風(fēng)量為4.5×105m3/h，氣體溫度＜200℃，過濾風(fēng)速 ＜1 m/min，濾袋規(guī)格為Φ160 mm×6 200 mm)已使用半年、一年的含塵POD濾袋的拉伸性能指標(biāo)也列于表4。數(shù)據(jù)表明，經(jīng)24 h熱氧老化后，POD濾材的拉伸性能基本沒有變化，說明POD濾材具有良好的短期耐熱性。表4中數(shù)據(jù)表明，經(jīng)工場(chǎng)使用半年、一年后，POD濾材的經(jīng)向強(qiáng)度基本沒有下降，但斷裂伸長(zhǎng)率有增大趨勢(shì);緯向強(qiáng)度分別下降了19.4%、29.8%，但其斷裂伸長(zhǎng)率未產(chǎn)生大幅變化。該現(xiàn)象的可能原因是:濾材在使用與清灰過程中的受力使其經(jīng)向變形小而緯向變形大，經(jīng)向產(chǎn)生“應(yīng)力松弛”效應(yīng)，緯向產(chǎn)生“蠕變”效應(yīng);經(jīng)向的強(qiáng)度由紗線決定，紗線“松弛”后，其強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生較大變化，但斷裂伸長(zhǎng)會(huì)增加;濾材緯向拉伸性能主要取決于纖維間的“交纏鎖結(jié)”，大的變形會(huì)導(dǎo)致部分纖維“解交纏”，“解交纏”過程與同時(shí)伴隨的材料熱氧、酸堿老化共同導(dǎo)致濾材緯向強(qiáng)度的下降，而斷裂伸長(zhǎng)依然由纖維的“交纏”結(jié)構(gòu)決定，不產(chǎn)生大幅降低現(xiàn)象。

表4 老化與使用前后POD濾材的拉伸性能變化情況

2.4 聚噁二唑?yàn)V材的過濾性能

2.4.1 潔凈濾材的靜態(tài)過濾性能

同規(guī)格(550 g/m2)經(jīng)相同后處理工藝的潔凈POD濾材、間位芳綸針刺濾材、間位芳綸水刺濾材的孔徑分布如圖5(a)所示;在不同過濾速度(面風(fēng)速)條件下所受阻力(氣流穿過濾材時(shí)的壓力差)如圖5(b)所示;對(duì)不同粒徑粉塵的過濾效率如圖5(c)所示。由圖5(a)和圖5(b)計(jì)算得到的平均孔徑、阻力系數(shù)及測(cè)得的透氣度值如表5所示。

圖5(a)與表5表明，POD濾材的孔徑基本均布在39 ～41 μm 區(qū)間，均值為39.84 μm;而間位芳綸針刺濾材的孔徑分布在4.7～48 μm區(qū)間，主要集中在4.7～22 μm 區(qū)間，占 88.9%，孔徑均值為13.82 μm?？梢姡g位芳綸針刺濾材孔徑小、分布范圍寬、分散程度高，而POD濾材孔徑大、分布均一、集中程度高。相比于同規(guī)格的間位芳綸針刺濾材，間位芳綸水刺濾材孔徑分布較窄，分布在10～29 μm，集中在 10 ～16 μm(占 83.3%)，其均值為13.85 μm，但依然為高分散性分布。比較圖5和表5數(shù)據(jù)可知，POD濾材的過濾阻力介于間位芳綸針刺濾材與水刺濾材之間，但將三種濾材的阻力與面風(fēng)速數(shù)據(jù)點(diǎn)各自擬合成直線后，三者阻力與面風(fēng)速數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合直線斜率分別為16.93、28.12、10.15，說明POD濾材阻力對(duì)過濾速度的增加幅度平緩，與芳綸水刺布相近;同樣，POD濾材阻力系數(shù)與透氣度均與芳綸水刺布相近，遠(yuǎn)低于芳綸針刺布。進(jìn)一步分析圖5(c)數(shù)據(jù)可知，粉塵粒徑為2 μm時(shí)，POD濾材效果不太理想，過濾效率只有75%，粉塵粒徑越小，POD濾材的過濾效果越不明顯，與芳綸針刺布效率相近;但對(duì)于3 μm以上粒徑的粉塵，POD濾材的過濾效率超過90%，對(duì)于6.5 μm及以上粒徑的粉塵，其過濾效率達(dá)到100%，與芳綸水刺布過濾效果相當(dāng)(芳綸針刺布只能達(dá)到94.3%)。

圖5 不同種類濾材的過濾性能

表5 POD濾材與間位芳綸濾材的過濾性能對(duì)比

圖6 潔凈間位芳綸濾材表面與纖維表面SEM

圖7 潔凈POD濾材及其纖維SEM

一般認(rèn)為，非織造濾料的孔徑大小與分布對(duì)過濾性能有重要影響，孔徑越大、孔徑分布分散程度越大，過濾效率越低，過濾阻力越?。?9］;但由圖5和表5可知，POD針刺濾材的孔徑大，過濾阻力小，對(duì)3 μm粒徑以上粉塵的過濾效率非常高。一方面，可能是POD針刺濾材孔徑分布窄、均一性好、集中度高。另一方面，通過分析潔凈間位芳綸針刺濾材和POD針刺濾材的表面微觀結(jié)構(gòu)(圖6和圖7)知:間位芳綸為圓形，在后處理過程中濾布表面的部分纖維收縮變形，纖維的分離度不太好(束狀纖維多)，從而導(dǎo)致孔徑分布分散性大，對(duì)粉塵的捕集效果差而使過濾效率不高;POD濾材結(jié)構(gòu)中，纖維分離度高(基本分離為單根纖維)，纖維在后整理過程中不產(chǎn)生變形(收縮變粗)，孔隙分布較均勻，且纖維表面不光滑、有明顯溝槽，截面呈不規(guī)則形狀［圖7(b)］，比表面積大，因此，POD纖維對(duì)粉塵的捕集效果好，過濾效果好。

當(dāng)然，可通過改變針刺參數(shù)特別是改變刺針的規(guī)格型號(hào)(如鉤刺形狀、數(shù)量、排布)、分布等進(jìn)一步使POD針刺濾材孔徑變?。?0］，從而提高其對(duì)小粒徑粉塵的過濾效果;還可采用水刺加固法進(jìn)一步改善孔徑的分布與孔徑大小來提高濾材對(duì)小粒徑粉塵的過濾效率。

2.4.2 潔凈濾材的動(dòng)態(tài)過濾性能

將潔凈POD濾材按照GB/T 6719—2009要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)過濾性能測(cè)試，其結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明:POD濾材具有很好的動(dòng)態(tài)過濾效率，在1 000 Pa定壓噴吹的前30個(gè)周期結(jié)束時(shí)，過濾效率達(dá)到99.990%，而經(jīng)噴吹老化10 000次后的第二個(gè)定壓噴吹30個(gè)周期結(jié)束時(shí)，其過濾效率達(dá)到99.994%，過濾效率與覆膜針刺濾材［19］相當(dāng)，而好于一般針刺濾材，這與上述靜態(tài)過濾效果的分析結(jié)論相吻合;POD針刺濾材的最終粉塵剝離率達(dá)到83.4%，低于覆膜濾材，與一般針刺濾材相當(dāng);POD針刺濾材的殘余阻力在第一個(gè)定壓噴吹過程結(jié)束后為74.6 Pa，遠(yuǎn)低于一般針刺濾材，第二個(gè)定壓噴吹過程結(jié)束后為187.2 Pa，與一般針刺濾材相當(dāng)。

表6 POD濾材的動(dòng)態(tài)過濾性能

2.4.3 使用一定時(shí)間的容塵濾材的過濾性能

潔凈POD濾材及實(shí)際工場(chǎng)使用半年、一年的容塵POD濾材的孔徑分布如圖8(a)所示，在不同過濾速度(面風(fēng)速)條件下所受阻力(氣流穿過濾材時(shí)的壓差)如圖8(b)所示，不同粉塵粒徑下的濾材過濾效率如圖8(c)所示。由圖8(a)和圖8(b)計(jì)算得到的平均孔徑、阻力系數(shù)及測(cè)得的透氣度值列于表7。

圖8 不同POD濾材的過濾性能

圖8(a)與表7表明，經(jīng)實(shí)際工場(chǎng)使用后的容塵POD濾材的孔徑變小，使用半年、一年的容塵POD 濾材平均孔徑分別為 5.70 和 5.00 μm，但使用后的容塵POD濾材的孔徑分布依然較窄、集中度較高。使用半年的容塵POD濾材孔徑分布在5.2 ～8.1 μm 間，主要集中在 5.2 ～6.5 μm 間，占72.7%;使用一年的容塵POD濾材孔徑分布在5.5～33.5 μm 間，主要集中在 5.5 ～ 10.0 μm 間，占92.5%，其中 5.5 μm 左右的孔徑占 84.9%。圖8(b)和圖8(c)與表7表明，使用半年的容塵POD濾材的過濾阻力最高，使用一年的容塵POD濾材阻力介于潔凈濾材與使用半年的濾材之間，接近于潔凈濾材;但使用半年與使用一年的容塵POD濾材的過濾效率大幅度上升，對(duì)2.05 μm的粉塵過濾效率接近95%，而對(duì)2.74 μm的粉塵過濾效率為99%，對(duì)5.00 μm以上粒徑的粉塵過濾效率達(dá)100%。

表7 使用前后POD濾材的過濾性能對(duì)比

觀察容塵POD濾材的表面結(jié)構(gòu)(見圖9)可知，POD濾材的濾餅首先在纖維鎖結(jié)點(diǎn)(針刺纏結(jié)點(diǎn))開始形成，然后逐步生長(zhǎng)，覆蓋至全部濾材表面。在濾餅形成過程中，POD纖維上較少沾染、附著粉塵，在過濾過程中濾材的孔隙不會(huì)被粉塵堵塞，因而在達(dá)到粉塵捕集與脫落平衡狀態(tài)后，容塵POD濾材的過濾阻力仍處于較低水平。

上述說明POD潔凈濾材在使用過程中，隨著粉塵的附著逐步形成濾餅。濾餅形成后，容塵濾材的平均孔徑變小，過濾效果提高，一定時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其過濾阻力在前期一段時(shí)間增加，當(dāng)粉塵捕集與脫落達(dá)到平衡后，濾材的過濾阻力趨于穩(wěn)定，接近潔凈濾材。

圖9 使用后容塵POD濾材表面SEM

3 結(jié)語

POD纖維具有良好的耐熱性、高溫尺寸穩(wěn)定性、耐腐蝕性、可紡性，可應(yīng)用于高溫?zé)煔膺^濾領(lǐng)域。POD耐高溫濾材的耐熱性能好，可在250℃以下溫度長(zhǎng)期使用;由于纖維的可紡性、抱合性好，濾材具有較高的拉伸強(qiáng)度;濾材表面纖維經(jīng)熱處理后不變形，纖維在濾材中分布均勻，盡管濾材的孔徑較大，但分布集中均一;分布集中的孔徑和纖維特有的表面與截面形態(tài)使?jié)崈魹V材的過濾阻力小、過濾效率高;容塵濾材的孔徑大幅度減小，但分布集中性好，過濾效率大幅提高。POD纖維在高溫濾材領(lǐng)域的應(yīng)用與研究剛剛起步，今后應(yīng)在尋找最適用工況、減小孔徑以進(jìn)一步提高過濾效率、與其他耐高溫纖維進(jìn)行混紡等方面做出努力，使POD纖維在耐高溫濾材領(lǐng)域發(fā)揮其應(yīng)有的作用與優(yōu)勢(shì)。

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