聚丙烯纤维耐酸腐蚀性能研究

李岱霖,刘洋,杨洁,洪和平,邱新标

（1.厦门理工学院环境工程系,福建厦门361024；2.厦门美达斯环保工业有限公司,福建厦门361027）

随着钢铁、冶金、水泥、化工等行业近年来迅猛发展,工业烟尘尾气的排放量相应俱增.悬浮颗粒物含量超标引起的大气环境污染将导致环境效应、气候效应和健康效应不同程度的恶化[1],我国“十一五”规划纲要明确提出将微细颗粒物作为城市大气污染物防治的重点[2].

在众多除尘技术中,袋式除尘的突出特点是除尘效率高,实验室条件下净化率高达99.999%,实际应用中可达到99.9%,致使烟气中粉尘排放浓度低至10 mg/Nm3以下,甚至达到2 mg/Nm3[3].此外,袋式除尘设备具有投资成本低、占地面积小、处理风量大、运行和维修操作简易方便等众多优势,得到工业烟尘尾气治理行业的广泛推崇,截至2009年,其应用数量约占各类除尘器总量的60%以上[4].

过滤材料（滤料）是袋式除尘器的核心部件之一,其自身性能将直接影响实际除尘效率和除尘效果.聚丙烯纤维由丙烯单体经分子间聚合而成,具有成本低、密度小、通透性高、拉伸强度大等优势,成为一种常见的袋式除尘常温滤料[5].在酸性尾气工况条件下,聚丙烯可能由于酸性物质（如：SOx和NOx）的腐蚀加剧老化、容易产生破损,缩短使用寿命.这一缺陷限制了其在除尘行业的应用,一定程度上增加了袋式除尘运行成本.针对上述使用现状,选取厦门某企业自主生产的聚丙烯产品LB450（克重：450 g/m2）为研究对象,通过模拟不同工况使用条件,考察耐酸腐蚀性能,旨在为聚丙烯纤维表面改性研究提供实验线索,为滤料的合理选用提供理论指导.

1 实验部分

1.1 耐酸腐蚀实验

利用溶液腐蚀实验法,在酸度（H2SO4）和温度实验水平下（见表1）,考察LB450经历60 h的老化过程.实验试样的制备以《织物断裂强力和断裂伸长的测定》（GB3923—1997）为标准,采取平行剪裁法进行.

表1 聚丙烯耐酸腐蚀实验因素水平Tab.1 Experimental factors and levels of polypropylene acid corrosion resistance

1.2 断裂强力测试

断裂强力指滤料发生断裂时的应力.由袋式除尘原理所致,滤料在使用过程中将持续受到高通量含尘尾气的惯性碰撞和定期清灰引起的拉伸、扭曲、收缩、膨胀等机械磨损作用.对于腐蚀前后的滤料,可以借助断裂强力指标反映其耐久性,评价耐腐性能[6].LB450试样的断裂强力测试参照《织物断裂强力和断裂伸长的测定》（GB 3923—1997）,在型号为YG026B的电子织物强力机上完成.为了直观反映腐蚀样的耐腐性能变化,本文根据（1）式计算了断裂强力保持率（）,其中Fi和F0分别表示腐蚀和空白样的断裂强力.

1.3 红外光谱测试

借助Nicolet380型红外光谱仪,分别对LB450空白样和腐蚀样进行了红外光谱测试,从微观分子组成水平考察聚丙烯的老化过程,对其耐腐性能变化规律做出较合理的解释.

2 结果与分析

2.1 LB450的耐酸腐蚀性能

LB450的耐酸腐蚀性能结果见图1.

图1 LB450断裂强力保持率随酸度变化曲线Fig.1 Breaking strength retention changing curves of LB450 versus acidity

由图1可知,40℃时,随着酸度的增加,LB450的经、纬向λ保持在80%以上,表现出较好的耐酸腐蚀性能.60℃时,随着酸度的增加,LB450的经、纬向λ均呈现较明显的降低,到了80℃,该降低趋势更加显著,表明耐腐性能随酸度和温度的升高呈降低趋势,当温度高于60℃时,即使在较低酸度条件下,LB450的耐腐性能不理想.

2.2 红外光谱分析

图2 LB450空白和腐蚀样（80℃）的红外谱图Fig.2 Infrared spectrum images of the blank and corrosion samples（80℃）ofLB450

由图2可知,随着酸度的增加,LB450空白样中,1640 cm-1附近的吸收峰逐渐减弱,酸度达到70%,该吸收峰几乎消失；在腐蚀样中,1710 cm-1附近产生了吸收峰,吸收强度逐渐增加.产生该现象的原因可能是：聚丙烯纤维中存在叔碳原子,由于甲基诱导效应一定程度上增加了其反应活性,使其容易被氧化[7]；此外,纤维中含有少量不饱和碳碳双键（1640 cm-1）,被氧化的可能性有所提高[8].在较高温度（80℃）下,随着酸度的增加,H2SO4提供酸性介质的同时,表现出不同程度的氧化性,将长期浸泡的LB450氧化成羰基类化合物,产生1710 cm-1附近的羰基碳氧伸缩振动吸收峰[9].早期研究报道表明,聚丙烯氧化的主要产物包括醛、羧酸和酮类化合物[10],分子中均含有碳氧双键,本文红外测试结果有力支持了该结论.

LB450红外谱图很好的解释了相应条件下的耐腐性能变化规律.以80℃的经向为例,酸度30%时,LB450的λ为73.52%,耐腐性能有所降低.相应腐蚀样的红外谱图显示,1640 cm-1附近的吸收峰相较于空白样有所减弱,在1710 cm-1附近产生了一个强度较小的吸收峰,表明该条件下LB450被部分氧化.随着酸度的增加,λ呈现较为显著的降低趋势,与之对应的红外谱图显示,1640 cm-1附近的吸收峰逐渐减弱,1710 cm-1附近的吸收峰强度逐渐增加,表明耐腐性能随着氧化程度的加剧而减弱.

3 结论

利用溶液腐蚀实验法,在酸度和温度实验水平下,考察了LB450的耐酸腐蚀性能,结果表明：温度低于40℃,LB450适宜长时间使用；否则,应结合工况酸度进行合理选用.LB450在硫氧化物含量较高的酸性尾气中,耐腐性能降低的主要原因可能是发生了氧化作用.针对聚丙烯纤维的表面改性有待从提高其抗氧化性方面着手.

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