一种耐高温水解的聚酰亚胺过滤材料的制备及其性能研究

李兵涛 金平良 柯勤飞

(1.东华大学纺织学院，上海，201620;2.上海纺织建筑设计研究院，上海，200060)

2012年中国国务院同意发布新修订的《环境空气质量标准》，将PM2.5写入“国标”，大气污染控制成为人们关注的热点。袋式除尘器可以通过净化过滤高温烟气来对大气污染进行有效控制，耐高温过滤材料是其中起到过滤作用的关键材料，因此成为大气污染控制研究的重要课题。

常用的耐高温过滤材料主要是玻璃纤维过滤材料、芳纶过滤材料、聚四氟乙烯(PTFE)纤维过滤材料、聚苯硫醚(PPS)纤维过滤材料、聚酰亚胺(PI)纤维过滤材料［1］。其中，PI纤维的显著特点是截面呈三叶形［2］，比表面积比较大，易捕集粉尘。PI纤维最高工作温度可达260℃，还能承受300℃的瞬时高温［3］，因此PI纤维过滤材料是耐高温过滤材料的重要研究对象。由于PI纤维在酸、碱环境下易发生水解，本身又不具有拒水拒油的特性，若用PI纤维制作成滤袋，容易出现滤袋断裂强力下降或糊袋现象，严重影响滤袋的除尘效率和使用寿命。为了克服PI纤维过滤材料的缺陷，国内外研究人员对其进行了大量研究［4-9］，但都未能很好地解决这个问题。

本文采用以PTFE与环氧酚醛树脂为主的整理液，对PI纤维过滤材料进行浸渍整理，再经低温防泳移预烘和高温交联焙烘等多种技术方案，制得一种耐高温水解的PI过滤材料。该过滤材料具有耐高温水解和拒水拒油的特性，各项测试结果均达到或超过GB/T 6719—2009《袋式除尘器技术要求》［10］中所规定的指标，能够满足实际工况需求。

1 试验部分

1.1 材料

1.1.1 过滤材料

PI纤维经过开松、混合、梳理、交叉铺网制得上下两层纤网，并以PI纱线机织基布作为中间层，经针刺加固制得过滤材料，再经喷吹、抽吸、除尘得到洁净的过滤材料坯体。

1.1.2 浸渍整理液

浸渍整理液配方见表1。

1.2 内容与方法

用整理液对PI纤维过滤材料进行浸渍整理，再经预烘焙烘制得耐高温水解的PI过滤材料。

(1)浸轧整理工艺:两次轧辊浸渍一次轧辊挤压，挤压辊之间线压力为115～145 N/cm，生产速度为2.7 ～4.6 m/min，轧液率为100% ～120%。

表1 浸渍整理液配方

(2)预烘焙烘工艺:预烘温度为95～115℃，预烘时间1～2 min，预烘后坯料含液率为30% ～35%;第一焙烘区域温度为180～190℃，第二焙烘区域温度为215～225℃，第三焙烘区域温度205～215℃，第四焙烘区域温度为185～195℃，各区域焙烘时间均为1～2 min。

1.3 性能测试

(1)拒水等级按 AATCC 193—2005［11］方法测试。

(2)拒油等级按 AATCC 118—2007［12］方法测试。

(3)淋水等级按 AATCC 22—2005［13］方法测试。

(4)接触角按 ASTM D 5725—1999［14］方法测试。

(5)过滤材料高温水解试验方法

①连续工作温度的高温水解试验方法:将过滤材料在选定的连续工作温度下处理24 h，再经20%H2SO4(质量分数)溶液处理24 h后，按GB/T 6719—2009《袋式除尘器技术要求》测定过滤材料的断裂强力保持率。

②瞬时工作温度的高温水解试验方法:将试样在所选择瞬时温度下加热10 min，然后放置在室温下冷却10 min，按此加热、冷却循环重复10次，再经20%H2SO4溶液(质量分数)处理24 h后，按GB/T 6719—2009《袋式除尘器技术要求》测定过滤材料的断裂强力保持率。

2 结果与讨论

2.1 整理前后PI过滤材料的基本性能分析

由表2可以看出，经过浸渍整理后，PI过滤材料的面密度、厚度和纵横向断裂强力均有所提高，但变化不是很大;纵横向断裂伸长率有下降趋势，降低趋势不是很明显。

表2 整理前后PI过滤材料的基本性能

2.2 整理前后PI过滤材料的拒水拒油性能分析

由表3可以看出，未经整理的PI过滤材料不具有拒水拒油的性能，拒水拒油等级均为0级;经过整理后，拒水拒油效果明显提高，拒水和拒油等级均达到8级，淋水等级达到4级，水和正十六烷在PI过滤材料表面的接触角分别为140°～146°和110°～118°。

表3 整理前后PI过滤材料的拒水拒油性能

2.3 PI过滤材料的耐高温水解性能分析

由图1可以看出，PI过滤材料经连续工作温度200℃下24 h的高温水解试验，纵向和横向断裂强力保持率在100% ～109%;经瞬时工作温度230℃的高温水解试验，纵向和横向断裂强力保持率为100%～110%;经瞬时工作温度250℃的高温水解试验，纵向和横向断裂强力保持率为101%～111%。

由表4可以看出:整理后的样品1的拒水和拒油等级均为8级;整理后的样品1经连续工作温度200℃下24 h的高温水解试验，其拒水等级为7级，拒油等级为5级;整理后的样品1经瞬时工作温度230和250℃的高温水解试验，其拒水等级分别为5和4级，拒油等级分别为4和3级。

上述各项测试结果均达到或超过GB/T 6719—2009《袋式除尘器技术要求》［10］中耐温特性和专项技术要求所规定的指标。

图1 整理后PI过滤材料经耐高温水解试验后的纵横向断裂强力保持率

表4 整理后的样品1在高温水解前后拒水等级与拒油等级对比

2.4 SEM 分析

图2是样品2整理前后的SEM照片。

由图2可以看出，经过耐高温水解整理后的PI过滤材料，其表面形成了一层均匀的PTFE多孔层，内部也有PTFE膜的形成。氟树脂包覆在纤维表面或者在纤维与纤维之间形成膜状结构，有效地保护了耐高温水解性能较差的PI纤维，同时也改善了产品的表面性能，使过滤材料表面“微孔化”。

2.5 红外分析

图3是样品2整理前后的红外光谱谱图。PTFE化合物在650 cm－1以上只出现1 211和1 155 cm－1两个强的吸收谱带，分别对应于CF2的反对称和对称伸缩振动吸收峰。

图2 样品2整理前后的SEM照片

图3 样品2整理前后的红外光谱

对比图3的红外光谱图发现:

(1)整理后与整理前相比，主要增加的吸收峰在1 730～1 780 cm－1和2 916～2 930 cm－1区间，同时存在1 211和1 155 cm－1两个强的吸收谱带。

(2)甲基与亚甲基吸收峰在2 850～2 950 cm－1区间，且在1 455 cm－1处也有吸收峰。1 350～1 390 cm－1的谱带是甲基的特征峰，该谱带不存在则表明化合物可能是脂环(或者开链烃两端有其他取代基)，不存在甲基。

通过对比发现整理后的材料有含氟整理剂的存在，说明含氟整理剂已经包覆在纤维表面，形成了良好的保护层。

3 结论

(1)经过耐高温水解整理后，PI过滤材料的面密度、厚度、纵向和横向断裂强力均有所提高，但变化不是很大;拒水拒油性能明显提高，效果显著。

(2)整理后的PI过滤材料经连续工作温度高温水解及瞬时工作温度高温水解试验后，纵向和横向断裂强力保持率均大于100%，且具有拒水拒油效果，各项测试结果均达到或超过GB/T6719—2009《袋式除尘器技术要求》中耐温特性和专项技术要求所规定的指标。

(3)经过整理的PI过滤材料，在其纤维表面形成了一层含氟整理剂保护层，能有效地保护PI纤维，使PI纤维在高温高湿下不易水解，并使过滤材料具有拒水拒油的性能。

［1］ 王璐，于斌，祝成炎，等.耐高温空气过滤材料的发展现状［J］.产业用纺织品，2010，28(3):1-5.

［2］ 范晓玲，郭秉臣，刘书平.新型耐高温过滤材料的研制［J］.产业用纺织品，2001，19(10):24-27.

［3］ CHUNG Wenwei，LAGENAUR C F，YAN Yimin，et al.Developmental expression of neural cell adhesion molecules in the mouse neocortex and olfactory bulb［J］.The Journal of Comparative Neurology，1991，314(2):290-305.

［4］ 蔡伟龙，罗祥波，郑智宏，等.PTFE乳液涂层对针刺毡复合过滤材料过滤性能的改良［J］.电力科技与环保，2010，26(3):32-33.

［5］ 李华.燃煤锅炉烟气除尘用新型复合过滤材料过滤性能应用研究［D］.上海:东华大学，2005.

［6］ 邓洪，严荣楼，徐涛，等.新型玻纤/P84复合针刺毡的开发及应用［J］.技术与工程应用，2009(5):35-37.

［7］ 晏荣华，章勤华.新型复合过滤材料——P84/Glass［J］.产业用纺织品，2006，24(3):32-33.

［8］ 夏前军，于淼涵.作为迎尘面的氟纤维高温过滤材料及其制造方法:中国，200610085547.1［P］.2007-01-17.

［9］ 刘书平.P84涂层针刺毡:中国，201120113394.3［P］.2011-11-16.

［10］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 6719—2009.袋式除尘器技术要求［S］.北京:中国标准出版社，2009.

［11］ AATCC193—2005.Aqueous liquid repellency:water/alcohol solution resistance test［S］.2005.

［12］ AATCC118—2007.Oil repellency:hydrocarbon resistance test［S］.2007.

［13］ AATCC 22—2005.Water repellency:spray test［S］.2005.

［14］ ASTM D 5725—1999.Test method for surface wettability and absorbency of sheeted materials using an automated contact angle tester［S］.1999.