商龚平,韩恩林,牛鸿庆,田国锋,汪晓东,武德珍
(北京化工大学 化工资源有效利用国家重点实验室,北京 100029)
聚酰亚胺(PI)纤维具有高强高模的特点,兼具耐高低温、耐化学腐蚀、耐辐射、阻燃等多重特性,尤其是在复杂环境下,竞争优势明显[1-4]。PI纤维可以织成无纺布,应用到高温、放射性、有机气体和液体的过滤网、隔火毯等方面,是特殊环境下使用温度最高的过滤材料[5-8]。目前商品化的品种有P84 纤维,已经被制作成滤袋、无纺布等,广泛的应用在工业生产的过滤除尘方面,并且具有良好的过滤效果[7,9-11]。本实验室纺制的均苯四甲酸二酐/4,4'-二氨基二苯醚(PMDA/ODA)(简称PO)体系PI 纤维具有良好的热性能和耐辐射性能,向其中加入2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑(BIA)单体形成三元体系(简称POB)后,耐环境影响性能将进一步提高。作者根据纤维的使用环境,将自制的2 种体系的PI 纤维与P84 纤维在酸、碱、有机溶剂以及紫外光照条件下处理,并对纤维的结构和性能进行对比,为PI 纤维的实际应用提供指导。
自制纤维:PO 体系PI 纤维,线密度2.30 dtex,POB 体系PI 纤维,线密度2.00 dtex;P84 短纤维:线密度2.20 dtex,奥地利Evonic 公司产;硫酸(H2SO4):分析纯,95%~98%,北京益利精细化学品有限公司产;硝酸(HNO3):分析纯,65%~68%,北京现代东方精细化学品有限公司产;氢氧化钠:分析纯,固体含量大于等于96%,北京化工厂产;N,N-二甲基乙酰胺(DMAc):分析纯,美国杜邦公司产;甲苯、丙酮:分析纯,北京化工厂产。
1.2.1 酸性环境影响性实验
分别配制质量分数为10%,20%的H2SO4溶液,5%,10%的HNO3溶液。将3 种纤维浸泡在配制好的溶液中,5% HNO3溶液的处理温度为95℃,其余均为常温。处理不同时间后将纤维取出,用去离子水清洗干净,烘干备用。
1.2.2 碱性环境影响性实验
配制质量分数为5%的NaOH 溶液,在常温下将3 种纤维浸泡在NaOH 溶液中,隔一定时间将纤维取出,用去离子水清洗干净,烘干备用。
1.2.3 有机溶剂影响性实验
将3 种纤维浸泡在DMAc、甲苯和丙酮中,每168 h 取一次纤维。将纤维取出后,用去离子水清洗干净,烘干备用。
1.2.4 紫外照射影响性实验
将3 种纤维暴露在强度为16 mW/cm2的紫外光照下进行耐光性实验,温度为10℃,相对湿度为36%,照射时间为2~160 h。
力学性能:采用太仓宏大方圆电器有限公司YG001A-1型电子单纤维强力机对处理后的PI 纤维进行测试。
红外光谱分析:采用美国Thermo Necolet 公司Necus470 傅里叶变换红外光谱仪对处理后的纤维进行红外分析,通过红外谱图观察纤维的结构变化。
表面形貌:采用日本Hitachi 公司S-4700型扫描电子显微镜观察纤维表面形貌。
从图1 可知,在常温下的H2SO4溶液中,在考察时间范围内,PO 体系和POB 体系纤维的强度都保持在一个比较恒定的状态,在质量分数为10%及20%的浓度H2SO4溶液中断裂强度保持率都在90%以上。
图1 3 种纤维在常温下H2SO4溶液中浸泡后的断裂强度保持率的变化Fig.1 Breaking strength retention rate of three PI fibers treated with H2SO4solution at room temperature
从图1 还可看出,P84 纤维的断裂强度随着处理时间的增加有明显的下降趋势,在质量分数10%的H2SO4中处理120 h 后保持率为80%~90%,在质量分数20%的H2SO4中处理相同时间后保持率为65%~75%。这说明H2SO4对其结构有一定的破坏。
从图2 可以看出,3 种纤维在H2SO4溶液中浸泡120 h 后,表面出现一些不太明显的微坑,并有较多的附着物,这说明纤维在酸性条件下有一定的损伤,并且随着H2SO4浓度的增大,附着物大小及分布面积增大,纤维损害程度增加,这与得到的断裂强度保持率随酸浓度的变化一致。
图2 3 种纤维在常温下经H2SO4处理前后的表面形貌变化Fig.2 Surface morphology of three PI fibers before and after treating with H2SO4at room temperature
从图3a 可以看出,在高温稀HNO3的环境下3 种纤维的断裂强度都呈现快速下降的趋势,但到最后P84 和PO 体系纤维已经被破坏,不能进行测试,而POB 体系纤维最终仍有35%~45%的断裂强度保持率。
从图3b 可知,在常温下10%的HNO3溶液中处理后,P84,PO,POB 体系纤维都呈现出不同程度的损伤,断裂强度均逐渐降低,在开始的30 h内,PO 体系下降的速度大于POB 体系,大于P84纤维,但随着浸泡时间延长,POB 体系的断裂强度稳定在一定水平,保持基本恒定,P84 和PO 体系纤维的下降速率减缓,最后的断裂强度保持率基本相同,均小于POB 体系纤维。
从图3 还可以得出,在HNO3溶液中P84 和PO 体系纤维的变化情况基本相同,而POB 体系纤维表现出较好的耐酸性能。
相较于H2SO4溶液,POB 体系纤维的耐酸性优势在HNO3溶液中表现得更为明显。比较图1a与图3b,可以看出:在10%H2SO4溶液中,POB 与PO 两种体系纤维的断裂强度保持率的变化基本相同,而在10%HNO3溶液中,POB 体系纤维的断裂强度保持率从处理的初始阶段就远远高于PO体系纤维;在常温10% HNO3溶液中经过120 h浸泡后,3 种纤维的断裂强度的保持率均小于在相同条件下的H2SO4溶液中处理120 h 后的3 种纤维试样。这是因为HNO3具有较强的氧化性,比H2SO4的腐蚀性更强,致使POB 体系纤维优良的耐酸性能在更严酷的酸性环境中表现得更加突出。
图3 3 种纤维经HNO3溶液浸泡后断裂强度保持率的变化Fig.3 Breaking strength retention rate of three PI fibers treated with HNO3solution
比较图4 和图2 可以看出,经过HNO3处理后,3 种纤维表面的附着物大小和附着面积均大于在相同条件下H2SO4处理后的纤维,说明HNO3对纤维的损害程度大于H2SO4,这与得到的断裂强度保持率的变化结果保持一致。
图4 3 种纤维经HNO3溶液处理后的表面形貌变化Fig.4 Surface morphology of three PI fibers treated with HNO3solution
从图5 可以看出,随着浸泡时间的增加,PO和POB 体系的纤维断裂强度下降幅度微小,基本保持不变,而P84 纤维受到碱性腐蚀后,断裂强度迅速降低,到最后纤维被破坏,不能进行测试。
图5 3 种纤维经NaOH 溶液浸泡后断裂强度保持率的变化Fig.5 Breaking strength retention rate of three PI fibers treated with NaOH solution
从图6a 可以看出,在DMAc 中P84 纤维随着浸泡时间的增加其断裂强度迅速下降,处理144 h后,纤维完全溶解在DMAc 溶剂中,不能进行测试。PO 和POB 体系纤维的断裂强度随处理时间的延长缓慢降低,经过800 h 浸泡后断裂强度保持率仍大于93%。从图6b 可知,3 种纤维在甲苯环境下起初处理的700 h 内,断裂强度的下降幅度都比较小,变化情况基本相同,但当浸泡时间继续增加,P84 纤维的断裂强度迅速下降,最终断裂强度保持率为87%,而PO 和POB 体系的纤维的断裂强度保持率基本不变,都维持在95%以上。从图6c 可以看出,在溶剂丙酮中,P84 纤维的断裂强度保持率随处理时间的增加逐渐下降,最后强度保持率约85%。PO 和POB 两种体系的纤维断裂强度随浸泡时间变化很小,并且POB 体系纤维的断裂强度保持率要高于PO 体系纤维。
图6 3 种纤维经有机溶剂浸泡后断裂强度保持率的变化Fig.6 Breaking strength retention rate of three PI fibers treated with organic solvents
从图6 可知,P84、PO 体系和POB 体系3 种纤维在不同有机溶剂中的老化行为基本相同,P84 纤维的断裂强度随时间延长逐渐降低,而PO和POB 体系纤维的断裂强度变化不大。
从图7 可知,3 种纤维在开始的10 h 内力学性能有所下降,但随着照射时间延长,3 种纤维断裂强度的下降速度均逐渐减缓。在3 种纤维中,P84 纤维的断裂强度下降的最快,最后仅剩下30%的保持率,而PO 体系纤维性能衰退速度明显慢于P84,最终强度保持在60%。在紫外光照下性能保持最好的是POB 体系纤维,在后续紫外照射的150 h 内,POB 体系纤维的断裂强度下降得极为缓慢,强度都维持在90%以上。
图7 3 种纤维经紫外照射后断裂强度保持率的变化Fig.7 Breaking strength retention rate of three PI fibers treated by ultraviolet irradiation
从以上实验可以得出,POB 体系纤维的耐复杂环境影响性高于PO 体系纤维,高于P84 纤维。从分子结构方面对其进行分析:POB 体系中由于BIA 单体的加入纤维分子间产生大量氢键,使得分子链排列紧密,酰亚胺环不受到酸、碱等作用而发生开环反应。PO 体系比P84 体系分子量刚性大,因为P84 分子链属于非平面,自由体积大,柔性好,更容易与环境接触,从而受到腐蚀影响性能。因此POB 体系的力学性能保持得最好。另一方面自制的2 种体系的纤维在热环化过程中分子间会产生交联,而P84 纤维直接由PI 溶液纺制,分子链间作用较弱。
从图8 可以看出,经过不同环境条件处理后的POB 体系纤维试样的红外光谱谱图与浸泡前POB 体系纤维的红外光谱谱图基本一致,PI 独有的1776,1726,1375,723 cm-1等谱带的强度基本保持不变,说明POB 体系纤维在以上环境条件下处理后,在结构上并没有发生明显变化,因而POB 体系纤维的力学性能不会有大幅度变化或丧失测试能力,在复杂的环境条件影响下依然能够保持较高的强度,体现出较其他两种体系纤维更加显著的耐环境影响性能。
图8 POB 体系纤维在不同老化环境下处理后的红外光谱Fig.8 IR spectra of POB fiber treated under different aging conditions
a.常温下,3 种纤维均具有较好的耐酸性,更耐H2SO4,耐HNO3性稍差,特别是在高温条件下,即使是稀HNO3,浸泡后性能下降也比较严重;3 种纤维中,POB 体系纤维的耐酸性高于其他两种纤维。
b.相较于PO 和POB 体系纤维,P84 纤维对碱溶液的稳定性较差,常温下5%的碱性溶液对其力学性能都有很大的影响,而PO 和POB 体系纤维有较好的耐碱性。
c.通过紫外光照对比,3 种纤维耐紫外顺序依次为POB 体系纤维、PO 体系纤维、P84 纤维。
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