聚苯硫醚纤维对其复合滤料结构及力学性能影响

余鹏程，于 斌，韩 建，徐国平，丁新波

(1.浙江理工大学材料与纺织学院，浙江杭州 310018;2.浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，浙江杭州 310018)

随着工业化进程的不断加快，由此引发的环境污染问题也越来越严重，尤其是钢铁、水泥、火力发电、垃圾焚烧等行业的烟气排放(冷却后温度在140～240℃之间)，是对大气造成污染的主要原因［1-2］。随着人们环保意识以及对环境改善的要求日益加强，提高烟气排放的洁净程度成为必要措施。玄武岩纤维(BF)具有优异的力学性能，且耐高温，耐腐蚀性，化学稳定性高［3-5］，抗静电性能良好，价格较低，适合在耐高温滤料中的应用。目前有关玄武岩纤维在高温滤料中的研究还较少。王萍等［6］研究了水刺压强、输网帘速度、水刺道数与玄武岩纤维水刺过滤材料纵横向强力、孔径、孔隙率的关系，发现纵横向强力随着水刺道数的增加而减小，材料的孔隙率随着水刺压强和道数的增加而降低。冯建民等［7］对玄武岩纤维复合针刺过滤材料耐酸碱性能进行了对比研究，结果表明玄武岩纤维复合针刺滤料经酸处理后强力保持率在92%以上，经浓度为2 mol/L的NaOH溶液处理后强力保持率在68%以上。

由于玄武岩纤维密度高，在梳理时纤维易沉在针布底部，难以得到有效的梳理，同时玄武岩纤维无卷曲，纤维之间难以产生有效抱合［8］，单一玄武岩纤维在普通梳理机上虽能形成纤网，但是均匀性很差。而聚苯硫醚(PPS)纤维具有良好的热稳定性、化学稳定性、耐腐蚀性及电性能［9-11］，适宜用作过滤材料，而且其卷曲性好，有利于纤维间的抱合，但是因其价格较高，可将PPS纤维加入玄武岩纤维中共混成网，以改善纤网成网的均匀性。

本文将玄武岩纤维与PPS纤维以不同质量比混合、开松，经针刺加固制成过滤材料，通过表观形貌观察以及断裂强力等测试，分析PPS纤维对玄武岩纤维复合针刺过滤材料形态结构及力学等性能的影响，从而为玄武岩纤维复合滤料在高温过滤中的研究和应用提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验材料：玄武岩纤维、PPS纤维、玄武岩基材，其规格及基本性能如表1、2及图1所示。

表1 玄武岩纤维及PPS纤维的基本性能Tab.1 Basic properties of basalt and PPS fibers

表2 玄武岩纤维基材规格Tab.2 Specification of basalt substrate fabric

图1 玄武岩纤维、PPS纤维和玄武岩基材Fig.1 Basalt fiber(a)，PPS fiber(b)and basalt substrate fabric(c)

1.2 玄武岩纤维针刺复合过滤材料的制备

本文实验所采用的制备工艺流程如图2所示，所得的纤网及复合滤料的规格：滤料面密度为600g/m2，针刺密度为200刺/cm2，BF与 PPS纤维质量比分别为 A 试样100∶0，B 试样10∶10，C 试样80∶20，D 试样70∶30。

图2 BF/PPS针刺复合滤料制备的工艺流程Fig.2 Preparing process of BF/PPS needle-punched composite filter materials

1.3 实验方法

1.3.1 纤维网的表面形貌观察

采用ZEISS Stemi 2000-C型体视显微镜对不同纤维配比的玄武岩/PPS纤维网的表面形貌进行观察。

1.3.2 复合滤料的形态结构观察

采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜(SEM)对玄武岩/PPS复合滤料的表面和横截面进行观察。

1.3.3 复合滤料的力学性能测试

用YG028-3000型织物电子强力仪对玄武岩/PPS复合滤料进行力学性能的测试。测试标准按照FZ/T 60005—1991《非织造布断裂强力及断裂伸长率的测定》。测试条件：夹持距离为200 mm，拉伸速度为100 mm/min。

1.3.4 复合滤料的缠结性能测试

采用缠结系数来评价玄武岩/PPS复合滤料的缠结性能，计算公式为

2 结果与讨论

2.1 纤维网的表观形貌分析

不同质量比的玄武岩/PPS纤维网的显微镜照片如图3所示。图中呈笔直状的为玄武岩纤维，而有一定弯曲形状的是PPS纤维。从图中可以看出，100%玄武岩纤维梳理出来的纤维网均匀性差，纤维单纤化程度不高，纤维网中存在一些纤维束，添加PPS纤维后的纤维网均匀性不断改善，纤维排列杂乱程度变大。这主要是因为玄武岩纤维比重大，无卷曲，抱合力小，100%玄武岩纤维在梳理时易沉积在梳理机的工作元件上，纤维难以得到有效的梳理，单纤化程度差，纤维损伤较多;PPS纤维有一定的卷曲度，有利于纤维的缠结抱合，可增加纤维间的摩擦，增大静摩擦因数，从而提高纤维网质量。

2.2 复合滤料的形态结构分析

图4 示出经预针刺和主针刺各1次针刺加固后的玄武岩/PPS针刺复合过滤材料的表面及横截面的SEM照片。从图4(a)、(b)可看出，玄武岩纤维弯曲刚度较高，基本呈直线状，在滤料中的分布均匀性较差，有束状纤维存在，纤维与纤维间、纤维与基材间相互缠结少，而被刺针刺断纤维数量较多;从图4(c)、(e)、(g)可看出，添加弯曲刚度较低的PPS纤维改善了滤料的均匀性，提高了纤维的单纤化程度。PPS纤维穿插缠结在玄武岩纤维的周围，增强了表层纤维网的缠结、抱合，而且有纤维贯穿滤料上下，有利于纤维与纤维、纤维与基材间的缠结;从图4(d)、(f)、(h)可看出添加PPS纤维减少滤料表层被刺断的纤维数，增加了被刺入基材中纤维，改善了纤维与基材的缠结性能。

图3 不同质量比的玄武岩/PPS纤维网的显微镜照片(×20)Fig.3 Microscope photos of basalt/PPS web of different weight percentage(×20).(a)A sample;(b)B sample;(c)C sample;(d)D sample

2.3 复合滤料的力学性能分析

不同质量比的玄武岩/PPS针刺复合过滤材料的断裂强力及断裂伸长率如图5所示。其中图5(a)是玄武岩/PPS针刺复合过滤材料的断裂强力与PPS纤维质量分数的关系。当PPS纤维质量分数由0提高到30%时，复合滤料的横、纵向强力分别由588.3、474.2 N/5cm增加为1 465.2、1 075.2 N/5cm，而且断裂强力随PPS纤维质量分数的变化符合直线规律。复合滤料的强力是由基材和表面纤维网共同承担，但以基材为主，表面纤维网在针刺加工过程中对基材有保护作用［13-14］。玄武岩纤维无卷曲和脆性，在针刺过程中容易被刺断，添加PPS纤维可增强纤维间的摩擦力、抱合力，使纤网缠结紧密，从而增加表层纤网的强力，同时在针刺过程中PPS纤维的加入能对基材有缓冲的作用，减少基材损伤，提高滤料的整体强力。同时从图5(a)中还可看出，复合滤料横向断裂强力随PPS纤维质量分数增加的速率大于纵向。主要是因为梳理得到的纤网中横向分布的PPS纤维较多，使横向的纤维缠结增加。由图5(b)可知，添加PPS纤维后复合滤料的横、纵向断裂伸长率略有增加，主要出现在当PPS纤维质量分数由0提高到10%时，之后随着PPS纤维质量分数的增加，断裂伸长率无明显变化。综上所述，通过添加PPS纤维可有效改善复合滤料的力学性能。

图4 不同质量比的玄武岩/PPS针刺复合过滤材料的表面及横截面的SEM照片(×100)Fig.4 SEM images of surface and cross section of basalt/PPS needle-punched composite filter materials of different weight percentages(×100).(a)Surface of A sample;(b)Cross section of A sample;(c)Surface of B sample;(d)Cross section of B sample;(e)Surface of C sample;(f)Cross section of C sample;(g)Surface of D sample;(h)Cross section of D sample

2.4 复合滤料的缠结性能分析

不同质量百分比的玄武岩/PPS针刺复合过滤材料的缠结性能如图6所示。缠结系数指的是非织造材料的纵向强力和横向强力之和与其面密度的比值，可较好地反映PPS纤维对玄武岩纤维/PPS复合滤料的缠结性能。随着PPS纤维质量分数的提高，复合滤料的缠结系数符合直线上升规律。PPS纤维卷曲程度较好，纤维间易缠结，纤维网容易成网，通过针刺后纤维间的缠结更牢固，从而缠结系数有所提高。由缠结系数的计算公式可知，在滤料的面密度相同的条件下，缠结系数大小与滤料的拉伸断裂强力有直接关系，因此，滤料的缠结系数大说明纤维间缠结好，缠结结构紧密，滤料的拉伸断裂强力大，力学性能好，所以添加PPS纤维可提高滤料的力学性能。

图5 不同质量比的玄武岩/PPS针刺复合过滤材料的断裂强力及断裂伸长率Fig.5 Breaking strength(a)and elongation(b)of basalt/PPS needle-punched composite filter materials of different weight percentages

图6 不同质量比的玄武岩/PPS针刺复合过滤材料的缠结性能Fig.6 Entanglement properties of basalt/PPS needle-punched composite filter materials of different weight percentages

3 结论

本文采用玄武岩纤维与PPS纤维制成过滤材料，通过分析PPS纤维对玄武岩纤维复合针刺过滤材料形态结构、力学性能等影响，得出以下结论。

1)随着PPS纤维质量分数的增加，纤维的单纤化程度提高，从而提高了玄武岩/PPS纤维网的质量，改善了成网均匀性。

2)添加PPS纤维有利于纤维间的缠结，可以有效提高玄武岩/PPS复合滤料的横、纵向强力和缠结系数。

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