三种耐高温纱线的结构与性能测试评价

刘 群 徐广标 王向钦

(1.东华大学纺织学院，上海，201620;2.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海，201620;3.广州市纤维产品检测院，广州，510220)

钢铁、水泥、电力等行业排放的高温烟气对大气造成污染的问题越来越受到重视［1］，耐高温纤维及其制品的需求量随之增长。针对高温烟气这一特殊的使用环境，对耐高温材料的耐磨性、耐高温性、稳定性等方面提出了更高的要求［2-6］。符合条件的烟气过滤材料包括芳纶(Nomex)、PTFE(聚四氟乙烯)等，玄武岩以其优良的热力学性能［7-8］近年来成为研究热点。国外从20世纪70年代开始研究开发耐高温合成纤维［9］，技术较为成熟。而国内受化纤工业的影响，国产的高温合成纤维较少［10-13］，对常见的耐高温纱线的热力学性能研究还不多。因此，本文对国产的芳纶纱线、玄武岩纱线、PTFE纱线的形态结构、力学性能、热学性能进行了测试与评价，为高温烟气过滤材料的研究和使用提供参考依据。

1 试验

1.1 试样

试验所用玄武岩纱线、芳纶纱线及PTFE膜裂纱由工厂提供。其中，玄武岩纱线是用单股平行原丝在不加捻的状态下并合而成的集束体，芳纶纱线由芳纶1313短纤纱加捻后四股合制而成，PTFE纱线由PTFE单纱加捻后三股合制而成。纱线的结构参数如表1所示。

表1 三种纱线的基本结构参数

1.2 测试

1.2.1 纱线的热处理

采用DHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱对三种纱线进行高温加热。温度分别设置为140、170、200、230、260 ℃［14］，各温度下分别放置 3、6 h。取出的试样在空气中自然冷却24 h后，进行形态结构、力学性能的测试。

1.2.2 形态结构测试

采用TM3000型扫描电子显微镜(SEM)观测纱线的表面形态结构，以及经一定温度、时间处理后纱线的表面形态结构。

1.2.3 力学性能测试

1.2.3.1 拉伸性能

采用华龙WDW-20型微机控制万能材料试验机，参考GB/T7690.3—2001，对纱线的断裂强力、断裂伸长、弹性模量等指标进行测试。夹持时，试样表面光滑易滑脱，制样方法如图1所示。试验条件设定为：等速伸长，夹持隔距200 mm，拉伸速度200 mm/min，预加张力 2.5 mN/tex，环境温度(20±2)℃，相对湿度(65±3)%。每个试样测试10次，结果取平均值。对于高温处理后的纱线，采用相同的试验方法进行测试。

图1 拉伸试验制样方法

1.2.3.2 勾结强度

采用华龙WDW-20型微机控制万能材料试验机，对纱线的勾结强度、勾结强度率进行测试。制样方法如图2所示，在与拉伸性能测试相同的条件下进行试验，每个试样测试10次，结果取平均值。

图2 勾结强度试验制样方法

1.2.4 热重(TG)分析

采用德国耐驰公司的TG209F1型热重分析仪对材料的热分解温度进行测试，用哈氏切片器将纱线切成粉末状作为待测样。测试条件：升温速率10℃/min，扫描温度范围40～900℃，氮气保护。

2 结果与讨论

2.1 表面形态结构

采用SEM观测未处理纱线的表面形态结构，如图3、图4和图5所示。

图3 玄武岩纱线表面形态结构

图4 芳纶纱线表面形态结构

图5 PTFE纱线表面形态结构

从图3中可以看出，玄武岩纤维表面光滑，呈圆柱状，截面为较圆整的圆形。这主要是由于在拉丝纺制过程中，高温熔融状态下的玄武岩矿石被牵拉伸长及冷却形成玄武岩纤维之前，在表面张力的作用下逐渐收缩，最后形成表面积最小的圆形。从图4中可以看出，芳纶整体上呈规则的圆柱体，表面存在一些条状碎片，这是由于芳纶长丝制成短纤维再纺成纱线的过程中纤维受到磨损，使得纤维表面被撕裂［14］。从图5中可以看出，PTFE纤维表面光滑、无毛羽，横截面呈不规则的多边形。总的来看，三种纱线表面光滑，用作过滤材料都可提高过滤效率。

采用SEM观测经高温处理后纱线的表面形态结构，如图6所示。对比未处理的纱线表面形态结构发现，经高温处理后纱线表面都出现不同程度的损伤。由图6(a)可知，玄武岩纱线经230℃处理后，表面光滑，无明显变化，经260℃处理后表面出现刻蚀，损伤明显。相对其他纱线，玄武岩纤维表面在较高温度下才会发生变化，且处理时间对表面形态结构的影响不大。由图6(b)可知，芳纶纱线经170℃处理3 h后表面轻度损伤，出现黑色斑点;处理6 h后表面出现明显孔洞结构;时间越长，温度越高，损伤越明显。由图6(c)可知，PTFE纱线经170℃处理3 h后表面无明显变化，处理6 h后表面有刻蚀现象;时间越长，温度越高，刻蚀越明显，范围越大。

图6 纱线经高温处理后的表面形态变化

2.2 力学性能

2.2.1 未处理纱线的拉伸性能

用华龙WDW-20型微机控制万能材料试验机测得的三种纱线的断裂强力、断裂伸长、弹性模量等指标如表2所示。从表中可以看出，三种纱线的强度为2.8～5.8 cN/dtex，相较常规化纤强度高;断裂伸长率为2.9%～4.8%，伸长相对较小;弹性模量为1 943～9 096 MPa，较大的弹性模量保证了制品的刚度，但不同纱线之间差异较大。

表2 纱线的基本力学性能

比较而言，PTFE纱线的断裂强度最小，是其他两种纱线的1/2左右，断裂伸长率最大，弹性模量最小，因此PTFE纱线比较容易变形，给纺织生产加工造成困难。对于那些对织物的尺寸保持率要求比较高的场合，需采用断裂伸长较小的纱线。玄武岩纱线的弹性模量远大于其他两种纱线，且断裂伸长最小，强度则稍低于芳纶纱线。玄武岩纱线的刚度大，其制品不容易变形。芳纶纱线的断裂强度最大，保证了制品的耐磨性，在外力作用比较大的情况下，可以优先考虑芳纶。

2.2.2 纱线热处理后的拉伸性能

高温处理后纱线的强度变化如图7所示。由图7可以看出，在260℃以下的温度范围内，三种纱线的力学性能均比较稳定，强度保持率均在70%以上;温度越高，强度保持率越低。

图7 高温处理后纱线的强度变化

随着温度的提高，芳纶纱线的强度下降明显。当温度超过170℃以后强度下降迅速，230℃后的强度下降速率最快;在230℃下处理3 h后芳纶纱线的强度保持率为88.8%，处理6 h后的强度保持率为84.6%;在260℃下处理3 h后强度保持率仅为71.7%。处理时间、温度对芳纶纱线强度的影响显著，呈负相关，说明芳纶纱线的热稳定性比较差，高温下不能长时间使用。玄武岩纱线在高温下处理3 h后，强度保持率在95%以上，处理6 h后的强度保持率也在90%以上，强度基本保持稳定。这可能是由于玄武岩纱线的材料中含有Fe2O3和FeO能改变溶质参数，影响导热性能，提高了纱线的热稳定性［15］，因而玄武岩纱线能够满足长时间耐高温的要求。PTFE纱线的强度随着温度的上升稍有下降，但变化不明显，强度保持率始终在90%以上，时间对PTFE纱线强度的影响不大，说明PTFE纱线耐高温且热稳定性好，能在高温条件下长时间使用。

总的来说，芳纶纱线在高温下强度降低最快，PTFE纱线的强度稍有降低，而玄武岩纱线的强度保持率最高。

2.2.3 勾结拉伸性能

勾结拉伸性能反映了纱线的耐弯曲性能，即纱线的脆性［16］。三种纱线的勾结拉伸性能测试结果如表3所示。

由表3可知，三种纱线的勾结强度保持率差别较大，PTFE纱线的勾结强度明显高于其他两种纱线。PTFE纱线的勾结强度率达到100.9%，可见PTFE纱线的韧性大，可绕曲性强。玄武岩纱线和芳纶纱线在常温下的勾结强度仅为单向拉伸时断裂强度的29%和27%，脆性大，因此在生产、运输及使用过程中，要注意减少对膜材的折叠，如用于织造机织布需改善经纬纱线的弯曲状态。

2.3 热重分析

使用德国耐驰公司的TG209F1型热重分析仪对三种纱线的热分解温度进行了测试，热重曲线如图8所示。

图8 纱线的热重曲线

材料的热稳定性通常用其在空气或惰性气体中开始分解的温度来表征，或通过热失重来说明［17］。从图8中可以看出：芳纶纱线的起始分解温度为530.9℃，在560.1℃时分解速率最高，为-2.64%/min，600℃时的质量损失率为11.9%;PTFE纱线的起始分解温度为545.1℃，在569.3℃时分解速率最高，为-28.9%/min，失重率最大，600℃时的质量损失率为86.1%;玄武岩纱线在900℃以下的温度范围内基本不发生分解，600℃时的质量损失率仅为1.1%。

从起始分解温度可以确定纱线的最高使用温度，从而比较纱线的热稳定性。试验表明，三种纱线的起始分解温度均在500℃以上，其中玄武岩纱线的起始分解温度最高，热稳定性最好，PTFE纱线、芳纶纱线相差不大，芳纶纱线的热稳定性稍差。所以，如果不考虑酸碱环境的话，可优先考虑玄武岩纱线。

3 结语

(1)从表面形态结构来看，玄武岩、芳纶、PTFE三种纱线中的纤维表面光滑，适宜用作过滤材料，但长时间高温下会出现刻蚀现象。

(2)从强伸性来看，三种纱线的强力均较大。其中，PTFE纱线的强度相对较低、变形大，形态稳定性差，玄武岩纱线的刚度大，芳纶纱线的断裂强度最大。经高温处理后，纱线的力学性能稳定性好，相较而言，芳纶纱线高温下强度降低最快，PTFE纱线的强度稍有降低，而玄武岩纱线的强度保持率最高。勾结试验表明，PTFE纱线的勾结强度明显高于其他两种纱线，耐弯曲性较好。

(3)由热重分析可知，三种纱线的起始分解温度均在500℃以上。比较起始分解温度，即最高使用温度，玄武岩纱线最高、PTFE纱线较低、芳纶纱线最低。

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