高温滤料中聚苯硫醚纤维含量的测定

谢剑飞,王向钦

(广州纤维产品检测研究院,广东 广州511447)

0 前言

煤炭、钢铁、水泥等能源和资源消耗性产业的发展,带来了产业经济的发展和社会繁荣,同时也造成了严重的废气污染。空气质量下降导致雾霾天气频繁出现,威胁着人们的健康,大气污染治理成为亟待解决的社会问题,大气污染治理技术的研究也日渐深入。高温烟气过滤早期大多采用静电除尘技术,随着排放标准的提高和过滤技术的进步,袋式除尘器得到了广泛应用。滤袋是袋式除尘器的关键部件,纤维和纤维制成的滤料是制作滤袋的原材料。用于高温烟气过滤的滤袋对纤维原材料的耐温性能、耐化学腐蚀性能和机械性能等方面均有较高的要求,聚苯硫醚纤维、聚四氟乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、芳纶纤维和玻璃纤维是生产高温滤料的常见纤维[1]。

聚苯硫醚纤维是以聚苯硫醚(polyphenylene sulfide,PPS)为原料采用熔融纺丝工艺制成的化学纤维。聚苯硫醚是一种结晶性聚合物,分子链中苯环的对位与硫原子相连,形成具有大π键的刚性主链,从而使其具有出色的耐温性能和优良的耐化学腐蚀性能[2-3]。目前,聚苯硫醚纤维最主要的用途是用来生产袋式除尘器滤料。聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)纤维是以聚四氟乙烯为原料采用膜裂纺丝法、糊料挤出纺丝法等工艺制成的化学纤维。聚四氟乙烯分子链上的碳氟键结合力强且氟原子体积比碳原子大,较好地遮蔽与保护了碳碳主链,使聚四氟乙烯制成的纤维具有优异的热稳定性和耐腐蚀性能,是生产高温烟气过滤材料的理想原料[4]。

具有优良耐热性能与耐腐蚀性能的同时,聚苯硫醚纤维的耐氧化性能较差但价格相对便宜,而聚四氟乙烯纤维的机械性能较差且价格相对较高,用两种纤维生产复合高温滤料,使两种纤维的性能取长补短,可以得到应用效果理想的过滤材料。然而,在纤维成分含量分析的现行国内外标准中,缺少分析聚苯硫醚纤维/聚四氟乙烯纤维复合滤料纤维成分含量的方法[5]。为解决聚苯硫醚纤维/聚四氟乙烯纤维复合滤料纤维成分含量测试的技术问题,采用显微镜法与显微红外光谱仪法进行定性,采用1-氯萘溶解法进行定量,分析聚苯硫醚纤维/聚四氟乙烯纤维复合滤料的纤维成分含量。

1 试验部分

1.1 试验样品

试验样品包括聚苯硫醚纤维、聚四氟乙烯纤维和聚苯硫醚纤维/聚四氟乙烯纤维复合针刺毡滤料。

在纤维成分定量测试过程中,拟采用6个样品:其中3个为聚苯硫醚纤维/聚四氟乙烯纤维复合针刺毡滤料,聚苯硫醚纤维含量分别为67%、64%和67%;另外3个为聚苯硫醚纤维和聚四氟乙烯纤维的混合纤维样品,聚苯硫醚纤维含量分别为80%、70%和60%。

1.2 试验仪器

试验仪器包括BX-53型显微镜(日本奥林巴斯公司)、Nicolet Continuμm红外显微镜(美国赛默飞世尔科技公司)、Nicolet is50型傅里叶变换红外光谱仪(美国赛默飞世尔科技公司)和XPE26DR型电子天平(瑞士梅特勒-托利多公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 使用显微镜分析样品外观形貌

使用BX-53型显微镜以300倍的放大倍数观察聚苯硫醚纤维/聚四氟乙烯纤维复合针刺毡滤料中两种纤维纵向和横向的外观形貌。

1.3.2 使用显微红外光谱仪采集单纤维红外光谱

使用Nicolet Continuμm红外显微镜和Nicolet is50型傅里叶变换红外光谱仪以透射方式采集单根纤维的红外光谱,扫描次数为50次,分辨率为8 cm-1。

1.3.3 溶解法定量分析样品

利用聚苯硫醚纤维可溶解于煮沸的1-氯萘的性能,通过测定试样在1-氯萘中溶解前后的质量差计算出试样中聚苯硫醚纤维的含量。

将试样放入平底烧瓶或三角烧瓶中,每克试样加入1-氯萘150～200 ml,振荡烧瓶,使样品充分浸透。将烧瓶放到加热装置中,缓慢升温至溶液沸腾,在此条件下保持30 min,直至聚苯硫醚纤维完全溶解。停止加热,在室温下放置至沸腾停止,用已经称重的坩埚过滤,用异丙醇将残留物冲洗到坩埚上,再用抽滤装置抽干,继续用异丙醇反复冲洗到干净为止,然后烘干坩埚和残留物,冷却并称重。加热和冷凝过程应接上冷凝装置,在通风橱内进行。

2 结果与讨论

2.1 高温滤料样品中纤维的显微镜分析

聚苯硫醚纤维/聚四氟乙烯纤维复合针刺毡滤料中两种纤维在显微镜下放大300倍的照片见图1(纵向)和图2(横向)。

从图1和图2中可以看到两种形貌截然不同的纤维,其中一种纵向光滑均匀,横向为圆形,在未知样品的定性分析中,不能通过形貌确认具体类型;另一种纵向有分裂、打卷等特征且具有长条纹与横纹,横向呈较普通纤维宽大的不规则形状,其特征是聚四氟乙烯纤维的典型特征。

2.2 高温滤料样品中纤维的显微红外光谱分析

两种或两种以上纤维混合制成的高温滤料,其组分大多为具有较好耐化学腐蚀性能的纤维,在绝大多数溶剂中不能溶解,造成纤维组分难以有效分离。在两组分针刺毡高温滤料的纤维定性分析中,分离两种纤维组分的单纤维,使用显微红外光谱仪采集单纤维的红外光谱,为定性分析提供依据,该方法更为直接和具有针对性。

图1 高温滤料样品中纤维的纵向显微镜照片

图2 高温滤料样品中纤维的横向显微镜照片

使用显微红外光谱仪采集的光滑均匀且较细的纤维的红外光谱见图3。图中,3 300 cm-1、3 065 cm-1和2 920 cm-1处出现的峰为C-H伸缩振动峰;1 600 cm-1附近出现的多重峰是连接硫原子的苯环C=C键的伸缩振动峰;1 470 cm-1附近是苯环的骨架振动吸收峰;1 180 cm-1附近为芳环上C-S键的伸缩振动峰;1 090 cm-1附近为苯环的面内弯曲峰;810 cm-1附近为苯环对位取代的弯曲振动峰。以上光谱特征与聚苯硫醚纤维的红外光谱图具有较高的一致性。

使用显微红外光谱仪采集的纵向有条纹与分裂特征的纤维的红外光谱见图4。图中,1 210 cm-1附近的强峰是-CF2的反对称伸缩振动峰,1 150 cm-1附近的最强峰是-CF2的对称伸缩振动峰。以上光谱特征与聚四氟乙烯纤维的红外光谱图具有较高的一致性。

2.3 1-氯萘溶解法定量分析聚苯硫醚纤维高温滤料

使用1-氯萘溶解法测试3个聚苯硫醚纤维/聚四氟乙烯纤维复合针刺毡滤料样品(试样1、试样2和试样3)和3个为聚苯硫醚纤维/聚四氟乙烯纤维混合样品(试样4、试样5和试样6)的纤维成分含量,测试结果见表1。

图3 光滑均匀且较细的纤维的红外光谱

图4 纵向有条纹与分裂特征的纤维的红外光谱

采用1-氯萘溶解法测试6种聚苯硫醚纤维/聚四氟乙烯纤维试样的聚苯硫醚纤维含量,测试结果的相对偏差率最大值为1.2%,证明该定量方法准确可靠。

表1 1-氯萘溶解法定量分析结果

3 结论

(1)使用显微红外光谱仪可以直接、有针对性地采集从高温滤料中分离的单纤维的红外光谱,为高温滤料纤维成分定性分析提供依据。

(2)使用1-氯萘溶解法可以定量分析聚苯硫醚纤维/聚四氟乙烯纤维高温滤料的纤维成分含量,经验证,该方法准确可靠。

参考文献:

[1]韩雅岚,崔运花.高温烟气过滤材料的发展[J].纺织科技进展,2012,(2):22-23.

[2]赵永泳.聚苯硫醚纤维的发展和市场前景[J].合成纤维,2016,45(8):25-27.

[3]邓 洪,于 宾.改良型PPS除尘过滤材料的制备与性能研究[J].纺织科技进展,2017,(8):11-14.

[4]徐玉康,朱 尚,靳向煜.聚四氟乙烯耐腐蚀过滤材料结构特征及发展趋势[J].纺织学报,2017,38(8):161-171.

[5]罗 峻,姜 逊,胡剑灿,等.PPS/PTFE高温过滤材料的DSC定量分析方法研究[J].上海纺织科技,2016,44(11):45-49.