国产聚四氟乙烯纤维性能及针刺设备的探讨

摘 要：聚四氟乙烯纤维以其优异的化学稳定性、极低的表面摩擦系数、极高的密度以及纤维特殊的扁平截面形状，这些极端性能集于一身的聚四氟乙烯纤维在垃圾焚烧高温烟气过滤处理、强酸、强碱、高温环境的空气过滤处理中有其广阔的应用。同样由于物理化学性能的特殊性使其在滤料加工过程中要克服静电、高密度、纤维差异化等问题，本文通过对纤维特性的分析，进而在针刺设备配置、针布选型方面提出部分探讨和建议。

关键词：聚四氟乙烯纤维；纤维特性；针刺设备；针布选型

0 前言

近些年来，随着工业化的发展，资源开发使用和环境污染问题的矛盾日渐突出，社会对环保意识的不断加强，“青山绿水”的环保理念日益成为人们的共识。因此在环保过滤包括空气过滤、水过滤方面的新材料、新工艺不断涌现。其中聚四氟乙烯纤维以其特殊的化学结构、优异的化学稳定性和物理性能在高温、强酸、强碱过滤方面的应用不断提高，因此通過对常规针刺设备的改造以实现对聚四氟乙烯纤维的针刺加工可以极大的发挥纤维优势在特种环境的过滤方面发挥积极作用，其具有很大的现实意义。

1 聚四氟乙烯纤维的化学及物理特性

1.1 聚四氟乙烯纤维内在的化学结构及性能

聚四氟乙烯通常简写为PTFE，是一种物理及化学性能极为优异的高分子聚合材料，其分子结构单元为[- CF2 -]。聚四氟乙烯的反应方程为：

nCF2=CF2→（CF2CF2）n，

通常是在高温高压和催化剂作用下发生加聚反应（加成聚合反应）。聚四氟乙烯相对分子质量较大，低的为数十万，高的达一千万以上，一般为数百万，PTFE分子中F原子对称，C-F中两种原子共价结合，分子中没有游离的电子，整个分子呈中性，因为PTFE分子结构中没有克键，所以它的结晶度很高PTFE聚合物一般结晶度为90-95%。聚四氟乙烯化合物中碳碳键和碳氟键的断裂分别吸收能量346.9和484.88kJ/mol，但聚四氟乙烯解聚生成四氟乙烯需要能量171.38kJ/mol，所以高温裂解时通常生产四氟乙烯。由于聚四氟乙烯分子外部为一层惰性含氟外壳，使它具有突出的不沾性欲低的摩擦系数。由于氟原子强极性，使得聚合物表现出极其稳定的物理化学性能，如耐化学腐蚀、耐高温等优异特点，聚四氟乙烯在260℃，370℃和420℃时的失重速率（%）每小时分别是1X10-4、4X10-3和9X10-2，所以被誉为“塑料王”。其极为突出的物理、化学特性：

耐高温--长期使用温度200-260℃，熔融温度为327-342℃；

耐低温--在-100℃时仍柔软；

耐腐蚀--能耐王水和一切有机溶剂；

耐气候--塑料中最佳的老化寿命；

高润滑--具有塑料中最小的摩擦系数；

不粘性--具有固体材料中最小的表面张力而不粘附任何物质；

无毒害--具有生理惰性；

优异的电气性能，是理想的C级绝缘材料[1]。

1.2 聚四氟乙烯纤维外部的物理结构及性能

聚四氟乙烯纤维的制取通常是通过膜裂法获得，生产工艺为：

聚四氟乙烯聚合体→称配数量→加入助剂混合→热塑处理→筛分→制坯→推压→应力缓冲（空气或水浴）→压延→膜收卷

膜放卷→脱脂→纵向拉神→热定型→梳针式式膜裂→上油剂→丝束收卷

丝束方卷→挤压定型→短切→纤维称重包装

经过以上工序加工得到的聚四氟乙烯纤维通常具有：纤维截面扁平、纤维纤度分布不一、纤维易分裂或分叉、纤维表面不规则及纤维长度差异较大等特点[2]。

而且由于纤维生产厂家在原料、设备、生产工艺等方面的差异造成不同厂家四氟乙烯结晶度差异大，纤维在膜裂后的强力、纤维纤度分布区间、纤维折光率等方面差异很大，对加工及后续的使用造成的困扰。图三到图六是四个不同国产厂家纤维在同等倍率下纤维状态，可以看出差异非常明显。

图七图八是两个不同厂家纤维的截面形状，也进一步表明了不同厂家纤维的差异明显。

由上述的测试分析可以看出，聚四氟乙烯纤维在表观特性上具有纤维粗细差异大，扁平式截面形状，不规则的表面状态等特征。PTFE的比重为2.3g/㎡[3]，较其它纤维的比重高，由于采用膜裂法加工而成纤维的纤度存在一定的分布区间，所以造成纤维具有很高的比表面积，这一特性利于在过滤材料方面的应用。

综合以上聚四氟乙烯的化学、物理特性可以看出，该种纤维在强酸、强碱等腐蚀环境及高温环境的过滤使用上有着突出的优势，同时纤维的静电现象、高密度、纤维的梯度分布是决定产品加工性能的关键，而国产纤维的巨大差异也是影响纤维使用和推广的一个难题。

2 聚四氟乙烯纤维的针刺加工

2.1 设备的改造

开清喂棉阶段：由于氟原子极性强吸附电子的能力极大，所以极容易吸附聚集电荷，同时由于纤维的绝缘性能使得聚四氟乙烯极容易聚集电荷，直接现象是纤维容易在梳理过程中因静电吸附而纠结粘连造成梳理转移困难，容易产生毛球现象。所以针对静电现象需要在纤维转移、梳理设备上避免纤维的摩擦，包括与空气的摩擦，纤维的开清混合过程采用机械传输，同时在梳理前设置双棉箱设计，实现纤维在中间过程有时间静置静电释放的过程。

图九图十分别是聚四氟乙烯纤维静电吸附于网板及纤维未开开松前的拖挂现象

铺网阶段：聚四氟乙烯纤维密度2.3 g/cm3远高于常规纤维密度，所以纤维在梳理成网后，纤网转移进入铺网机以及成网后进入针刺机的过程，极容易受到自重影响造成纤网转移困难，容易发生的问题包括断网、纤网意外牵伸或堆积、纤网绕网结团。考虑生产实际，在纤网传递的过程尽量实现平面转移，托网倾斜角度小于±10°，拖网与拖网的间隙小于5cm，防止纤网意外牵伸造成的破洞等问题。

針刺及收卷阶段：聚四氟乙烯的针刺机加固也与常规的纤维加工不同，由于纤维高密度、摩擦系数低往往造成针刺过程纤网与基布分层、起皱打折等现象，所以生产过程对基布的张力控制要做到恒张力低牵伸。针刺后的产品收卷也是容易出现问题的部位，由于聚四氟乙烯纤维针刺滤料通常做到700g/㎡以上，单卷400米左右的产品针刺后卷重在600kg左右，普通的被动收卷机依靠传动压辊的表面摩擦带动收卷，容易造成随着卷直径的增加成品收卷越来越松，容易收卷跑偏等问题，所以被动收卷的形式不适合于聚四氟乙烯产品的加工，针刺收卷装置最好采用恒张力的中心收卷模式。

所以聚四氟乙烯产品的加工设备要在开清、铺网、基布放卷、收卷装置上做出角度的调整以适应纤维的静电、高密度、低摩擦等特点。

2.2 梳理主锡林针布的选型

图十一与图十二分别是同种纤维在不同针布配置设备上生产加工状态

针对聚四氟乙烯的加工过程中，除了对设备的特殊调整外，在梳理机构上特别是针布选型方面也要做出特别的调整，采用普通针布型号的梳理机测试后，短时间内主锡林表面存在一层的PTFE纤维层，说明纤维转移不畅针布选型不对。根据这些现象，参照聚四氟乙烯纤维特性以及工艺重新计算梳理机针布的选择类型。

①假定纤维为70mm，锡林线速度400米/分，锡林直径1.5米（锡林转速63转/分），道夫转移效率30%，根据公式

amin=tan-1（R-Uμ）/（U-Rμ）

通过实验数据计算后得出，锡林齿条前角余角a的选择大于80度。

其中：

amin--针布前角余角

R--纤维的梳理力（切向力）

U--纤维的法向力；

μ--纤维与针布摩擦系数（取值0.10）

②锡林针布密度，常规高产梳棉机锡林梳理度为10-15齿/根，假设生产3.5DX48mmPTFE纤维，产品克重40克/平米，生产速度20米/分，梳理机主锡林直径1.5m，转速300米/分，则梳理机针布密度为920齿/平方英寸（梳理度10齿/根）；当PTFE纤维长度为70mm，其他条件不变，则梳理机针布密度为630齿/平方英寸（10齿/根）。同时为保证对纤维的分梳效果以及纤维良好的转移能力（针布横向针刺主要参与握持分梳，而纵向针齿过密则纤维转移困难），针齿横纵向密度比选择4：1左右，则630齿/平方英寸针布针齿厚为0.5mm，齿距为2.0mm左右。

③针布齿高，由于PTFE梳理工艺要求转速低，所以纤维梳理过程离心力小，纤维容易沉入针布底部造成缠棉。在选择较小工作角（10度左右）的前提下，建议针布针齿高度尽量小，齿高在2.0-2.5mm。

综上所述建议采用主锡林针布采用小工作角、高针密、矮针齿、针布表面光滑且锋利的针布类型。实践证明采用这种思路配置后的针布纤网的梳理效果明显改善如图十二。

3 聚四氟乙烯纤维的混纺加工

在对国产聚四氟乙烯纤维电镜分析可以看出，不同厂家的纤维差异较明显，甚至同一厂家不同批次的纤维差异也很明显，这对于产品质量的控制造成很大的影响，往往不同时期生产的产品过滤效率波动很大。为减小纤维差异带来的影响可以采用不同厂家的聚四氟乙烯纤维混合使用[4]，或者使用聚四氟乙烯纤维和其他耐高温材料混合生产，比如采用聚四氟乙烯纤维与PPS或P84纤维的混合加工[5]，一方面可以稳定产品品质同时还可以节约成本取得良好的结果。

4 结语

聚四氟乙烯纤维作为一种新型纤维材料在工业过滤方面的应用越来越大的作用，只有充分发挥纤维的特种优势，做到扬长避短，才能更好地服务于人们的需求。

参考文献：

[1]陈锡勇，陶建勤，李淑芳.PTFE短纤维性能与梳理工艺浅析[J].产业用纺织品，2010.

[2]袁蓉，朱小云，王爱兵.PTFE纤维制造方法及其层压面料研究[J].产业用纺织品，2011.

[3]陈观福寿.聚四氟乙烯纤维及其应用研究进展[J].新材料产业，2011.

[4]侯俊.PPS+PTFE复合针刺毡滤料的研究及应用[J].科技与创新，2016.

[5]张楠，崔鑫，靳向煜.加固工艺及组分对PPS/PTFE复合耐高温滤料性能的影响[J].东华大学学报（自然科学版），2014.

作者简介：

张丽霞（1977- ），工程师，主要从事高温阻燃纤维以及滤料产品开发以及研究。

通讯作者：

张丽霞，上海缔荣纺织品有限公司。