聚苯硫醚纺黏水刺非织造布纺丝工艺探讨

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聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide，简称“PPS”)是以苯环在对位上连接硫原子而形成大分子主链的一种线性结晶聚合物，阻燃性能达UL94-0级，熔点在285 ℃，分解温度大于400 ℃，长期使用温度可达160 ℃，是一种新型的高性能热塑性树脂，具有力学强度高、热稳定性好、电学性能优良、耐化学药剂腐蚀、耐高温、难燃等特点[1]。当前，聚苯硫醚树脂总消费量的40%主要应用在航空航天、电子电气和汽车工业等领域，主要涉及纤维、薄膜、复合材料及涂层产品等[2]。

由聚苯硫醚纤维制成的非织造过滤袋具备优良的绝缘性、热稳定性及耐化学药剂腐蚀性等，特别适用于对含有化学腐蚀性的烟气粉尘的过滤，且使用寿命长、除尘效果优异。与其他耐高温纤维相比，由聚苯硫醚纤维制成的非织造过滤材料综合性能突出，且在经济上具有较高的性价比，现已成为电厂燃煤锅炉烟气除尘材料的首选[3]。

1 聚苯硫醚纺黏水刺非织造布生产工艺流程

目前，市场上的聚苯硫醚非织造布主要采用两种方法生产——短纤针刺和纺黏水刺。本文就聚苯硫醚纺黏水刺非织造布的纺丝工艺展开探讨。

聚苯硫醚纺黏水刺非织造布的生产工艺流程为切片→预结晶→干燥→熔融挤压→熔体过滤→纺丝→缓冷→侧吹风冷却→气流牵伸→摆丝成网→针刺→水刺→热定型→后整理→卷绕，其前半部分与常规的纺黏非织造布的工艺流程基本一致，但在具体的工艺参数上有差异。

2 聚苯硫醚纺黏水刺非织造布主要纺丝工艺参数

2.1 切片

纺丝级聚苯硫醚切片一般要求熔融指数在25～200 g/(10 min)，过大或过小均对纺丝不利。另外，切片颜色越浅，表明其被氧化的程度越低，越有利于纺丝过程的稳定。因此，检测切片品质时，除测定熔融指数外，还需测定其色度。此外，切片中含有的易挥发性小分子物质(即指高分子的降解物，包括二氧化硫等)会在纺丝过程中产生挥发性气体，造成纺丝车间环境恶化，故测定切片在150 ℃时的质量损失率很有必要。表1归纳了常见的聚苯硫醚切片的主要性能。

2.2 预结晶和干燥工艺

聚苯硫醚切片的初始结晶度较低，故为了确保纺丝过程的稳定性，对聚苯硫醚切片进行预结晶和干燥处理不可缺少。

聚苯硫醚具备良好的耐温性能，但耐氧化性能较差。若预结晶温度较高，则聚苯硫醚切片易被氧化，故预结晶温度不宜超过160 ℃，同时由于聚苯硫醚的冷结晶温度在135 ℃左右，因此通常设置预结晶温度在135～160 ℃。实践证明，采用(140±10) ℃的预结晶温度可满足生产的需要。

干燥工艺方面，鉴于多方面因素，聚苯硫醚切片的干燥温度最好控制在120～140 ℃。表2以(130±5) ℃的干燥温度为例，介绍了聚苯硫醚切片含水率随时间的变化情况，其中干燥气体的露点温度为-86 ℃。

表2 聚苯硫醚切片含水率随时间的变化

由表2可知，聚苯硫醚切片在(130±5) ℃干燥8 h后，含水率能满足高速纺丝的要求。但若进一步延长干燥时间，则聚苯硫醚切片易在高温下氧化、分解。故聚苯硫醚切片的干燥时间宜控制在6～8 h。

2.3 螺杆及箱体温度

聚苯硫醚在高温下易氧化、分解，因此其箱体温度不宜过高。实践发现，对纺丝螺杆进行高斯曲线温度设定，即纺丝螺杆中段的温度最高(控制在310～330 ℃)、纺丝螺杆末端及箱体的温度较低(控制在290～310 ℃)时，有利于聚苯硫醚熔体熔融均匀，且不会因产生明显的氧化交联而导致降解。整个纺丝过程小分子物质析出少，生产过程稳定。

在高斯曲线温度的设定下，纺丝组件的压力随计量泵转速的不同在15.00～20.00 MPa范围内变化，符合实际生产要求。

2.4 侧吹风工艺

聚苯硫醚的纺丝温度高，且与外界温度相差大。若熔体细流从喷丝板喷出后直接暴露于外界空气中，则聚苯硫醚纤维会因冷却过快产生皮芯现象(即皮层已固化而芯层还是熔融状态)而易断丝；同时，过快的冷却速度会降低纤维的结晶度，使纤维力学性能变差。因此，喷丝板下方除了增设缓冷装置外，还要适当调整侧吹风工艺，以平缓冷却过程。

实践发现，侧吹风温度设定在20～30 ℃、风速设置在0.3～0.5 m/s、缓冷区温度设置在260～300 ℃时，聚苯硫醚纤维的冷却效果好，生产过程稳定。

2.5 牵伸工艺

纺丝工艺过程中，在同等熔体质量流量(即计量泵转速不变)的条件下，调整牵伸气压的大小发现，聚苯硫醚纤维的纺丝速度及线密度随牵伸气压增大呈现图1和图2所示的变化规律。

由图1可知，随着牵伸气压的增大，纺丝速度增加。其中，牵伸气压小于0.65 MPa时，纺丝速度增长较快，但当牵伸气压超过0.65 MPa后，纺丝速度基本趋于稳定。这是由于牵伸气流的速度不会随着牵伸气压的增加一直增加，而是趋向于一个亚音速的稳定值，故纺丝速度也随之变得稳定。

图1 聚苯硫醚纤维的纺丝速度与牵伸气压的关系

图2 聚苯硫醚纤维的线密度与牵伸气压的关系

由图2可见，聚苯硫醚纤维的线密度随着牵伸气压的增加迅速减小并趋于稳定。

调整牵伸气压的大小发现，聚苯硫醚纤维的断裂强度及断裂伸长率随牵伸气压增大呈现图3和图4所示的变化规律。

图3 聚苯硫醚纤维的断裂强度与牵伸气压的关系

图4 聚苯硫醚纤维的断裂伸长率与牵伸气压的关系

由图3可知：当牵伸气压小于0.60 MPa时，聚苯硫醚纤维的断裂强度随牵伸气压的增加而增加；当牵伸气压大于0.60 MPa时，聚苯硫醚纤维的断裂强度随牵伸气压的增加略有下降。原因可能是牵伸气压的增加导致纺丝速度增加，聚苯硫醚纤维的纺丝应力相应增加，故聚苯硫醚纤维在应力诱导结晶的作用下结晶度增加，断裂强度增加；但当牵伸气压过高时，聚苯硫醚纤维冷却速度过快，这会抑制结晶的产生，故纤维断裂强度有所下降。

总之，纺黏工艺生产的聚苯硫醚纤维断裂强度偏低，这可能与纺黏过程为一步拉伸，且牵伸过程中冷却速度较高、纤维结晶度较低有关。因此，如何调整工艺以生产出性能更好的聚苯硫醚纤维，将是今后开发的重点。

图4中，聚苯硫醚纤维的断裂伸长率开始随牵伸气压的增加而迅速减小，当牵伸气压超过0.60 MPa后，纤维的断裂伸长率趋于稳定。

综上，聚苯硫醚纺黏水刺非织造布的生产中，牵伸气压设置不宜过高，宜在0.55～0.65 MPa。

2.6 其他

由于聚苯硫醚树脂在合成过程中难以避免地会含有一定的可挥发性的降解物，因此，纺丝过程中喷丝板下方会有降解物挥发析出，并产生大量的刺激性气体。故喷丝板下方需设置单体抽吸系统，以保证降解物的清除；同时，纺丝车间还需保持良好的通风与气流走向，确保舒适的生产环境，以利于工人的健康。

3 结语

在国外，聚苯硫醚纤维的生产企业当前主要有日本东丽、东洋纺等[4]；在国内，聚苯硫醚纤维的生产企业当前较多，如四川德阳、成都旭光高新及江苏瑞泰等，但都存在产品品种少特别是高功能产品少、产能亟待扩大、高端产品被国外企业控制等问题。因此，如何打破国外技术的限制与封锁，满足国民经济及军工各领域对高端聚苯硫醚纤维的需求，将是我国聚苯硫醚纤维产业下一步发展的主要方向。