除尘滤袋用PTFE 缝纫线的力学性能改进研究

陈明刚，王向钦，刘 敏，王 旭，吴波伟

（1.苏州耐德新材料科技有限公司，江苏苏州215600；2.广州检验检测认证集团有限公司，广东广州511447）

0 引言

为进一步治理工业废气对大气环境的污染，减少雾霾等有害物质对人们生活质量的影响，近年来，各类工业废气排放标准的要求不断提高，特别是当GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》标准出台后，在众多一、二线城市又陆续颁布了工业锅炉粉尘颗粒物排放标准要求（低于10 mg/m3或5 mg/m3），有的甚至是降到零排放。这些严格的排放要求，为袋式除尘技术向着更加科学、高效的发展方向提供了强劲的动力，也使其成为近年工业废气治理中粉尘颗粒物排放控制的主要技术手段。袋式除尘技术是依靠滤料本身特有的性质以及留存在材料表面或内部一层可过滤粉尘的特性而起到拦截过滤物中粉尘的作用[1]。在实际应用中，袋式除尘的过滤效率可以达到99.99%[2]，完全实现了粉尘的高效过滤，满足低排放甚至零排放的标准要求。

缝纫线作为除尘滤袋制作的重要辅助材料，需要在严格苛刻的工况条件下保持较高的强力，这对滤袋的安全与可靠的使用具有十分重要的意义。按GB/T 6719—2009《袋式除尘器技术要求》的要求，除尘滤袋用缝线的性能应不低于滤袋性能，因此缝纫线也是影响除尘滤袋寿命及可靠性的重要因素之一。

PTFE材料因其优良的化学性能成为耐高温缝纫线的首选。然而，传统PTFE 缝纫线在长期热烟气作用下失效的案例却时有发生，也引起了业界人士的关注[3]。因此，针对传统PTFE 缝纫线的缺陷，开发出复合PTFE 缝纫线，使其在作为除尘滤袋缝纫线时可以确保滤袋的除尘效果，这对于空气环境产业具有较高的经济价值。

1 传统PTFE缝纫线力学性能分析

PTFE材料具有优异的耐化学性能和较高的耐热性，除熔融的碱金属外，几乎不受任何化学试剂腐蚀[6]，且能在-196～260 ℃的静态条件下不发生形变。由于PTFE 大分子的偶极矩接近零，基本不带极性，因此其绝缘性能较好。PTFE 的表面自由能低，具有高度的不黏附性和很低的摩擦因数。除此之外，它还具有极好的不燃性（限氧指数LOI 为95%）和抗老化性，因此，PTFE 高分子聚合物在我国还被俗称为“塑料王”[4-5]。

但是，PTFE 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（聚合度在104数量级，而聚乙烯仅在103的数量级）。PTFE 分子中CF2单元按锯齿形状排列，由于氟原子半径较碳原子稍大，所以相邻的CF2单元不能完全按反式交叉取向，而是形成一个螺旋状的扭曲链，使得氟原子几乎覆盖了整个高分子链的表面，这种分子结构决定了PTFE 材料的性能特点。当PTFE 用作结构性材料时，除上述优异的耐化学性能和良好的耐温性之外，其特殊的长链分子结构决定了它的特殊力学性能。然而，当它用作除尘滤袋缝纫线时，热蠕变、低摩擦因数等力学性能却成为材料的缺陷，主要体现在：PTFE的蠕变性能受温度影响较大，且温度越高，其蠕变越大，这就形成了热蠕变效应，具体表现在其线膨胀因数随着温度的变化而发生很不规律的变化，且线性材料断裂强力随着温度的变化衰减，并在一定温度条件下接近失效；PTFE的摩擦因数极小，仅为聚乙烯的1/5，这是全氟碳表面的重要特征，又由于氟-碳链分子间作用力极低，所以PTFE 具有不黏性；PTFE 是典型的软而弱的聚合物，大分子间的相互引力较小，刚度、硬度、强度都较小，因而所制材料也就表现出较差的耐磨性。

1.1 PTFE缝纫线热蠕变性对除尘滤袋的影响

众所周知，除尘滤袋一般都在高温状态下工作，因此PTFE 缝纫线长期在高温下极易发生热蠕变的现象，在除尘滤袋上常见的不良反应表现为涨袋、滤袋变长、针孔变大、缝纫处松弛、断裂、脱落等，从而造成除尘滤袋破损，给除尘系统带来极大的风险。

舒瑞[6]等人研究了热蠕变对除尘滤袋PTFE 缝纫线强力的影响，发现热蠕变性对PTFE 缝纫线的影响是非常显著的：PTFE 缝纫线的拉伸断裂强力随着温度升高而大幅下降，当温度超过250 ℃时其强力仅为1～3 N，且总体变化趋势是随着温度的升高先上升后下降，并在120 ℃时达到峰值。

1.2 PTFE缝纫线低摩擦因数对除尘滤袋的影响

由于PTFE 在熔融状态下流动性较差，无法像普通的化学纤维一样采用熔喷纺丝法生产纤维，目前只能先通过“膜分切法”“糊料挤出法”等方法制得PTFE单丝，然后再进行合股加捻制成PTFE缝纫线。由于单丝间抱合力差，加上PTFE 材料自身的特点，致使PTFE缝纫线的摩擦因数较小。当PTFE缝纫线用于除尘滤袋的缝制后，PTFE 缝纫线与滤料间的抱合力小、固附效果差，从而给除尘滤袋的除尘效果带来负面影响，主要表现在两个方面：由于PTFE 缝纫线与滤袋间的固附牢度较差，悬挂于除尘器中的滤袋在清灰喷吹作用下，PTFE 缝纫线与滤料之间不断产生位移与错动，针孔在滤袋重力拉伸和热蠕变的影响下不断被拉大，从而导致粉尘从针孔逃逸，降低了滤袋的除尘效果；由于PTFE缝纫线的低摩擦因数，积于针孔中的粉尘容易滑落，无法对针孔形成堵塞，影响滤袋的除尘效果。

1.3 PTFE缝纫线差的耐磨性对除尘滤袋的影响

PTFE缝纫线低劣的耐磨性能严重影响了除尘滤袋的除尘效果：袋头与袋身的缝合线上，粉尘作为摩擦介质，渗透于缝纫线的面线与底线之间，粉尘颗粒与PTFE 缝纫线的频繁摩擦使其断裂，从而导致滤袋破损，降低了滤袋的除尘效果；在滤袋与袋笼筋骨结合部位、除尘器进风口滤袋之间、滤袋与除尘器箱体的接近部位，都可能因为除尘喷吹或较高风速的进气导致滤袋底部之间或滤袋与箱体之间产生刮碰摩擦，导致缝纫线受损断裂，降低滤袋的除尘效果；除尘器和进风口滤袋因不断遭受粉尘颗粒冲刷，容易出现缝纫线磨损断裂脱落，导致滤袋除尘效果降低。因PTFE缝纫线自身的特性对除尘滤袋的不良影响，在实际应用中也曾出现了一些质量事故。例如，PTFE 缝纫线因持续高温作用导致其强力降低或PTFE缝纫线因频繁摩擦而断裂（如图1和图2），不仅影响滤袋的除尘效果，还给企业直接带来了重大的经济损失。

图1 滤袋袋头PTFE缝纫线磨损（PPS滤料，燃煤电厂）

图2 滤袋袋底PTFE缝纫线被冲刷磨损（PTFE滤料，垃圾焚烧）

2 PTFE缝纫线力学性能改进

针对传统PTFE缝纫线在除尘滤袋中的应用缺陷，可从两个方向对其进行改进：一是从原料上添加增强材料，二是在纺纱过程中添加增强材料。改进后的PTFE 复合缝纫线可以取长补短，弥补传统PTFE缝纫线的力学性能缺陷。

鉴于PTFE 纤维材料制作方式的特殊性，其纤维的生产是通过柱塞挤压技术获得生丝，再通过热拉牵伸来获得预期规格要求的纤维，且PTFE 材料的线性大分子结构和排列方式也决定了与其他异性物质之间无法产生很好的交联，氟原子保护下的稳定的碳氟键结构，也决定了它优良的化学稳定性，故在PTFE 原料上添加增强材料的数量是有限的，从而也使得对PTFE 材料性能的改变也是有限的，试图通过原料添加增强材料的方式改变PTFE力学性能缺陷的方法并不可行。因此，一般选择在纺纱过程中添加增强材料，即将与PTFE 材料性能相同或相近的材料与PTFE 纤维进行混纺，制成PTFE 复合缝纫线，通过增强材料的性能或形态的互补来弥补PTFE缝纫线力学性能上的缺陷。

2.1 增强材料的选择

增强材料的选择是按照与滤料材质性能相同或优于滤料材质的原则进行的，这样可使制得的复合PTFE缝纫线的力学性能接近或优于滤材的力学性能。一般增强材料可选择聚苯硫醚（PPS）、改性聚苯硫醚（MPPS）、芳纶（Ar）、宝德纶（POD）、聚酰亚胺（PI）等，制作时应根据除尘滤袋的特性，匹配相对应的单纱或合股纱，以及纱线支数。

2.2 PTFE缝纫线的改进

传统的PTFE 缝纫线因摩擦因数较低，表面比较光滑（见图3），因而在改进时一般选择从增加缝纫线的表面粗糙度开始。当选择适当的增强材料与PTFE单丝进行复合纺纱时，采用包覆纱结构，即将PTFE 单丝作为芯线，增强材料作为外包纱而制成包覆纱，从而增加其表面的粗糙度（见图4），然后再用包覆纱进行合股加捻制成PTFE复合缝纫线。

图3 传统PTFE缝纫线表观形态

图4 PTFE复合缝纫线表观形态

由图3和图4可以看出：PTFE复合缝纫线的表面粗糙度比传统PTFE 缝纫线的表面粗糙度大，说明PTFE 复合缝纫线具有丝纱抱合好、合股结构牢固、强度高、热伸缩性低的特点。正是具有了上述特点，使得PTFE复合缝纫线的热蠕变性能降低，摩擦因素增加，从而达到改善其力学性能的目的，即：热蠕变性能降低，由于添加的增强材料不具有与PTFE长丝相同的热膨胀性（热蠕变性），在PTFE复合缝纫线受热后，纱线仍然可以保持良好的形态和强力，可弥补传统PTFE 缝纫线因热蠕变带来的影响；摩擦因数增加，包覆纱结构增加了PTFE复合纱的表面粗糙度，使其具有较高的摩擦因数；耐磨性增强，丝纱包覆复合结构增强材料对PTFE 丝形成保护层，从而PTFE 复合缝纫线的耐磨性得到增强。综合分析，PTFE 复合缝纫线能够较好地弥补传统PTFE缝纫线热蠕变性高、摩擦因数低、耐磨性能差等方面的缺陷。

3 结论

（1）PTFE缝纫线因具有良好的耐化学性能，成为耐高温除尘滤袋的首选缝制用线，但因其存在热蠕变性较高、摩擦因数较低以及耐磨性能差等不良特性，不利于单独作为除尘滤袋的缝纫线。

（2）采用增强材料包覆PTFE 丝的方法可制备出PTFE复合缝纫线，可以改善传统PTFE缝纫线因热蠕变失强、缺乏抱合力和不耐磨等性能的缺陷。

因此，应该科学地认识和使用材料，不能因为材料在某个方面具有的优良特性，而盲目地、夸张地使用。在无法改变PTFE 材料自身性能的情况下，为了更好地保障PTFE 缝纫线在除尘滤袋使用过程中的安全性，提高除尘滤袋的使用寿命，采用复合纺织技术可改善PTFE 缝纫线的力学性能缺陷，为PTFE材料的良好应用作出贡献。