聚苯硫醚纖維對其復合濾料結構及力學性能影響

余鵬程，于 斌，韓 建，徐國平，丁新波

(1.浙江理工大學材料與紡織學院，浙江杭州 310018;2.浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室，浙江杭州 310018)

隨著工業化進程的不斷加快，由此引發的環境污染問題也越來越嚴重，尤其是鋼鐵、水泥、火力發電、垃圾焚燒等行業的煙氣排放(冷卻后溫度在140～240℃之間)，是對大氣造成污染的主要原因［1-2］。隨著人們環保意識以及對環境改善的要求日益加強，提高煙氣排放的潔凈程度成為必要措施。玄武巖纖維(BF)具有優異的力學性能，且耐高溫，耐腐蝕性，化學穩定性高［3-5］，抗靜電性能良好，價格較低，適合在耐高溫濾料中的應用。目前有關玄武巖纖維在高溫濾料中的研究還較少。王萍等［6］研究了水刺壓強、輸網簾速度、水刺道數與玄武巖纖維水刺過濾材料縱橫向強力、孔徑、孔隙率的關系，發現縱橫向強力隨著水刺道數的增加而減小，材料的孔隙率隨著水刺壓強和道數的增加而降低。馮建民等［7］對玄武巖纖維復合針刺過濾材料耐酸堿性能進行了對比研究，結果表明玄武巖纖維復合針刺濾料經酸處理后強力保持率在92%以上，經濃度為2 mol/L的NaOH溶液處理后強力保持率在68%以上。

由于玄武巖纖維密度高，在梳理時纖維易沉在針布底部，難以得到有效的梳理，同時玄武巖纖維無卷曲，纖維之間難以產生有效抱合［8］，單一玄武巖纖維在普通梳理機上雖能形成纖網，但是均勻性很差。而聚苯硫醚(PPS)纖維具有良好的熱穩定性、化學穩定性、耐腐蝕性及電性能［9-11］，適宜用作過濾材料，而且其卷曲性好，有利于纖維間的抱合，但是因其價格較高，可將PPS纖維加入玄武巖纖維中共混成網，以改善纖網成網的均勻性。

本文將玄武巖纖維與PPS纖維以不同質量比混合、開松，經針刺加固制成過濾材料，通過表觀形貌觀察以及斷裂強力等測試，分析PPS纖維對玄武巖纖維復合針刺過濾材料形態結構及力學等性能的影響，從而為玄武巖纖維復合濾料在高溫過濾中的研究和應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗材料：玄武巖纖維、PPS纖維、玄武巖基材，其規格及基本性能如表1、2及圖1所示。

表1 玄武巖纖維及PPS纖維的基本性能Tab.1 Basic properties of basalt and PPS fibers

表2 玄武巖纖維基材規格Tab.2 Specification of basalt substrate fabric

圖1 玄武巖纖維、PPS纖維和玄武巖基材Fig.1 Basalt fiber(a)，PPS fiber(b)and basalt substrate fabric(c)

1.2 玄武巖纖維針刺復合過濾材料的制備

本文實驗所采用的制備工藝流程如圖2所示，所得的纖網及復合濾料的規格：濾料面密度為600g/m2，針刺密度為200刺/cm2，BF與 PPS纖維質量比分別為 A 試樣100∶0，B 試樣10∶10，C 試樣80∶20，D 試樣70∶30。

圖2 BF/PPS針刺復合濾料制備的工藝流程Fig.2 Preparing process of BF/PPS needle-punched composite filter materials

1.3 實驗方法

1.3.1 纖維網的表面形貌觀察

采用ZEISS Stemi 2000-C型體視顯微鏡對不同纖維配比的玄武巖/PPS纖維網的表面形貌進行觀察。

1.3.2 復合濾料的形態結構觀察

采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對玄武巖/PPS復合濾料的表面和橫截面進行觀察。

1.3.3 復合濾料的力學性能測試

用YG028-3000型織物電子強力儀對玄武巖/PPS復合濾料進行力學性能的測試。測試標準按照FZ/T 60005—1991《非織造布斷裂強力及斷裂伸長率的測定》。測試條件：夾持距離為200 mm，拉伸速度為100 mm/min。

1.3.4 復合濾料的纏結性能測試

采用纏結系數來評價玄武巖/PPS復合濾料的纏結性能，計算公式為

2 結果與討論

2.1 纖維網的表觀形貌分析

不同質量比的玄武巖/PPS纖維網的顯微鏡照片如圖3所示。圖中呈筆直狀的為玄武巖纖維，而有一定彎曲形狀的是PPS纖維。從圖中可以看出，100%玄武巖纖維梳理出來的纖維網均勻性差，纖維單纖化程度不高，纖維網中存在一些纖維束，添加PPS纖維后的纖維網均勻性不斷改善，纖維排列雜亂程度變大。這主要是因為玄武巖纖維比重大，無卷曲，抱合力小，100%玄武巖纖維在梳理時易沉積在梳理機的工作元件上，纖維難以得到有效的梳理，單纖化程度差，纖維損傷較多;PPS纖維有一定的卷曲度，有利于纖維的纏結抱合，可增加纖維間的摩擦，增大靜摩擦因數，從而提高纖維網質量。

2.2 復合濾料的形態結構分析

圖4 示出經預針刺和主針刺各1次針刺加固后的玄武巖/PPS針刺復合過濾材料的表面及橫截面的SEM照片。從圖4(a)、(b)可看出，玄武巖纖維彎曲剛度較高，基本呈直線狀，在濾料中的分布均勻性較差，有束狀纖維存在，纖維與纖維間、纖維與基材間相互纏結少，而被刺針刺斷纖維數量較多;從圖4(c)、(e)、(g)可看出，添加彎曲剛度較低的PPS纖維改善了濾料的均勻性，提高了纖維的單纖化程度。PPS纖維穿插纏結在玄武巖纖維的周圍，增強了表層纖維網的纏結、抱合，而且有纖維貫穿濾料上下，有利于纖維與纖維、纖維與基材間的纏結;從圖4(d)、(f)、(h)可看出添加PPS纖維減少濾料表層被刺斷的纖維數，增加了被刺入基材中纖維，改善了纖維與基材的纏結性能。

圖3 不同質量比的玄武巖/PPS纖維網的顯微鏡照片(×20)Fig.3 Microscope photos of basalt/PPS web of different weight percentage(×20).(a)A sample;(b)B sample;(c)C sample;(d)D sample

2.3 復合濾料的力學性能分析

不同質量比的玄武巖/PPS針刺復合過濾材料的斷裂強力及斷裂伸長率如圖5所示。其中圖5(a)是玄武巖/PPS針刺復合過濾材料的斷裂強力與PPS纖維質量分數的關系。當PPS纖維質量分數由0提高到30%時，復合濾料的橫、縱向強力分別由588.3、474.2 N/5cm增加為1 465.2、1 075.2 N/5cm，而且斷裂強力隨PPS纖維質量分數的變化符合直線規律。復合濾料的強力是由基材和表面纖維網共同承擔，但以基材為主，表面纖維網在針刺加工過程中對基材有保護作用［13-14］。玄武巖纖維無卷曲和脆性，在針刺過程中容易被刺斷，添加PPS纖維可增強纖維間的摩擦力、抱合力，使纖網纏結緊密，從而增加表層纖網的強力，同時在針刺過程中PPS纖維的加入能對基材有緩沖的作用，減少基材損傷，提高濾料的整體強力。同時從圖5(a)中還可看出，復合濾料橫向斷裂強力隨PPS纖維質量分數增加的速率大于縱向。主要是因為梳理得到的纖網中橫向分布的PPS纖維較多，使橫向的纖維纏結增加。由圖5(b)可知，添加PPS纖維后復合濾料的橫、縱向斷裂伸長率略有增加，主要出現在當PPS纖維質量分數由0提高到10%時，之后隨著PPS纖維質量分數的增加，斷裂伸長率無明顯變化。綜上所述，通過添加PPS纖維可有效改善復合濾料的力學性能。

圖4 不同質量比的玄武巖/PPS針刺復合過濾材料的表面及橫截面的SEM照片(×100)Fig.4 SEM images of surface and cross section of basalt/PPS needle-punched composite filter materials of different weight percentages(×100).(a)Surface of A sample;(b)Cross section of A sample;(c)Surface of B sample;(d)Cross section of B sample;(e)Surface of C sample;(f)Cross section of C sample;(g)Surface of D sample;(h)Cross section of D sample

2.4 復合濾料的纏結性能分析

不同質量百分比的玄武巖/PPS針刺復合過濾材料的纏結性能如圖6所示。纏結系數指的是非織造材料的縱向強力和橫向強力之和與其面密度的比值，可較好地反映PPS纖維對玄武巖纖維/PPS復合濾料的纏結性能。隨著PPS纖維質量分數的提高，復合濾料的纏結系數符合直線上升規律。PPS纖維卷曲程度較好，纖維間易纏結，纖維網容易成網，通過針刺后纖維間的纏結更牢固，從而纏結系數有所提高。由纏結系數的計算公式可知，在濾料的面密度相同的條件下，纏結系數大小與濾料的拉伸斷裂強力有直接關系，因此，濾料的纏結系數大說明纖維間纏結好，纏結結構緊密，濾料的拉伸斷裂強力大，力學性能好，所以添加PPS纖維可提高濾料的力學性能。

圖5 不同質量比的玄武巖/PPS針刺復合過濾材料的斷裂強力及斷裂伸長率Fig.5 Breaking strength(a)and elongation(b)of basalt/PPS needle-punched composite filter materials of different weight percentages

圖6 不同質量比的玄武巖/PPS針刺復合過濾材料的纏結性能Fig.6 Entanglement properties of basalt/PPS needle-punched composite filter materials of different weight percentages

3 結論

本文采用玄武巖纖維與PPS纖維制成過濾材料，通過分析PPS纖維對玄武巖纖維復合針刺過濾材料形態結構、力學性能等影響，得出以下結論。

1)隨著PPS纖維質量分數的增加，纖維的單纖化程度提高，從而提高了玄武巖/PPS纖維網的質量，改善了成網均勻性。

2)添加PPS纖維有利于纖維間的纏結，可以有效提高玄武巖/PPS復合濾料的橫、縱向強力和纏結系數。

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