有機耐高溫纖維及其在過濾材料中的應用

青島大學紡織服裝學院，山東 青島 266071

有機耐高溫纖維及其在過濾材料中的應用

彭孟娜馬建偉

青島大學紡織服裝學院，山東 青島 266071

介紹5種有機耐高溫纖維及其過濾材料的性能特點、應用領域及國內外生產狀況，同時對國產有機耐高溫過濾材料的發展方向提出建議，為更好地選用有機耐高溫過濾材料提供依據。

有機耐高溫纖維，過濾材料，應用

耐高溫纖維是指在180 ℃以上的溫度條件下可長時間使用的纖維，即在此高溫條件下能維持常溫條件下所具備的物理力學性能或經較長使用時間后仍具備最低限度的物理力學性能的纖維[1]。耐高溫過濾材料作為新型濾材，雖然起步較晚，但是其后層出不窮的產品逐漸填補了耐高溫濾料市場上的空白，且應用場合越來越苛刻，其應用范圍廣，并具有許多附加功能，如抗靜電、去異味、殺菌等[2]。

有機耐高溫纖維主要有聚苯硫醚(PPS)纖維、聚酰亞胺(P84)纖維、聚四氟乙烯(PTFE)纖維、芳砜綸(PSA纖維)、間位芳綸(MPIA纖維)等。通常，耐高溫過濾材料主要含一種或幾種有機耐高溫纖維。不同的耐高溫纖維，其物理化學性能及價格都存在差異。本文共討論上述5種有機耐高溫纖維的特性及其在過濾材料中的應用。

1 部分有機耐高溫纖維的特性及應用

1.1PPS纖維及其濾料

1.1.1 特性及應用領域

PPS纖維分子特殊的結構決定了其優異的物理力學性能。表1列出了PPS纖維的主要性能指標。

表1 PPS纖維的主要性能指標

從表1可以看出，PPS纖維的耐高溫性能極好，其極限氧指數和熱分解溫度均較高，且高于P84、PSA、MPIA纖維；PPS纖維的回潮率較低，適宜制成針刺非織造布[3]；PPS纖維具有良好的力學性能及優異的尺寸穩定性，這主要是因為纖維分子結晶度高。但PPS濾料的耐氧化性稍差，當煙氣含氧量超過15%時，就不能使用該種濾料了[4]。在正常工作溫度下，PPS濾袋的使用壽命可超過3年，可作為耐高溫濾材的主流纖維。

由于PPS纖維的價格昂貴，因此廣泛應用于對環境要求苛刻的高端應用領域，如垃圾焚燒爐、水泥廠、阻燃、化學品過濾、火力發電煙道除塵等。

1.1.2 生產廠家

日本的東洋紡織公司(TOYOBO)和東麗集團(TORAY)、美國的菲利普公司(FIT)及法國的羅地亞公司(NEXIS)等是較大的PPS纖維生產廠家。

我國的PPS纖維生產起步較晚，主要有福建廈門三維絲環保股份有限公司、四川得陽科技股份公司、江蘇瑞泰科技有限公司、江蘇世財環?？萍加邢薰?、遼寧營口耐斯特環保科技有限公司、浙江海寧新能紡織有限公司、廣東佛山市斯樂普特種材料有限公司等企業生產PPS纖維產品。

福建廈門三維絲環保股份有限公司生產的主要產品之一是“普耐”牌PPS針刺氈。四川得陽科技股份有限公司是首次實現PPS從樹脂到纖維的全程國產化的企業，填補了國內空白。江蘇瑞泰科技有限公司是國內首家實現PPS短纖維產業化生產的企業，目前，其PPS短纖的各項技術指標已與日本東麗集團產品接近，且長絲部分實現了規?；a。江蘇世財環保科技有限公司主要生產PPS長絲基布及PPS纖維與玻纖基布復合品，其中，PPS纖維從美國、日本等地進口。廣東佛山市斯樂普特種材料有限公司成功建成了國內首條PPS紡黏針刺非織造布生產線，用這種非織造布制成的濾袋填補了國內空白。

我國是PPS纖維的應用大國，使用量超過世界PPS纖維使用量的一半[5-6]。隨著國家對環保要求的提高，高性能PPS濾袋在高溫除塵領域的應用會越來越廣泛[7]。

1.2P84纖維及其濾料

1.2.1 特性及應用領域

表2列出了P84纖維的主要性能指標。

表2 P84纖維的主要性能指標

P84纖維截面為不規則葉片狀，這一特殊結構使其具有兩大優點：一是纖維表面積大大增加，阻塵與捕塵能力及過濾效率明顯提高；二是其內應力大小不同且分布不均勻，因此纖維自然卷曲，纖維間抱合力和纏結力增強[8]。P84由一種縮聚型聚合物制成，不耐水解，且在酸堿環境中易被腐蝕。因此，使用P84濾袋時，需對廢氣進行一定的前處理(如脫硫)，降低氮氧化合物含量、硫氧化合物含量、含氧量、含水量等[9]。

P84纖維常與其他纖維復合，如玻璃纖維，使用比例隨使用環境不同而異。復合后，兩種纖維的優點都得到充分發揮。濾袋商品如氟美斯(FMS)，它是在玻纖針刺氈基布上添加P84纖維而制成的，氈層更緊密，纖維間纏結增強，能應對更高的過濾風速[10]。

P84纖維制成的濾料的工作溫度為260 ℃，瞬間工作溫度可達280 ℃，且粉塵不會滲進濾料，在減少壓力降的同時，剝離性能增強，適用于粉塵量巨大或排放濃度要求較高的場合，如水泥廠、熱式焚化爐、電石廠等。

1.2.2 生產廠家

奧地利蘭精集團(LENZING)是國外生產P84纖維的主要廠家之一[11]。國內生產P84濾布的主要廠家有四川勝鑫公司、江蘇世財環?？萍加邢薰?、上海菲爾特工業用布有限公司等。

江蘇世財環?？萍加邢薰炯吧虾７茽柼厣a的P84耐高溫針刺過濾氈系列產品均選用奧地利蘭精集團生產的P84纖維，江蘇世財環?？萍加邢薰臼菄鴥扰可a此種濾料的首家企業，其濾料通常與玻璃纖維復合。

1.3PTFE纖維及其濾料

1.3.1 PTFE纖維及其濾料的特點及應用領域

表3所示為PTFE纖維的主要性能指標。

表3 PTFE纖維的主要性能指標

PTFE纖維是氟聚合物纖維中最具代表性的高性能纖維，分為PTFF棕色纖維和PTFF白色纖維[12]。PTFE纖維分子結構穩定，分子間作用力大，分子鏈排列有序，可承受各種強氧化物的作用且不易發生水解，因而能適應高溫和化學作用聯合影響的環境。PTFF纖維的熔點為327 ℃，其工作溫度為280 ℃，瞬間工作溫度可達到300 ℃[13]。

PTFE濾袋與硬質表面接觸時，其摩擦系數極大，但當煙氣壓力增大時，濾材的摩擦系數顯著降低。因此，生產中一般將PTFE纖維與其他材料復合，如混合一定比例的玻璃纖維、耐高溫纖維和耐酸堿纖維[14]。另外，將PTFE纖維按其細度分級，可以生產梯度復合針刺氈濾料。

普通PTFE濾料適用于環境溫度較高、含塵濃度較大的場合，是垃圾焚燒等高溫煙氣除塵領域理想的過濾材料。PTFE覆膜濾袋的過濾效率高，使用壽命長，且清灰容易，常應用在去油、去水等特殊煙氣環境中[15]。

1.3.2 生產廠家

奧地利蘭精集團生產的PTFE纖維濾料性能優異[15]。美國戈爾公司最先開發出新型復合PTFE覆膜濾料，其表面是膨體聚四氟乙烯(ePTFE)微孔薄膜，孔徑約1～2 μm，基底是PTFE纖維或玻璃纖維等制成的針刺氈或機織物[16]。

上海博格工業用布有限公司的過濾材料已經實現規?；a，其產品在質量、品種、產量上均處于國內領先地位，其中高溫濾料FMS性能優異。南京英斯瑞德高分子材料股份有限公司主要生產耐磨、耐腐蝕、耐溫的過濾材料。天鼎峰非織造布有限公司生產的PTFE濾料中通常復合玻璃纖維及耐高溫纖維、耐酸堿纖維。江蘇奧凱環保科技有限公司主要生產PPS與PTFE復合的耐高溫除塵濾袋。宏祥新材料有限公司主要生產PTFE過濾氈，其采用純PTFE纖維經過針刺或水刺加工制成。此外，還有上海凌橋環保設備廠有限公司、上海大宮新材料有限公司、浙江格爾泰斯環保特材科技有限公司等生產純PTFE濾料的廠家。

1.4PSA纖維及其濾料

1.4.1 特點及應用領域

PSA纖維屬于對位芳綸系列，其學名為聚苯砜對苯二甲酰胺纖維[17]。PSA纖維的主要性能指標見表4。

表4 PSA纖維的主要性能指標

PSA纖維與Nomex(芳綸1313，美國杜邦公司生產)同屬芳香族聚酰胺纖維，性能相似。與Nomex相比，PSA纖維的強度稍低，但在阻燃性、耐高溫性、耐氧化性、抗老化性能上的優勢顯著。

在270 ℃以內，PSA纖維的尺寸穩定性及耐酸性良好，常用作耐高溫濾料，已在環保過濾材料等領域打破了國外壟斷[17]，廣泛應用于煙道氣體除塵過濾袋、稀有金屬回收袋及耐酸堿和一般有機溶劑的過濾材料等方面[18]。

1.4.2 生產廠家

PSA纖維是由上海自主研發的，是我國耐高溫產業領域的一項核心技術[18]。目前，國產PSA纖維已實現工業化生產，而類似的纖維只有少數幾個國家能生產。上海特安綸纖維有限公司主要生產PSA纖維和PSA濾袋，后者主要與玻璃纖維、PPS纖維、PTFE纖維等復合。

1.5MPIA纖維及其濾料

1.5.1 特點及應用領域

表5所示為MPIA纖維的主要性能指標。

表5 MPIA纖維的主要性能指標

MPIA纖維濾袋的工作溫度為204 ℃，瞬時工作溫度為240 ℃，耐磨耐折性較好，耐堿性一般，耐酸性差，抗水解能力也較差，但可進行拒水防油后處理，提高抗水解性[19]37。

芳綸1313屬于間位芳綸，是一種集耐高溫、阻燃、絕緣等特性于一體的特種合成纖維,俗稱防火纖維[19]37，適合在高溫、無酸、含水較少的工況中使用，廣泛應用于冶金、水泥、筑路等行業的高溫煙氣過濾。

1.5.2 生產廠家

Nomex最早由美國杜邦公司研制成功，1967年實現產業化。無論在國際市場上還是國內市場上，目前已實現芳綸1313規?；a的企業屈指可數。美國、日本和蘇聯對間位芳綸的生產技術一直進行壟斷，將其產品視為重要戰略物資。

煙臺氨綸股份有限公司于2004年率先實現了間位芳綸產業化，打破了國外公司的壟斷，且產品的各項技術性能指標均達到了國際先進水平，使我國成為世界上繼美國、日本、俄羅斯后第四個能批量生產芳綸的國家。煙臺泰和新材料公司是全球第二大間位芳綸供應商，是國內唯一一家擁有芳綸原料→纖維→制成品的完整產業鏈的生產企業，其商品名為“泰美達”(Tametar)。香港圣歐集團有限公司主要生產耐高溫阻燃X-FIPERTM芳綸纖維及相關產品。

2 國內外高溫過濾行業的發展趨勢

根據《2015年中國環境狀況公報》，2015年，全國338個地級以上城市中，空氣質量達標的城市占21.6%，主要污染物以細顆粒物(PM2.5)、臭氧(O3)和可吸入顆粒物(PM10)居多。其次，還存在NO2、SO2和CO等污染物。除塵器得到越來越廣泛的應用，其中濾袋式除塵器是控制粉塵污染的主要選擇，而過濾袋的材料選用至關重要[20]。

迄今，全球耐高溫纖維的主要供應商仍然是美國杜邦和日本帝人，最大的兩個區域市場主要集中在亞太地區和歐洲地區。其中，中國是全球最大的耐高溫纖維需求國。預計到2020年，耐高溫纖維的市場需求量的穩定增長，主要依靠發展中國家的需求及發達國家向低成本亞洲國家進行的工業轉移。

純高溫纖維濾料的生產成本較高。目前，主要采用既能發揮耐高溫纖維的特性又能降低新型濾袋生產成本的方法，開發更多的耐高溫復合濾料系列產品[21]。為打破國外技術限制和封鎖，滿足各領域對高性能結構材料的需求，我國耐高溫濾料產業下一步的發展方向：增加耐高溫纖維產品品種，研發高性能產品，開發新型耐高溫復合材料及改性品種，建立更大的規模化生產裝置，提高產能，等等。

3 結語

P84濾料和PTFE濾料雖能夠勝任高溫工況，且使用壽命長，但價格昂貴，一般企業難以承受。為了延長濾袋的壽命和適應未來更加嚴格的排放標準，今后的創新方向，一是使用兩種及以上的不同品種的耐高溫纖維進行復合，達到取長補短的效果；二是研發超細纖維或異形截面纖維，提高濾料的過濾精度。

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Organic high temperature resistant fiber and its application in filtration materials

PengMengna，MaJianwei

College of Textiles & Clothing, Qingdao University, Qingdao 266071, China

The performance features, application fields and production status at home and abroad of five kinds of organic high temperature resistant fibers and their filatration materials were mainly described. Meanwhile, the advice on the development direction of domestic organic high temperature resistant filtration materials was proposed to provide proofs for better selection of organic high temperature resistant filtration materials.

orgnic high temperature resistant fiber, filtration material, application

2017-06-20

2017-07-20

彭孟娜，女，1992年生，在讀碩士研究生，研究方向為紡織材料與紡織品設計

馬建偉，915286867@qq.com

TS102， TS156

A

1004-7093(2017)10-0027-05