國產(chǎn)聚四氟乙烯纖維性能及針刺設備的探討

摘 要：聚四氟乙烯纖維以其優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、極低的表面摩擦系數(shù)、極高的密度以及纖維特殊的扁平截面形狀，這些極端性能集于一身的聚四氟乙烯纖維在垃圾焚燒高溫煙氣過濾處理、強酸、強堿、高溫環(huán)境的空氣過濾處理中有其廣闊的應用。同樣由于物理化學性能的特殊性使其在濾料加工過程中要克服靜電、高密度、纖維差異化等問題，本文通過對纖維特性的分析，進而在針刺設備配置、針布選型方面提出部分探討和建議。

關鍵詞：聚四氟乙烯纖維；纖維特性；針刺設備；針布選型

0 前言

近些年來，隨著工業(yè)化的發(fā)展，資源開發(fā)使用和環(huán)境污染問題的矛盾日漸突出，社會對環(huán)保意識的不斷加強，“青山綠水”的環(huán)保理念日益成為人們的共識。因此在環(huán)保過濾包括空氣過濾、水過濾方面的新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)。其中聚四氟乙烯纖維以其特殊的化學結構、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和物理性能在高溫、強酸、強堿過濾方面的應用不斷提高，因此通過對常規(guī)針刺設備的改造以實現(xiàn)對聚四氟乙烯纖維的針刺加工可以極大的發(fā)揮纖維優(yōu)勢在特種環(huán)境的過濾方面發(fā)揮積極作用，其具有很大的現(xiàn)實意義。

1 聚四氟乙烯纖維的化學及物理特性

1.1 聚四氟乙烯纖維內(nèi)在的化學結構及性能

聚四氟乙烯通常簡寫為PTFE，是一種物理及化學性能極為優(yōu)異的高分子聚合材料，其分子結構單元為[- CF2 -]。聚四氟乙烯的反應方程為：

nCF2=CF2→（CF2CF2）n，

通常是在高溫高壓和催化劑作用下發(fā)生加聚反應（加成聚合反應）。聚四氟乙烯相對分子質(zhì)量較大，低的為數(shù)十萬，高的達一千萬以上，一般為數(shù)百萬，PTFE分子中F原子對稱，C-F中兩種原子共價結合，分子中沒有游離的電子，整個分子呈中性，因為PTFE分子結構中沒有克鍵，所以它的結晶度很高PTFE聚合物一般結晶度為90-95%。聚四氟乙烯化合物中碳碳鍵和碳氟鍵的斷裂分別吸收能量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，所以高溫裂解時通常生產(chǎn)四氟乙烯。由于聚四氟乙烯分子外部為一層惰性含氟外殼，使它具有突出的不沾性欲低的摩擦系數(shù)。由于氟原子強極性，使得聚合物表現(xiàn)出極其穩(wěn)定的物理化學性能，如耐化學腐蝕、耐高溫等優(yōu)異特點，聚四氟乙烯在260℃，370℃和420℃時的失重速率（%）每小時分別是1X10-4、4X10-3和9X10-2，所以被譽為“塑料王”。其極為突出的物理、化學特性：

耐高溫--長期使用溫度200-260℃，熔融溫度為327-342℃；

耐低溫--在-100℃時仍柔軟；

耐腐蝕--能耐王水和一切有機溶劑；

耐氣候--塑料中最佳的老化壽命；

高潤滑--具有塑料中最小的摩擦系數(shù)；

不粘性--具有固體材料中最小的表面張力而不粘附任何物質(zhì)；

無毒害--具有生理惰性；

優(yōu)異的電氣性能，是理想的C級絕緣材料[1]。

1.2 聚四氟乙烯纖維外部的物理結構及性能

聚四氟乙烯纖維的制取通常是通過膜裂法獲得，生產(chǎn)工藝為：

聚四氟乙烯聚合體→稱配數(shù)量→加入助劑混合→熱塑處理→篩分→制坯→推壓→應力緩沖（空氣或水浴）→壓延→膜收卷

膜放卷→脫脂→縱向拉神→熱定型→梳針式式膜裂→上油劑→絲束收卷

絲束方卷→擠壓定型→短切→纖維稱重包裝

經(jīng)過以上工序加工得到的聚四氟乙烯纖維通常具有：纖維截面扁平、纖維纖度分布不一、纖維易分裂或分叉、纖維表面不規(guī)則及纖維長度差異較大等特點[2]。

而且由于纖維生產(chǎn)廠家在原料、設備、生產(chǎn)工藝等方面的差異造成不同廠家四氟乙烯結晶度差異大，纖維在膜裂后的強力、纖維纖度分布區(qū)間、纖維折光率等方面差異很大，對加工及后續(xù)的使用造成的困擾。圖三到圖六是四個不同國產(chǎn)廠家纖維在同等倍率下纖維狀態(tài)，可以看出差異非常明顯。

圖七圖八是兩個不同廠家纖維的截面形狀，也進一步表明了不同廠家纖維的差異明顯。

由上述的測試分析可以看出，聚四氟乙烯纖維在表觀特性上具有纖維粗細差異大，扁平式截面形狀，不規(guī)則的表面狀態(tài)等特征。PTFE的比重為2.3g/㎡[3]，較其它纖維的比重高，由于采用膜裂法加工而成纖維的纖度存在一定的分布區(qū)間，所以造成纖維具有很高的比表面積，這一特性利于在過濾材料方面的應用。

綜合以上聚四氟乙烯的化學、物理特性可以看出，該種纖維在強酸、強堿等腐蝕環(huán)境及高溫環(huán)境的過濾使用上有著突出的優(yōu)勢，同時纖維的靜電現(xiàn)象、高密度、纖維的梯度分布是決定產(chǎn)品加工性能的關鍵，而國產(chǎn)纖維的巨大差異也是影響纖維使用和推廣的一個難題。

2 聚四氟乙烯纖維的針刺加工

2.1 設備的改造

開清喂棉階段：由于氟原子極性強吸附電子的能力極大，所以極容易吸附聚集電荷，同時由于纖維的絕緣性能使得聚四氟乙烯極容易聚集電荷，直接現(xiàn)象是纖維容易在梳理過程中因靜電吸附而糾結粘連造成梳理轉移困難，容易產(chǎn)生毛球現(xiàn)象。所以針對靜電現(xiàn)象需要在纖維轉移、梳理設備上避免纖維的摩擦，包括與空氣的摩擦，纖維的開清混合過程采用機械傳輸，同時在梳理前設置雙棉箱設計，實現(xiàn)纖維在中間過程有時間靜置靜電釋放的過程。

圖九圖十分別是聚四氟乙烯纖維靜電吸附于網(wǎng)板及纖維未開開松前的拖掛現(xiàn)象

鋪網(wǎng)階段：聚四氟乙烯纖維密度2.3 g/cm3遠高于常規(guī)纖維密度，所以纖維在梳理成網(wǎng)后，纖網(wǎng)轉移進入鋪網(wǎng)機以及成網(wǎng)后進入針刺機的過程，極容易受到自重影響造成纖網(wǎng)轉移困難，容易發(fā)生的問題包括斷網(wǎng)、纖網(wǎng)意外牽伸或堆積、纖網(wǎng)繞網(wǎng)結團。考慮生產(chǎn)實際，在纖網(wǎng)傳遞的過程盡量實現(xiàn)平面轉移，托網(wǎng)傾斜角度小于±10°，拖網(wǎng)與拖網(wǎng)的間隙小于5cm，防止纖網(wǎng)意外牽伸造成的破洞等問題。

針刺及收卷階段：聚四氟乙烯的針刺機加固也與常規(guī)的纖維加工不同，由于纖維高密度、摩擦系數(shù)低往往造成針刺過程纖網(wǎng)與基布分層、起皺打折等現(xiàn)象，所以生產(chǎn)過程對基布的張力控制要做到恒張力低牽伸。針刺后的產(chǎn)品收卷也是容易出現(xiàn)問題的部位，由于聚四氟乙烯纖維針刺濾料通常做到700g/㎡以上，單卷400米左右的產(chǎn)品針刺后卷重在600kg左右，普通的被動收卷機依靠傳動壓輥的表面摩擦帶動收卷，容易造成隨著卷直徑的增加成品收卷越來越松，容易收卷跑偏等問題，所以被動收卷的形式不適合于聚四氟乙烯產(chǎn)品的加工，針刺收卷裝置最好采用恒張力的中心收卷模式。

所以聚四氟乙烯產(chǎn)品的加工設備要在開清、鋪網(wǎng)、基布放卷、收卷裝置上做出角度的調(diào)整以適應纖維的靜電、高密度、低摩擦等特點。

2.2 梳理主錫林針布的選型

圖十一與圖十二分別是同種纖維在不同針布配置設備上生產(chǎn)加工狀態(tài)

針對聚四氟乙烯的加工過程中，除了對設備的特殊調(diào)整外，在梳理機構上特別是針布選型方面也要做出特別的調(diào)整，采用普通針布型號的梳理機測試后，短時間內(nèi)主錫林表面存在一層的PTFE纖維層，說明纖維轉移不暢針布選型不對。根據(jù)這些現(xiàn)象，參照聚四氟乙烯纖維特性以及工藝重新計算梳理機針布的選擇類型。

①假定纖維為70mm，錫林線速度400米/分，錫林直徑1.5米（錫林轉速63轉/分），道夫轉移效率30%，根據(jù)公式

amin=tan-1（R-Uμ）/（U-Rμ）

通過實驗數(shù)據(jù)計算后得出，錫林齒條前角余角a的選擇大于80度。

其中：

amin--針布前角余角

R--纖維的梳理力（切向力）

U--纖維的法向力；

μ--纖維與針布摩擦系數(shù)（取值0.10）

②錫林針布密度，常規(guī)高產(chǎn)梳棉機錫林梳理度為10-15齒/根，假設生產(chǎn)3.5DX48mmPTFE纖維，產(chǎn)品克重40克/平米，生產(chǎn)速度20米/分，梳理機主錫林直徑1.5m，轉速300米/分，則梳理機針布密度為920齒/平方英寸（梳理度10齒/根）；當PTFE纖維長度為70mm，其他條件不變，則梳理機針布密度為630齒/平方英寸（10齒/根）。同時為保證對纖維的分梳效果以及纖維良好的轉移能力（針布橫向針刺主要參與握持分梳，而縱向針齒過密則纖維轉移困難），針齒橫縱向密度比選擇4：1左右，則630齒/平方英寸針布針齒厚為0.5mm，齒距為2.0mm左右。

③針布齒高，由于PTFE梳理工藝要求轉速低，所以纖維梳理過程離心力小，纖維容易沉入針布底部造成纏棉。在選擇較小工作角（10度左右）的前提下，建議針布針齒高度盡量小，齒高在2.0-2.5mm。

綜上所述建議采用主錫林針布采用小工作角、高針密、矮針齒、針布表面光滑且鋒利的針布類型。實踐證明采用這種思路配置后的針布纖網(wǎng)的梳理效果明顯改善如圖十二。

3 聚四氟乙烯纖維的混紡加工

在對國產(chǎn)聚四氟乙烯纖維電鏡分析可以看出，不同廠家的纖維差異較明顯，甚至同一廠家不同批次的纖維差異也很明顯，這對于產(chǎn)品質(zhì)量的控制造成很大的影響，往往不同時期生產(chǎn)的產(chǎn)品過濾效率波動很大。為減小纖維差異帶來的影響可以采用不同廠家的聚四氟乙烯纖維混合使用[4]，或者使用聚四氟乙烯纖維和其他耐高溫材料混合生產(chǎn)，比如采用聚四氟乙烯纖維與PPS或P84纖維的混合加工[5]，一方面可以穩(wěn)定產(chǎn)品品質(zhì)同時還可以節(jié)約成本取得良好的結果。

4 結語

聚四氟乙烯纖維作為一種新型纖維材料在工業(yè)過濾方面的應用越來越大的作用，只有充分發(fā)揮纖維的特種優(yōu)勢，做到揚長避短，才能更好地服務于人們的需求。

參考文獻：

[1]陳錫勇，陶建勤，李淑芳.PTFE短纖維性能與梳理工藝淺析[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2010.

[2]袁蓉，朱小云，王愛兵.PTFE纖維制造方法及其層壓面料研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2011.

[3]陳觀福壽.聚四氟乙烯纖維及其應用研究進展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2011.

[4]侯俊.PPS+PTFE復合針刺氈濾料的研究及應用[J].科技與創(chuàng)新，2016.

[5]張楠，崔鑫，靳向煜.加固工藝及組分對PPS/PTFE復合耐高溫濾料性能的影響[J].東華大學學報（自然科學版），2014.

作者簡介：

張麗霞（1977- ），工程師，主要從事高溫阻燃纖維以及濾料產(chǎn)品開發(fā)以及研究。

通訊作者：

張麗霞，上海締榮紡織品有限公司。