除塵濾袋用PTFE 縫紉線的力學性能改進研究

陳明剛，王向欽，劉 敏，王 旭，吳波偉

（1.蘇州耐德新材料科技有限公司，江蘇蘇州215600；2.廣州檢驗檢測認證集團有限公司，廣東廣州511447）

0 引言

為進一步治理工業廢氣對大氣環境的污染，減少霧霾等有害物質對人們生活質量的影響，近年來，各類工業廢氣排放標準的要求不斷提高，特別是當GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》標準出臺后，在眾多一、二線城市又陸續頒布了工業鍋爐粉塵顆粒物排放標準要求（低于10 mg/m3或5 mg/m3），有的甚至是降到零排放。這些嚴格的排放要求，為袋式除塵技術向著更加科學、高效的發展方向提供了強勁的動力，也使其成為近年工業廢氣治理中粉塵顆粒物排放控制的主要技術手段。袋式除塵技術是依靠濾料本身特有的性質以及留存在材料表面或內部一層可過濾粉塵的特性而起到攔截過濾物中粉塵的作用[1]。在實際應用中，袋式除塵的過濾效率可以達到99.99%[2]，完全實現了粉塵的高效過濾，滿足低排放甚至零排放的標準要求。

縫紉線作為除塵濾袋制作的重要輔助材料，需要在嚴格苛刻的工況條件下保持較高的強力，這對濾袋的安全與可靠的使用具有十分重要的意義。按GB/T 6719—2009《袋式除塵器技術要求》的要求，除塵濾袋用縫線的性能應不低于濾袋性能，因此縫紉線也是影響除塵濾袋壽命及可靠性的重要因素之一。

PTFE材料因其優良的化學性能成為耐高溫縫紉線的首選。然而，傳統PTFE 縫紉線在長期熱煙氣作用下失效的案例卻時有發生，也引起了業界人士的關注[3]。因此，針對傳統PTFE 縫紉線的缺陷，開發出復合PTFE 縫紉線，使其在作為除塵濾袋縫紉線時可以確保濾袋的除塵效果，這對于空氣環境產業具有較高的經濟價值。

1 傳統PTFE縫紉線力學性能分析

PTFE材料具有優異的耐化學性能和較高的耐熱性，除熔融的堿金屬外，幾乎不受任何化學試劑腐蝕[6]，且能在-196～260 ℃的靜態條件下不發生形變。由于PTFE 大分子的偶極矩接近零，基本不帶極性，因此其絕緣性能較好。PTFE 的表面自由能低，具有高度的不黏附性和很低的摩擦因數。除此之外，它還具有極好的不燃性（限氧指數LOI 為95%）和抗老化性，因此，PTFE 高分子聚合物在我國還被俗稱為“塑料王”[4-5]。

但是，PTFE 相對分子質量較大，低的為數十萬，高的達一千萬以上，一般為數百萬（聚合度在104數量級，而聚乙烯僅在103的數量級）。PTFE 分子中CF2單元按鋸齒形狀排列，由于氟原子半徑較碳原子稍大，所以相鄰的CF2單元不能完全按反式交叉取向，而是形成一個螺旋狀的扭曲鏈，使得氟原子幾乎覆蓋了整個高分子鏈的表面，這種分子結構決定了PTFE 材料的性能特點。當PTFE 用作結構性材料時，除上述優異的耐化學性能和良好的耐溫性之外，其特殊的長鏈分子結構決定了它的特殊力學性能。然而，當它用作除塵濾袋縫紉線時，熱蠕變、低摩擦因數等力學性能卻成為材料的缺陷，主要體現在：PTFE的蠕變性能受溫度影響較大，且溫度越高，其蠕變越大，這就形成了熱蠕變效應，具體表現在其線膨脹因數隨著溫度的變化而發生很不規律的變化，且線性材料斷裂強力隨著溫度的變化衰減，并在一定溫度條件下接近失效；PTFE的摩擦因數極小，僅為聚乙烯的1/5，這是全氟碳表面的重要特征，又由于氟-碳鏈分子間作用力極低，所以PTFE 具有不黏性；PTFE 是典型的軟而弱的聚合物，大分子間的相互引力較小，剛度、硬度、強度都較小，因而所制材料也就表現出較差的耐磨性。

1.1 PTFE縫紉線熱蠕變性對除塵濾袋的影響

眾所周知，除塵濾袋一般都在高溫狀態下工作，因此PTFE 縫紉線長期在高溫下極易發生熱蠕變的現象，在除塵濾袋上常見的不良反應表現為漲袋、濾袋變長、針孔變大、縫紉處松弛、斷裂、脫落等，從而造成除塵濾袋破損，給除塵系統帶來極大的風險。

舒瑞[6]等人研究了熱蠕變對除塵濾袋PTFE 縫紉線強力的影響，發現熱蠕變性對PTFE 縫紉線的影響是非常顯著的：PTFE 縫紉線的拉伸斷裂強力隨著溫度升高而大幅下降，當溫度超過250 ℃時其強力僅為1～3 N，且總體變化趨勢是隨著溫度的升高先上升后下降，并在120 ℃時達到峰值。

1.2 PTFE縫紉線低摩擦因數對除塵濾袋的影響

由于PTFE 在熔融狀態下流動性較差，無法像普通的化學纖維一樣采用熔噴紡絲法生產纖維，目前只能先通過“膜分切法”“糊料擠出法”等方法制得PTFE單絲，然后再進行合股加捻制成PTFE縫紉線。由于單絲間抱合力差，加上PTFE 材料自身的特點，致使PTFE縫紉線的摩擦因數較小。當PTFE縫紉線用于除塵濾袋的縫制后，PTFE 縫紉線與濾料間的抱合力小、固附效果差，從而給除塵濾袋的除塵效果帶來負面影響，主要表現在兩個方面：由于PTFE 縫紉線與濾袋間的固附牢度較差，懸掛于除塵器中的濾袋在清灰噴吹作用下，PTFE 縫紉線與濾料之間不斷產生位移與錯動，針孔在濾袋重力拉伸和熱蠕變的影響下不斷被拉大，從而導致粉塵從針孔逃逸，降低了濾袋的除塵效果；由于PTFE縫紉線的低摩擦因數，積于針孔中的粉塵容易滑落，無法對針孔形成堵塞，影響濾袋的除塵效果。

1.3 PTFE縫紉線差的耐磨性對除塵濾袋的影響

PTFE縫紉線低劣的耐磨性能嚴重影響了除塵濾袋的除塵效果：袋頭與袋身的縫合線上，粉塵作為摩擦介質，滲透于縫紉線的面線與底線之間，粉塵顆粒與PTFE 縫紉線的頻繁摩擦使其斷裂，從而導致濾袋破損，降低了濾袋的除塵效果；在濾袋與袋籠筋骨結合部位、除塵器進風口濾袋之間、濾袋與除塵器箱體的接近部位，都可能因為除塵噴吹或較高風速的進氣導致濾袋底部之間或濾袋與箱體之間產生刮碰摩擦，導致縫紉線受損斷裂，降低濾袋的除塵效果；除塵器和進風口濾袋因不斷遭受粉塵顆粒沖刷，容易出現縫紉線磨損斷裂脫落，導致濾袋除塵效果降低。因PTFE縫紉線自身的特性對除塵濾袋的不良影響，在實際應用中也曾出現了一些質量事故。例如，PTFE 縫紉線因持續高溫作用導致其強力降低或PTFE縫紉線因頻繁摩擦而斷裂（如圖1和圖2），不僅影響濾袋的除塵效果，還給企業直接帶來了重大的經濟損失。

圖1 濾袋袋頭PTFE縫紉線磨損（PPS濾料，燃煤電廠）

圖2 濾袋袋底PTFE縫紉線被沖刷磨損（PTFE濾料，垃圾焚燒）

2 PTFE縫紉線力學性能改進

針對傳統PTFE縫紉線在除塵濾袋中的應用缺陷，可從兩個方向對其進行改進：一是從原料上添加增強材料，二是在紡紗過程中添加增強材料。改進后的PTFE 復合縫紉線可以取長補短，彌補傳統PTFE縫紉線的力學性能缺陷。

鑒于PTFE 纖維材料制作方式的特殊性，其纖維的生產是通過柱塞擠壓技術獲得生絲，再通過熱拉牽伸來獲得預期規格要求的纖維，且PTFE 材料的線性大分子結構和排列方式也決定了與其他異性物質之間無法產生很好的交聯，氟原子保護下的穩定的碳氟鍵結構，也決定了它優良的化學穩定性，故在PTFE 原料上添加增強材料的數量是有限的，從而也使得對PTFE 材料性能的改變也是有限的，試圖通過原料添加增強材料的方式改變PTFE力學性能缺陷的方法并不可行。因此，一般選擇在紡紗過程中添加增強材料，即將與PTFE 材料性能相同或相近的材料與PTFE 纖維進行混紡，制成PTFE 復合縫紉線，通過增強材料的性能或形態的互補來彌補PTFE縫紉線力學性能上的缺陷。

2.1 增強材料的選擇

增強材料的選擇是按照與濾料材質性能相同或優于濾料材質的原則進行的，這樣可使制得的復合PTFE縫紉線的力學性能接近或優于濾材的力學性能。一般增強材料可選擇聚苯硫醚（PPS）、改性聚苯硫醚（MPPS）、芳綸（Ar）、寶德綸（POD）、聚酰亞胺（PI）等，制作時應根據除塵濾袋的特性，匹配相對應的單紗或合股紗，以及紗線支數。

2.2 PTFE縫紉線的改進

傳統的PTFE 縫紉線因摩擦因數較低，表面比較光滑（見圖3），因而在改進時一般選擇從增加縫紉線的表面粗糙度開始。當選擇適當的增強材料與PTFE單絲進行復合紡紗時，采用包覆紗結構，即將PTFE 單絲作為芯線，增強材料作為外包紗而制成包覆紗，從而增加其表面的粗糙度（見圖4），然后再用包覆紗進行合股加捻制成PTFE復合縫紉線。

圖3 傳統PTFE縫紉線表觀形態

圖4 PTFE復合縫紉線表觀形態

由圖3和圖4可以看出：PTFE復合縫紉線的表面粗糙度比傳統PTFE 縫紉線的表面粗糙度大，說明PTFE 復合縫紉線具有絲紗抱合好、合股結構牢固、強度高、熱伸縮性低的特點。正是具有了上述特點，使得PTFE復合縫紉線的熱蠕變性能降低，摩擦因素增加，從而達到改善其力學性能的目的，即：熱蠕變性能降低，由于添加的增強材料不具有與PTFE長絲相同的熱膨脹性（熱蠕變性），在PTFE復合縫紉線受熱后，紗線仍然可以保持良好的形態和強力，可彌補傳統PTFE 縫紉線因熱蠕變帶來的影響；摩擦因數增加，包覆紗結構增加了PTFE復合紗的表面粗糙度，使其具有較高的摩擦因數；耐磨性增強，絲紗包覆復合結構增強材料對PTFE 絲形成保護層，從而PTFE 復合縫紉線的耐磨性得到增強。綜合分析，PTFE 復合縫紉線能夠較好地彌補傳統PTFE縫紉線熱蠕變性高、摩擦因數低、耐磨性能差等方面的缺陷。

3 結論

（1）PTFE縫紉線因具有良好的耐化學性能，成為耐高溫除塵濾袋的首選縫制用線，但因其存在熱蠕變性較高、摩擦因數較低以及耐磨性能差等不良特性，不利于單獨作為除塵濾袋的縫紉線。

（2）采用增強材料包覆PTFE 絲的方法可制備出PTFE復合縫紉線，可以改善傳統PTFE縫紉線因熱蠕變失強、缺乏抱合力和不耐磨等性能的缺陷。

因此，應該科學地認識和使用材料，不能因為材料在某個方面具有的優良特性，而盲目地、夸張地使用。在無法改變PTFE 材料自身性能的情況下，為了更好地保障PTFE 縫紉線在除塵濾袋使用過程中的安全性，提高除塵濾袋的使用壽命，采用復合紡織技術可改善PTFE 縫紉線的力學性能缺陷，為PTFE材料的良好應用作出貢獻。