2018, Vol. 39
2. 苏州耐德新材料科技有限公司, 江苏 苏州 215000;
3. 抚顺恒益科技滤材有限公司, 辽宁 抚顺 113000
2. Suzhou Neide New Material Technology Co., Ltd., Suzhou 215000, China;
3. Fushun Hengyi Technology Filter Material Co., Ltd., Fushun 113000, China
近年来, 我国大气污染日益严峻, 用于高温烟尘捕集的袋式除尘迎来了新的发展机遇[1-2].滤袋作为袋式除尘器的核心部件, 其性能不仅与过滤材料本身有关, 更受到滤袋缝合、制作等工艺的影响[3-6].现有研究多侧重于耐高温纤维的制备及整体滤袋非工况下力学性能、纺织工艺及针孔漏洞等方面, 如Bach等[7]利用VDI模拟研究了滤袋表面针孔、纺织等造成的漏洞对除尘效果的影响; Oliver等[8]利用模拟小型袋式除尘及脉冲清灰过程, 研究了滤袋针孔和缝线处的粉尘泄漏; 杨勇等[9]对涤纶滤料采用不同的缝合工艺, 测试对比了滤袋缝合方法对PM 2.5过滤效率的影响; 唐娜[10]利用在电热鼓风干燥箱内加热后冷却至常温拉伸的方法, 研究了Nomix, PTFE, E-玻璃纤维3种材料缝纫线的力学性能变化.针对结合工业中滤袋缝纫线的实际使用条件进行研究极少, 但在燃煤电厂、垃圾焚烧、水泥行业等高温烟气除尘中已发生不少滤袋缝纫线断裂失效甚至消失的案例.
本文选取目前常用于高温烟气过滤的聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯硫醚(PPS)、芳纶, 以及中低温烟气过滤的聚丙烯腈(PAN)、涤纶(PET)5种材质纤维制得的缝纫线, 进行热态下拉伸实验, 测试其在梯级高温下的拉伸断裂强力及拉伸断裂伸长率等参数, 旨在了解热态下各缝纫线的表现, 进而更好保证高温除尘滤袋在严苛工况下的高性能, 指导行业安全用线.
1 实验部分 1.1 实验原料实验选用市场流行的5种PTFE, PPS, 芳纶, PAN, PET滤袋缝纫线产品, 实验参考GB/T 6502—2008相关要求, 尽量均匀、随机选取试样.5种缝纫线的具体参数如表 1所示.
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表 1 5种缝纫线的特征参数 Table 1 Parameters of 5 sewing threads |
实验采用美国INSTRON 3365强力机完成热态拉伸, 采用德国BINDER热风循环烘箱进行加热对比实验, 采用德国ZEISS公司的Ultra Plus型场发射扫描电镜观察缝线纤维的微观形态.
实验分别测定各缝纫线在热态下和高温烘烤后冷却至常温(烘后常态)的拉伸性能.保证试样在绕线装置安装后中段实验部分均长600 mm; 按不同实验条件分组, 每组10根.热态下拉伸实验在INSTRON 3365自带恒温箱中进行, 选取20~300 ℃间10余个梯级温度, 加热15 min后于恒温箱内直接拉伸; 在相应的对比高温实验中, 先将试样按设定温度在BINDER热烘箱中加热60 min, 取出后放置30 min使其冷却到室温, 再用INSTRON 3365进行冷态下的拉伸试验.实验相关参数参考GB/T 3916—2013及GB/T 14344—2008部分内容, 拉伸速度100 mm/min, INSTRON强力机由计算机控制, 实验数据自动采集.
2 结果及讨论 2.1 两种热处理后缝纫线强力保持率比较在60, 100, 140, 180, 220, 240, 260, 280 ℃下, 分别对5种缝纫线试样进行“热态下”拉伸与“烘后常态”下的拉伸实验, 以20 ℃时的断裂强力为基准, 计算各条件下试样所对应的强力保持率.各试样的20 ℃基准强力见表 1, 拉伸对比结果如图 1所示.
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图 1 5种缝纫线在热态下及烘后常态条件下拉伸结果对比 Fig.1 Comparison on stretching results of 5 kinds of sewing threads in hot state and normal condition after baking (a)—PTFE；(b)—PPS；(c)—芳纶；(d)—PAN；(e)—PET. |
由图 1可知, 相同温度条件下, 两种不同的热处理方式对缝纫线的断裂强力影响差别很大.“烘后常态”试验组各试样整体的强力均变化不大, 强力保持率更是远大于“热态下”试验组.这是由于高温热态下缝纫线的整个拉伸过程相当于同时在较高温度的热空气中进行了干热处理, 使得缝线纤维分子结构发生较大变化, 进而影响其力学性能.而“烘后常态”试验组, 虽经过高温烘烤过程, 但还经过了冷却至室温的调节阶段, 故相比较而言与原基准状态的性能差距不大.
而现有的关于高温对缝纫线的影响研究中, 大多采用的是烘箱加热再冷却至室温后的试验方法, 由上可知此法并不能真实模拟和测量出滤袋缝纫线在高温工况下的实际力学性能变化, 故下文中仅采用热态下直接拉伸的测试方法, 在20~300 ℃间的梯级温度下, 对5种缝纫线试样进行拉伸试验.
2.2 5种缝纫线在热态下拉伸的力学性能INSTRON强力机所连电脑直接记录缝线试样断裂强力, 取每组试验温度下试样的断裂强力均值为其在该温度下的拉伸断裂强力.以σh=(lh-l0)/l0×100%计算试样在相应温度下的拉伸断裂伸长率, 其中lh为试样拉伸后长度, l0为试样原长.
2.2.1 PTFE缝纫线在热态下拉伸的力学性能由图 2可知, 随着温度的升高, PTFE缝纫线的拉伸断裂强力大幅下降, 100 ℃左右后下降趋势略平稳; 150~250 ℃间虽能保持一定强力, 但已远不能满足相关要求; 250 ℃后强力极低, 仅约2N;断裂伸长率呈先升后降的趋势, 100 ℃左右达到峰值, 此时蠕变性最大, 继续加温则锐减后逐渐趋于平稳.
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图 2 PTFE缝纫线温度-断裂强力/伸长率曲线 Fig.2 Temperature-breaking strength/elongation curve of PTFE sewing thread |
由图 3缝线原始样品和高温处理后样品的表面扫描电镜图像发现, 高温处理后的PTFE缝线表面纤维原始的整齐规律纹路排列明显变乱, 表面有熔融的痕迹.
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图 3 PTFE缝线表面的电镜扫描图像 Fig.3 SEM images of PTFE sewing thread surface (a)—原样；(b)—240 ℃. |
分析表明PTFE作为柔性高聚物, 玻璃化温度在120 ℃左右, 受热后发生解取向, 蠕变现象显著, 使得缝线的整体力学性能在120 ℃附近发生了剧变.实验中同时还发现, 温度对PTFE强力的影响具有瞬时性, 如图 4所示, 2根PTFE缝线试样在160 ℃下拉伸过程中如打开箱门撤掉热源, 缝线强力会立即增大, 反之亦然, 这也说明了PTFE良好的导热性.在实际使用中, 注意温度对PTFE缝线强力的影响及其在高温下的强度保持, 避免发生失效.
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图 4 拉伸过程中撤掉/增加热源的强力曲线 Fig.4 Strength curves of PTFE when removing/adding the heat during stretching |
由图 5可知, PPS缝纫线的整体强力随温度升高有一定下降, 100~260 ℃间相对有较大降幅, 但图 1表明220 ℃下其仍能有45%的强力保持率; 在实验温度下, 其拉伸断裂伸长率基本保持不变, 仅有轻微波动.在图 6所示的电镜扫描图像中, 高温处理后的PPS纤维弯曲, 表面粗糙, 并有明显凸起和凹陷.PPS缝纫线在热态下纤维表面形态虽有较大变化, 但因其大分子的化学结构有较高的稳定性及物质本身的耐高温性能, 使PPS在240 ℃下能保持较好的力学性能, 可以广泛应用到高温过滤领域.
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图 5 PPS缝纫线温度-断裂强力/伸长率曲线 Fig.5 Temperature-breaking strength/elongation curve of PPS sewing thread |
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图 6 PPS缝线表面的电镜扫描图像 Fig.6 SEM images of PPS sewing thread surface (a)—原样；(b)—260 ℃. |
由图 7可知, 在20 ℃加温至300 ℃的过程中, 芳纶缝纫线相比其他4种缝线表现出了良好的强力保持度; 断裂伸长率也基本保持稳定, 其力学性能在260 ℃后才出现较明显下降.在拉伸实验过程中还发现, 芳纶缝纫线拉伸至断裂所需时间明显长于其他缝线, 这证实了芳纶具有良好的柔韧性, 在较长时间内可保持很大的极限抗拉强度.图 8为芳纶缝线热态拉伸前后的电镜扫描图像, 微观形貌变化不大; 宏观上芳纶缝线颜色由温度的升高而变黄加深.
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图 7 芳纶缝纫线温度-断裂强力/伸长率曲线 Fig.7 Temperature-breaking strength/elongation curve of aramid sewing thread |
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图 8 芳纶缝线表面的电镜扫描图像 Fig.8 SEM images of aramid sewing thread surface (a)—原样；(b)—280 ℃. |
虽然芳纶缝纫线在热态实验中展现了良好的稳定性, 但该试样在常温下测得的拉伸断裂强力仅18 N左右, 强力较低, 不适用于强度大的使用条件, 需改进后应用; 且芳纶受紫外线影响较大, 长期裸露在阳光下会损失很大强力.在实际使用中, 不仅要选择缝线的强力适用范围, 还应注意缝线的储存.
2.2.4 PAN缝纫线在热态下拉伸的力学性能由图 9可知, 在20~120 ℃内, PAN缝线的力学性能变化不大, 强力保持率在70%左右; 120 ℃之后, 拉伸断裂强力大幅下降, 基本丧失强力, 断裂伸长率也随之减小.图 10电镜照片显示, PAN缝线受热时表面熔化, 光亮度和不规则性增加; 宏观上, PAN缝线在加温过程中颜色由白变黄直至黑色.
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图 9 PAN缝纫线温度-断裂强力/伸长率曲线 Fig.9 Temperature-breaking strength/elongation curve of PAN sewing thread |
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图 10 PAN缝线表面的电镜扫描图像 Fig.10 SEM images of PAN sewing thread surface (a)—原样；(b)—140 ℃. |
PAN由于耐老化性、绝缘性以及耐溶剂性等优良性质, 现多在静电纺丝中用以制备过滤材料.热态拉伸实验结果表明PAN缝纫线在100 ℃以下的环境中使用能保持较高的强力和性能.图 1显示PAN缝纫线在240 ℃的烘箱中仍有较大强度, 这与热态下拉伸的测试结果有极大出入, PAN缝纫线在两种实验条件下的显著差异更加证实了通过在热态下进行拉伸实验以研究温度对缝纫线力学性能影响的必要性.
2.2.5 PET缝纫线在热态下拉伸的力学性能由图 11可知, 涤纶缝纫线热态下的断裂强力随升温平缓下降, 220 ℃时能保持约50%的强力, 240 ℃之后, 缝线变脆变硬, 失去强力; 在20~240 ℃的实验温度内, 涤纶缝纫线的断裂伸长率基本保持在40%.图 12中的电镜扫描图像显示高温下的涤纶纤维表面增加了一些凸起, 整体没有明显破坏; 宏观上涤纶缝线随升温而变黄变脆并发生收缩.
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图 11 PET缝纫线温度-断裂强力/伸长率曲线 Fig.11 Temperature-breaking strength/elongation curve of PET sewing thread |
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图 12 PET缝线表面的电镜扫描图像 Fig.12 SEM images of PET sewing thread surface (a)—原样；(b)—250 ℃. |
超过220 ℃后, 涤纶强力明显下降, 说明在高温下, 涤纶分子剧烈活动, 而氧气的存在促使分子键裂解加剧造成断裂, 致使整个缝线强力有所下降.虽然涤纶滤料并不常用于高温烟气过滤中, 但实验表明其力学性能受温度的影响较小, 考虑到涤纶还具有良好的耐蠕变性及抗疲劳性, 故可作为中低温烟气过滤中滤袋缝线材料的选择.
3 结论1) 温度越高, PTFE缝纫线的拉伸断裂强力越低, 断裂伸长率先增后降, 使用中应避免PTFE的蠕变温度所带来的影响.
2) PPS缝纫线在240 ℃时有近50%的强力保持率, 有较好的热稳定性, 故可广泛应用于高温烟气过滤领域.但同时由于其抗氧化性差, 要注意具体使用环境.
3) 芳纶缝纫线相比其他4种缝纫线表现出了良好的强力保持度和柔韧性, 且耐温性好.但实验样品整体拉伸断裂强力较小, 实际生产中可考虑与其他材料混纺制线以提高性能.
4) PAN缝纫线在120 ℃下有较高的强力及强力保持率, 但超过120 ℃后强力骤降.建议在中低温的袋式除尘中使用.
5) PET缝纫线在实验温度内强力整体下降不大, 断裂伸长率保持稳定, 有良好的抗疲劳性及耐蠕变性, 可在低温及常温下长期使用.
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