聚苯硫醚纖維性能測(cè)試與分析

聚苯硫醚纖維性能測(cè)試與分析

0拉伸性能測(cè)試實(shí)際使用中，袋式耳道應(yīng)滿足耐高低溫、耐折疊、耐堿、機(jī)械強(qiáng)度高、使用壽命長、成本低等要求。由于濾料的性能在很大程度上取決于纖維的特性,纖維本身的機(jī)械強(qiáng)度、卷曲數(shù)、熱收縮率等參數(shù)會(huì)對(duì)濾料的機(jī)械強(qiáng)度、可紡性、熱收縮性產(chǎn)生影響,因此本文從纖維角度對(duì)在燃煤爐窯煙氣袋式除塵中應(yīng)用較多的聚苯硫醚(PolyphenyleneSulfide,縮寫PPS)纖維的拉伸力學(xué)性能、卷曲性能、熱收縮性能以及熱穩(wěn)定性能進(jìn)行了測(cè)試分析?？紤]到現(xiàn)在PPS纖維市場(chǎng)上種類較多,國內(nèi)也出現(xiàn)能夠商業(yè)化生產(chǎn)的廠家［1］,各廠家由于PPS切片原料的不同會(huì)造成纖維特性上的差異,在本測(cè)試中選用了市場(chǎng)上常用的五種聚苯硫醚纖維進(jìn)行測(cè)試,以期能尋找纖維之間的差異,為以后在袋式除塵領(lǐng)域中高溫濾料的選用提供參考依據(jù)。1試驗(yàn)部分1.1濾料生產(chǎn)廠家本試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象為目前濾料市場(chǎng)上常用的不同生產(chǎn)廠家的聚苯硫醚纖維五種,根據(jù)濾料生產(chǎn)廠家的隨機(jī)取樣,不代表廠家參數(shù)。為便于下文進(jìn)行描述,分別將其編號(hào)為A、B、C、D、E(其中A、B為國外供貨纖維,C、D、E為國產(chǎn)纖維),具體纖維規(guī)格見表1。1.2測(cè)試方法1.2.1韌性和彈性纖維的力學(xué)拉伸性能測(cè)試包括斷裂強(qiáng)度、初始模量、斷裂伸長率,用來表征纖維的機(jī)械強(qiáng)度、拉伸韌性和彈性。測(cè)試使用的儀器為XQ-1纖維強(qiáng)伸度儀,測(cè)試時(shí)拉伸速度設(shè)為10mm/min,纖維的名義隔距長度為20mm,每個(gè)樣品測(cè)試50根纖維,按照GB/T14337—2008《化學(xué)纖維短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》［2］測(cè)試?yán)w維的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長、初始模量。1.2.2卷數(shù)的測(cè)定和織物織物的選擇纖維的卷曲性能包括卷曲數(shù)和卷曲率,卷曲可以使短纖維紡紗時(shí)增加纖維之間的摩擦力和抱合力,卷曲率是表示卷曲程度的指標(biāo)。測(cè)試使用的儀器為XCP-1A纖維卷曲彈性儀,測(cè)試時(shí)設(shè)定預(yù)置夾持距離為20mm,試樣加輕負(fù)荷平衡后讀取L0,讀取25mm內(nèi)全部卷曲峰和卷曲谷數(shù),加重負(fù)荷平衡后讀取L1。輕負(fù)荷和重負(fù)荷的設(shè)定按照GB/T14338—2008《化學(xué)纖維短纖維卷曲性能試驗(yàn)方法》［3］計(jì)算,每個(gè)樣品測(cè)試20根纖維。卷曲數(shù)按式(1)計(jì)算:式中Jni———單根纖維的卷曲數(shù),個(gè)/25mm;Li———讀取卷曲數(shù)的長度,mm;JAi———單根纖維在Li內(nèi)全部卷曲峰和卷曲谷個(gè)數(shù)。卷曲率按式(2)計(jì)算:式中J———纖維卷曲率,%;1.2.3紗線收縮不一同一種纖維,因加工的工藝條件不同,其熱收縮率也有差異。生產(chǎn)中若將不同熱收縮率差異較大的化學(xué)纖維混紡和交織,則在印染加工中造成紗線收縮不一,導(dǎo)致濾料表面產(chǎn)生疵點(diǎn)。因此纖維的熱收縮率是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。將纖維試樣放置于180℃的恒溫烘箱中進(jìn)行高溫處理,30min后取出,將取出的試樣置于RH65%、20℃環(huán)境中平衡24h后,測(cè)量其纖維長度。測(cè)試使用的儀器為XH-1纖維熱收縮儀,纖維熱縮率按式(3)計(jì)算:式中γ———熱收縮率,%;2結(jié)果與分析2.1拉伸斷裂測(cè)試圖1為五種聚苯硫醚纖維的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果,主要表征指標(biāo)包括斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率、初始模量和比功。為便于更直觀地反映纖維之間的差異,將每種纖維的實(shí)際測(cè)試數(shù)值與該項(xiàng)五種纖維的均值進(jìn)行對(duì)比,采用相對(duì)值來制圖。從圖1可以看出:在斷裂強(qiáng)度方面,測(cè)試的A纖維最大,高出均值9%,其次是E纖維高出均值4%,在均值之下依次是C、B、D纖維;在斷裂伸長率上,國外的A、B纖維伸長率較低,分別為均值的76%和86%,而國產(chǎn)的C、D、E都較大,最大的C纖維伸長率高于均值23%,這表明國產(chǎn)纖維在受力時(shí)將產(chǎn)生更大的變形,根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)共聚纖維的分析,這與纖維內(nèi)部的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和取向度有關(guān)。在初始模量上,B、C、D三種纖維的數(shù)值均在25cN/dtex左右,而A、E兩種纖維分別為高出均值23%和10%。由于初始模量的定義為拉伸伸長率為1%時(shí)應(yīng)力的100倍,反映的是纖維在小應(yīng)力條件下的彈性或剛性,因此B、C、D的纖維制品將會(huì)較A、E的纖維制品柔軟;斷裂比功是纖維韌性的量度,斷裂比功越大,表明纖維斷裂時(shí)所需要的能量越大。在所測(cè)試的五種纖維中,國產(chǎn)的C纖維最大,其余兩種國產(chǎn)PPS纖維承受力學(xué)沖擊的能力也優(yōu)于國外的兩種纖維。2.2結(jié)構(gòu)纖維卷材的性能纖維的卷曲可以使短纖維之間的摩擦力和抱合力增加,可以提高纖維和紡織品的彈性,增加柔軟度［5］。表2列出了五種纖維卷曲性能的測(cè)試結(jié)果。纖維B卷曲數(shù)最大,每25mm卷曲數(shù)為14.15個(gè),其次是纖維C和纖維D,再次是纖維A和纖維E,卷曲率的大小趨勢(shì)與卷曲數(shù)是一致的,這也同時(shí)驗(yàn)證了與上述初始模量的測(cè)試結(jié)果的一致性,B、C、D的纖維制品將會(huì)較A、E的纖維制品柔軟。2.3種聚苯硫醚纖維熱收縮性對(duì)濾袋熱收縮性的影響在進(jìn)行袋式除塵濾料的選用時(shí),濾料的熱收縮性是評(píng)價(jià)濾料熱尺寸穩(wěn)定性的指標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)濾袋與袋籠之間的良好配合,避免濾袋因溫度產(chǎn)生的變形影響濾袋的使用壽命,必須重視濾料的熱尺寸穩(wěn)定性,而纖維的熱尺寸穩(wěn)定性直接影響濾袋的熱收縮性,因此對(duì)五種聚苯硫醚纖維熱收縮率進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)(見圖2)。如圖2所示,經(jīng)過180℃處理30min后,纖維D的熱收縮率僅為0.39%,纖維C的熱收縮率為0.76%,這兩種纖維在熱收縮率方面明顯優(yōu)于其他三種纖維,B、A、E三種纖維的熱收縮率是上述兩種纖維的3倍以上,分別為2.80%、3.24%和3.48%,這反映了纖維在高溫下的熱尺寸穩(wěn)定性的差異。2.4pps纖維熱性能通過熱重分析(ThermogravimetricAnalysis,TG或TGA),可以測(cè)量纖維的質(zhì)量變化與溫度變化的關(guān)系,從而對(duì)PPS纖維的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析,這可以從微觀角度闡述材料本身的耐熱性,這對(duì)于了解PPS濾袋在袋式除塵高溫環(huán)境下的適用溫度范圍有重要意義。纖維的起始分解溫度、終止溫度時(shí)的殘余質(zhì)量可用于表示材料的穩(wěn)定性,起始分解溫度越高,其耐熱穩(wěn)定性越好;終止溫度時(shí)的殘余質(zhì)量越高,裂解產(chǎn)物中的可燃性氣體越少,由于殘?jiān)奈鼰崃勘容^大,使纖維燃燒放出的熱量也相應(yīng)減少,纖維難以裂解,阻止了材料的繼續(xù)燃燒,因而使得其阻燃性及耐高溫性也相應(yīng)較高［6］。本試驗(yàn)采用的升溫起始點(diǎn)溫度為30℃,升溫速率10℃/min,采用N2氛圍,圖3和圖4分別是五種PPS纖維的熱失重(TG)和差熱分析(DTA)對(duì)比圖。由圖3可見,PPS纖維在200℃前沒有明顯的質(zhì)量損失,五種纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均保持在99.8%以上。隨著溫度的繼續(xù)升高,當(dāng)溫度超過起始分解溫度之后,五種試樣的質(zhì)量逐步開始出現(xiàn)大量損失,纖維的高分子鏈段開始斷裂,同時(shí)伴隨著小分子物質(zhì)的產(chǎn)生及氣體的釋放,且下降的速率也基本一致,這五種PPS纖維在氮?dú)庵械淖畲蠓纸鉁囟染?70℃,即使在630℃的高溫下仍能保持50%以上的質(zhì)量,這與多篇文獻(xiàn)中的描述是一致的［7-9］。當(dāng)溫度高于600℃之后,纖維的分解還在繼續(xù),但分解速率變緩,質(zhì)量保持率基本平穩(wěn)。不同廠家的PPS纖維的起始分解溫度差異不大,在試驗(yàn)終止時(shí)殘余質(zhì)量上的大小差異在10%以內(nèi),到試驗(yàn)終止溫度800℃時(shí),按各纖維殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小依次為59.7%、56.4%、55.1%、52.0%、48.1%,對(duì)應(yīng)的纖維品種分別為A、D、C、B、E?？梢?PPS纖維材質(zhì)本身之間差異不大,具有良好的耐熱性。差熱分析(DifferentialThermalAnalysis,DTA)是動(dòng)態(tài)溫度分析技術(shù),可以記錄樣品隨溫度變化而產(chǎn)生的熱效應(yīng)。峰頂向上的峰為放熱峰,向下的為吸熱峰。由圖4可見,隨著處理溫度的升高,PPS纖維在125℃開始出現(xiàn)放熱效應(yīng),此時(shí)纖維發(fā)生結(jié)晶放熱,在200℃左右出現(xiàn)第一個(gè)放熱峰,并且五種纖維之間存在差異,E纖維放熱峰最大,D纖維最小,可見E纖維的放熱效應(yīng)最大。280~290℃是PPS纖維的熔點(diǎn)［10］,在此轉(zhuǎn)折點(diǎn)后纖維由放熱反應(yīng)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼰岱磻?yīng),在500℃時(shí)出現(xiàn)較小的吸熱峰,此時(shí)PPS纖維開始發(fā)生分解反應(yīng),表現(xiàn)為吸熱,隨后在700~750℃時(shí)出現(xiàn)較大的吸熱峰,在此次吸熱效應(yīng)中,E纖維吸熱效應(yīng)最大,A纖維吸熱效應(yīng)最小。此外,試驗(yàn)樣品量的大小也會(huì)對(duì)峰的大小產(chǎn)生影響,在此不作討論。3纖維性能與熱性能對(duì)高溫濾料市場(chǎng)常用的5種PPS纖維進(jìn)行了拉伸力學(xué)性能、卷曲性能、熱收縮性能以及熱穩(wěn)定性能的測(cè)試與分析,得到的主要結(jié)論如下:1)纖維的斷裂強(qiáng)度差異較小,測(cè)值上下浮動(dòng)在10%以內(nèi),斷裂伸長率存在一定差異,測(cè)值區(qū)間浮動(dòng)為23%。2)纖維卷曲數(shù)范圍在10.3~14.2個(gè)/25mm,卷曲率的測(cè)值范圍為5.5%~10.7%,纖維間差異不大,這反映了纖維的柔軟性相當(dāng),因此在纖維的成紗性上及纖維制品的柔軟度無明顯差距。3)180℃的高溫下處理30min后,兩種纖維的熱收縮率小于1.0%,其他三