聚苯硫醚纤维性能测试与分析

聚苯硫醚纤维性能测试与分析

0拉伸性能测试实际使用中，袋式耳道应满足耐高低温、耐折叠、耐碱、机械强度高、使用寿命长、成本低等要求。由于滤料的性能在很大程度上取决于纤维的特性,纤维本身的机械强度、卷曲数、热收缩率等参数会对滤料的机械强度、可纺性、热收缩性产生影响,因此本文从纤维角度对在燃煤炉窑烟气袋式除尘中应用较多的聚苯硫醚(PolyphenyleneSulfide,缩写PPS)纤维的拉伸力学性能、卷曲性能、热收缩性能以及热稳定性能进行了测试分析。考虑到现在PPS纤维市场上种类较多,国内也出现能够商业化生产的厂家［1］,各厂家由于PPS切片原料的不同会造成纤维特性上的差异,在本测试中选用了市场上常用的五种聚苯硫醚纤维进行测试,以期能寻找纤维之间的差异,为以后在袋式除尘领域中高温滤料的选用提供参考依据。1试验部分1.1滤料生产厂家本试验测试对象为目前滤料市场上常用的不同生产厂家的聚苯硫醚纤维五种,根据滤料生产厂家的随机取样,不代表厂家参数。为便于下文进行描述,分别将其编号为A、B、C、D、E(其中A、B为国外供货纤维,C、D、E为国产纤维),具体纤维规格见表1。1.2测试方法1.2.1韧性和弹性纤维的力学拉伸性能测试包括断裂强度、初始模量、断裂伸长率,用来表征纤维的机械强度、拉伸韧性和弹性。测试使用的仪器为XQ-1纤维强伸度仪,测试时拉伸速度设为10mm/min,纤维的名义隔距长度为20mm,每个样品测试50根纤维,按照GB/T14337—2008《化学纤维短纤维拉伸性能试验方法》［2］测试纤维的断裂强度、断裂伸长、初始模量。1.2.2卷数的测定和织物织物的选择纤维的卷曲性能包括卷曲数和卷曲率,卷曲可以使短纤维纺纱时增加纤维之间的摩擦力和抱合力,卷曲率是表示卷曲程度的指标。测试使用的仪器为XCP-1A纤维卷曲弹性仪,测试时设定预置夹持距离为20mm,试样加轻负荷平衡后读取L0,读取25mm内全部卷曲峰和卷曲谷数,加重负荷平衡后读取L1。轻负荷和重负荷的设定按照GB/T14338—2008《化学纤维短纤维卷曲性能试验方法》［3］计算,每个样品测试20根纤维。卷曲数按式(1)计算:式中Jni———单根纤维的卷曲数,个/25mm;Li———读取卷曲数的长度,mm;JAi———单根纤维在Li内全部卷曲峰和卷曲谷个数。卷曲率按式(2)计算:式中J———纤维卷曲率,%;1.2.3纱线收缩不一同一种纤维,因加工的工艺条件不同,其热收缩率也有差异。生产中若将不同热收缩率差异较大的化学纤维混纺和交织,则在印染加工中造成纱线收缩不一,导致滤料表面产生疵点。因此纤维的热收缩率是一项重要的指标。将纤维试样放置于180℃的恒温烘箱中进行高温处理,30min后取出,将取出的试样置于RH65%、20℃环境中平衡24h后,测量其纤维长度。测试使用的仪器为XH-1纤维热收缩仪,纤维热缩率按式(3)计算:式中γ———热收缩率,%;2结果与分析2.1拉伸断裂测试图1为五种聚苯硫醚纤维的力学性能测试结果,主要表征指标包括断裂强度、断裂伸长率、初始模量和比功。为便于更直观地反映纤维之间的差异,将每种纤维的实际测试数值与该项五种纤维的均值进行对比,采用相对值来制图。从图1可以看出:在断裂强度方面,测试的A纤维最大,高出均值9%,其次是E纤维高出均值4%,在均值之下依次是C、B、D纤维;在断裂伸长率上,国外的A、B纤维伸长率较低,分别为均值的76%和86%,而国产的C、D、E都较大,最大的C纤维伸长率高于均值23%,这表明国产纤维在受力时将产生更大的变形,根据文献对共聚纤维的分析,这与纤维内部的聚集态结构和取向度有关。在初始模量上,B、C、D三种纤维的数值均在25cN/dtex左右,而A、E两种纤维分别为高出均值23%和10%。由于初始模量的定义为拉伸伸长率为1%时应力的100倍,反映的是纤维在小应力条件下的弹性或刚性,因此B、C、D的纤维制品将会较A、E的纤维制品柔软;断裂比功是纤维韧性的量度,断裂比功越大,表明纤维断裂时所需要的能量越大。在所测试的五种纤维中,国产的C纤维最大,其余两种国产PPS纤维承受力学冲击的能力也优于国外的两种纤维。2.2结构纤维卷材的性能纤维的卷曲可以使短纤维之间的摩擦力和抱合力增加,可以提高纤维和纺织品的弹性,增加柔软度［5］。表2列出了五种纤维卷曲性能的测试结果。纤维B卷曲数最大,每25mm卷曲数为14.15个,其次是纤维C和纤维D,再次是纤维A和纤维E,卷曲率的大小趋势与卷曲数是一致的,这也同时验证了与上述初始模量的测试结果的一致性,B、C、D的纤维制品将会较A、E的纤维制品柔软。2.3种聚苯硫醚纤维热收缩性对滤袋热收缩性的影响在进行袋式除尘滤料的选用时,滤料的热收缩性是评价滤料热尺寸稳定性的指标。为实现滤袋与袋笼之间的良好配合,避免滤袋因温度产生的变形影响滤袋的使用寿命,必须重视滤料的热尺寸稳定性,而纤维的热尺寸稳定性直接影响滤袋的热收缩性,因此对五种聚苯硫醚纤维热收缩率进行了对比试验(见图2)。如图2所示,经过180℃处理30min后,纤维D的热收缩率仅为0.39%,纤维C的热收缩率为0.76%,这两种纤维在热收缩率方面明显优于其他三种纤维,B、A、E三种纤维的热收缩率是上述两种纤维的3倍以上,分别为2.80%、3.24%和3.48%,这反映了纤维在高温下的热尺寸稳定性的差异。2.4pps纤维热性能通过热重分析(ThermogravimetricAnalysis,TG或TGA),可以测量纤维的质量变化与温度变化的关系,从而对PPS纤维的热稳定性进行分析,这可以从微观角度阐述材料本身的耐热性,这对于了解PPS滤袋在袋式除尘高温环境下的适用温度范围有重要意义。纤维的起始分解温度、终止温度时的残余质量可用于表示材料的稳定性,起始分解温度越高,其耐热稳定性越好;终止温度时的残余质量越高,裂解产物中的可燃性气体越少,由于残渣的吸热量比较大,使纤维燃烧放出的热量也相应减少,纤维难以裂解,阻止了材料的继续燃烧,因而使得其阻燃性及耐高温性也相应较高［6］。本试验采用的升温起始点温度为30℃,升温速率10℃/min,采用N2氛围,图3和图4分别是五种PPS纤维的热失重(TG)和差热分析(DTA)对比图。由图3可见,PPS纤维在200℃前没有明显的质量损失,五种纤维的质量分数均保持在99.8%以上。随着温度的继续升高,当温度超过起始分解温度之后,五种试样的质量逐步开始出现大量损失,纤维的高分子链段开始断裂,同时伴随着小分子物质的产生及气体的释放,且下降的速率也基本一致,这五种PPS纤维在氮气中的最大分解温度均≥570℃,即使在630℃的高温下仍能保持50%以上的质量,这与多篇文献中的描述是一致的［7-9］。当温度高于600℃之后,纤维的分解还在继续,但分解速率变缓,质量保持率基本平稳。不同厂家的PPS纤维的起始分解温度差异不大,在试验终止时残余质量上的大小差异在10%以内,到试验终止温度800℃时,按各纤维残余质量分数由大到小依次为59.7%、56.4%、55.1%、52.0%、48.1%,对应的纤维品种分别为A、D、C、B、E。可见,PPS纤维材质本身之间差异不大,具有良好的耐热性。差热分析(DifferentialThermalAnalysis,DTA)是动态温度分析技术,可以记录样品随温度变化而产生的热效应。峰顶向上的峰为放热峰,向下的为吸热峰。由图4可见,随着处理温度的升高,PPS纤维在125℃开始出现放热效应,此时纤维发生结晶放热,在200℃左右出现第一个放热峰,并且五种纤维之间存在差异,E纤维放热峰最大,D纤维最小,可见E纤维的放热效应最大。280~290℃是PPS纤维的熔点［10］,在此转折点后纤维由放热反应迅速转变为吸热反应,在500℃时出现较小的吸热峰,此时PPS纤维开始发生分解反应,表现为吸热,随后在700~750℃时出现较大的吸热峰,在此次吸热效应中,E纤维吸热效应最大,A纤维吸热效应最小。此外,试验样品量的大小也会对峰的大小产生影响,在此不作讨论。3纤维性能与热性能对高温滤料市场常用的5种PPS纤维进行了拉伸力学性能、卷曲性能、热收缩性能以及热稳定性能的测试与分析,得到的主要结论如下:1)纤维的断裂强度差异较小,测值上下浮动在10%以内,断裂伸长率存在一定差异,测值区间浮动为23%。2)纤维卷曲数范围在10.3~14.2个/25mm,卷曲率的测值范围为5.5%~10.7%,纤维间差异不大,这反映了纤维的柔软性相当,因此在纤维的成纱性上及纤维制品的柔软度无明显差距。3)180℃的高温下处理30min后,两种纤维的热收缩率小于1.0%,其他三