2. 西安工程大学 纺织与材料学院, 陕西 西安 710048;
3. 浙江理工大学 材料与纺织学院, 浙江 杭州 310018
2. School of Textile and Materials, Xi'an Polytechnic University, Xi'an 710048, China;
3. School of Materials and Textiles, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China
包括垃圾焚烧、燃煤发电等在内的工业领域高温烟尘处理技术中, 袋式除尘器以其高效的除尘效率逐步占领市场, 袋式除尘器的核心是纤维材料, 主要包括玻璃纤维、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚四氟乙烯(PTFE)等耐高温纤维材料, 其中PTFE纤维具有优异的耐高温、耐腐蚀性, 在诸多高温过滤场合不可或缺.由于PTFE具有不溶、不熔性, 采用通常的溶液和熔融法不能成纤, 因此出现了乳液纺丝、糊料挤压和膜裂3种方法[1].在这3种方法中, 膜裂法是先将PTFE加工成片材, 然后通过开纤或分切的方法制备短纤和长丝, 生产过程无污染, 生产效率高, 优势明显.目前国内外的耐高温除尘袋基本上均采用膜裂长丝和短纤.
由于PTFE独特的分子结构及其优异的电绝缘性能, 使其在摩擦过程中极易产生并积累大量的静电荷, 造成吸尘、电击等不良现象, 甚至会因静电产生火花而导致爆炸等恶性事故[2].因此, PTFE纤维梳理时易出现结块、缠辊等现象, 直接影响到针刺毡品质[3-5].为此, 人们在纤维抗静电上做了大量研究:文献[3, 6-9]采用抗静电剂喷洒在PTFE纤维表面, 然后再开松和梳理, 或将梳理机改装以及将梳理机和铺网机接地放电等方式来减少静电; 文献[4, 10]则将调整环境湿度与设备接地两种方式相结合, 或者在梳理过程中添加滑石粉方式来提高纤维的抗静电性能.
PTFE纤维在膜裂过程中也会产生大量静电, 直接影响到纤维品质.有关这方面的研究则鲜有报道.本文通过对比研究膜裂过程中抗静电剂添加法和喷洒法两种方法对PTFE片材静电性能的影响, 确定抗静电方法和开纤加工工艺, 有效改善开纤过程中的纤维结团和缠辊现象.
1 实验 1.1 材料与测试仪器(1) PTFE树脂 Teflon 601A(Dupont公司), 平均粒径570 μm(ASTM D4895测试), 标准质量浓度为2.15 g/cm3(ASTM D618测试).
(2) 抗静电剂 ① FC4400(3M中国有限公司), 化学名称:三-正丁甲基铵二(三氟甲基磺酰)亚胺, 分子式为CH3(C4H9)3N2(SO2CF3)2, 外观无色液体或白色晶体, 熔点27 ℃, 分解温度340 ℃.② 阳离子型抗静电剂SN, 化学名称:十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐, 季铵盐的质量分数55%~65%, 180 ℃开始分解.
1.2 性能测试及仪器(1) PTFE片材表面电阻率 采用ZST-121电阻率测定仪(北京中航时代仪器设备有限公司)进行测试, 测试方法参照GB/T1410-2006;
(2) PTFE片材断裂强度 采用YG026D多功能电子强力机(温州方圆仪器有限公司)进行测试;
(3) PTFE片材表观密度 采用电子天平(FA1004N, 上海菁海仪器有限公司)称取样品质量m(g), 采用厚度仪(MODEL H, 日本孔雀Peacock公司)测量样品厚度, 并计算其体积V(cm3), 最后按公式(1) 计算得到片材的表观密度ρ(g/cm3).
| $ \rho = m/V. $ | (1) |
(4) PTFE片材的表面张力 采用OTF-1200X表面张力仪(合肥科晶材料技术有限公司)进行测试; 接触角采用JY-82B视频接触角测定仪(承德鼎盛试验机检测设备有限公司)进行测试.
所有样品测试容量为10, 测试结果取平均值.
1.3 PTFE片材抗静电整理工艺PTFE短纤加工流程:采用机械搅拌器将PTFE树脂、润滑油按质量比10:3混和, 并在60 ℃下熟化24 h制备PTFE糊料; 采用压坯机将糊料预成型, 得到圆柱状坯料; 坯料经挤出、压延后成为基带, 基带在一定的温度下经过纵向拉伸, 再在380~400 ℃温度下高温烧结成PTFE片材, 然后采用刺辊开纤, 最后经过卷曲、定型、切断加工而成.
采用下列两种方式添加抗静电剂.
(1) 添加法 将不同比例的FC4400与PTFE树脂、润滑油均匀混合, 后续加工与“PTFE短纤加工流程”相同.
(2) 喷洒法 将抗静电剂SN、异丙醇/水按照不同比例混和, 喷洒在高温烧结后的PTFE片材上, 密闭24 h后, 再采用刺辊开纤.
2 结果与讨论 2.1 抗静电剂添加法对PTFE片材静电性能的影响FC4400热分解温度为340 ℃, 因此可添加于聚碳酸酯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯的溶液或熔体中, 在高温环境下具有优异的热稳定性.当添加于PTFE中时, 虽然PTFE基带需要在380~400 ℃温度下高温烧结, 但烧结时间短, 可有效避免因高温加工而产生的抗静电剂分解现象.
FC4400用量对PTFE片材表面电阻和断裂强度的影响见表 1.由表 1可见, PTFE片材的表面电阻随抗静电剂用量的增加而降低, 超过10%时, 表现出良好的抗静电性能.
| 抗静电剂添加量(对PTFE树脂重)/% | 0 | 3 | 10 | 20 | 25 |
| 表面电阻率/Ω | 6×1017 | 2×1015 | 7×1012 | 5×1011 | 3×1011 |
| 断裂强度(纵向)/MPa | 48.3 | 32.8 | 23.4 | 8.3 | 6.1 |
由表 1还可以看出, 随FC4400用量的增加, PTFE片材的纵向强度持续降低, 进而会影响到纤维强度.这可从添加的抗静电剂对PTFE片材表观密度得到解释.表 2为抗静电剂对PTFE片材表观密度的影响, 可以看出, 随抗静电剂用量的增加, PTFE片材表观密度降低.PTFE树脂在润滑油和力的作用下(压坯、压延等过程), 树脂粒子间相互勾缠融合, 显然抗静电剂的加入降低了融合程度, 另一方面也起到了类似增塑剂的作用, 因而导致PTFE片材表观密度降低和断裂强度的下降.因此, FC4400的加入, 虽然提高了PTFE的抗静电性能, 但也导致纤维强度的降低.
| 抗静电剂添加量(对PTFE树脂重)/% | 0 | 3 | 10 | 20 | 25 |
| 表观密度/(g·cm-3) | 1.572 | 1.361 | 1.023 | 0.950 | 0.924 |
当抗静电剂SN定量为1%, 加入不同比例的异丙醇和水混和溶液, 喷洒在高温烧结后的PTFE片材上, PTFE片材表面电阻和断裂强度变化见表 3.从表 3可以看出, 不同异丙醇含量的抗静电剂混和液在PTFE片材表面呈现出不同的润湿性:当异丙醇含量低于19.8%时, 混和液不润湿PTFE片材, 呈现球状; 当异丙醇含量达到29.7%时, PTFE片材部分润湿; 混和液中异丙醇含量超过39.6%时, 可完全润湿片材.原因是PTFE为疏水性材料, 水含量较高时, 混和液表面张力较大, 在片材表面不润湿, 但异丙醇含量的提高会降低混和液的表面张力, 进而润湿PTFE片材表面.
| 异丙醇:水:SN(质量比) | 9.9:89.1:1 | 19.8:79.2:1 | 29.7:69.3:1 | 39.6:59.4:1 | 49.5:49.5:1 | 59.4:39.6:1 |
| 润湿性 | 成球 | 成球 | 局部润湿 | 充分润湿 | 充分润湿 | 充分润湿 |
| 表面张力/mN·m-1 | 35.3 | 31.2 | 28.1 | 26.9 | 26.5 | 26.3 |
| 接触角/(°) | 50.3 | 39.86 | 33.0 | 30.8 | 29.6 | 28.1 |
| 表面电阻率/Ω | 6×1017 | 5×1017 | 8×1015 | 6×1011 | 4×1011 | 4×1011 |
| 纵向断裂强度/MPa | 48.5 | 48.2 | 49.0 | 48.5 | 48.7 | 48.3 |
由表 3还可以看出, 在抗静电剂定量为1%时, 当异丙醇含量超过39.6%时, PTFE片材表面电阻率显著降低, 表现出优异的抗静电性能.原因是PTFE是高疏水性材料, 水在片材表面润湿性较差, 随异丙醇含量的增加, 抗静电剂混合液在抗静电表面活性剂SN、异丙醇和水的互相作用下体系的表面活性发生了变化, 混合液的表面张力由异丙醇含量9.9%时的35.3 mN/m降低到59.4%时的26.3 mN/m, 接触角也相应地由50.3°降低到28.1°, 混合液的润湿性得到显著提高.当异丙醇含量为39.6%时, 混合液的表面张力为26.9 mN/m, 接触角为30.8°, 具有较好的表面活性, 此时混合液能够实现对PTFE片材的充分润湿, 在片材表面形成均匀连续的薄膜层, 抗静电剂SN分子的亲油基团朝内, 亲水基团朝外均匀吸附在PTFE片材表面.PTFE材料摩擦带负电荷, 而阳离子型抗静电剂SN在其片材表面的铺展可以中和表面的负电荷积累, 同时均匀吸附在片材表面.抗静电剂分子其朝外的亲水基团可以吸收空气中的水分子, 而水又是高介电常数液体, 可在片材表面形成导电层, 从而进一步增强了PTFE的导电性能.
此外, 由表 3中PTFE片材的断裂强度测试结果表明, 表面喷洒抗静电剂对PTFE片材的断裂强度影响较小.
2.3 实际应用试验通过共混添加和喷洒抗静电剂的方式均能提高PTFE的抗静电性能, 共混添加法需要加入大量抗静电剂, 且会导致断裂强度的降低.因此, 综合分析表明采用表面喷洒抗静电剂法在工艺的实施上具有明显的优势.因此采用表面喷洒方法进行工业试验.
(1) 工艺流程 按照异丙醇:水:SN为39.6:59.4:1(质量比)的比例配置抗静电剂混和液.将经过纵向拉伸后的基带, 在380~400 ℃温度下高温烧结成PTFE片材.通过喷雾方式将抗静电剂混和液双面喷洒在PTFE片材的表面.然后收卷, 密封24 h.取出后烘干, 并在一定纵向张力下经过刺辊开纤.
(2) 生产设备的改进 传统工艺是经过高温烧结的片材直接刺辊开纤.根据喷洒抗静电剂的工艺要求, 需在高温烧结后安装喷雾和收卷装置.同时, 在刺辊前安装放卷装置和张力架, 以确保顺利开纤.
(3) 效果分析 PTFE片材经过密封24 h后烘干, 经测试表面电阻率为2×1011Ω.从开纤效果来看, 纤维结团、缠辊等现象明显降低.通过调整刺辊针的形状、密度、排列方式等, 可加工细度为1 dtex左右的短纤.
3 结论(1) 通过共混添加FC4400抗静电剂, 可达到PTFE材料抗静电的效果; 随抗静电剂添加量的增加, 抗静电性能提高, 但PTFE片材的断裂强度降低, 进而导致纤维强力下降.
(2) 通过表面喷洒抗静电剂SN, 可达到PTFE片材抗静电的效果; 当抗静电混和液中抗静电剂SN质量分数为1%、异丙醇质量分数超过39.6%时, 可实现对PTFE片材表面的充分润湿, 且表现出优异的抗静电性能; 表面喷洒抗静电剂对PTFE片材的断裂强度影响较小.
(3) 实际应用试验表明, 通过片材表面喷洒抗静电剂SN, 并改进原有工艺设备和工艺, 纤维结团、缠辊等现象明显降低.
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