PPS纖維作為袋式濾塵器材料的應用前景及后續研究
摘要：在分析現有耐高溫纖維性能的基礎上，指出聚苯硫醚（PPS）纖維作為袋式除塵器濾袋材料使用的合理性，并具有廣泛的應用前景。指出我國PPS樹脂及纖維在結構與性能、加工工藝、纖維及濾袋用非織造布的設計制造方面，尚存在科學和工程技術方面的諸多問題，亟待研究解決。建議設立863計劃專項課題進行攻關，以便充分發揮PPS纖維在環保方面的積極作用。
關鍵詞：聚苯硫醚，PPS，袋式除塵器，濾袋材料
聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide，簡稱PPS）是20世紀后期開發的具有良好耐熱性、優越的抗化學腐蝕性和阻燃性、優異的電性能及良好的尺寸穩定性的熱塑性樹脂。由線性PPS樹脂經熔紡獲得的PPS纖維，繼承了PPS樹脂良好的熱穩定性、耐化學腐蝕性、阻燃性及良好的加工性能，由此制成的紗線織物可長期暴露在高溫和酸/堿性環境之中。制成具有良好濾塵性能的非織造布，特別適合于作為袋式濾塵器的濾袋材料使用，在濕態酸性環境、接觸溫度達190℃的條件下，使用壽命可達3年以上，因此，是在燃煤發電、鋼鐵、水泥等行業采用袋式除塵替代電除塵、大幅度減低煙塵排放的關鍵性材料。
截止2008年底，我國發電裝機容量達79253萬千瓦，其中火電60132萬千瓦，全國發電生產耗用原煤13.4億噸[1]。由此初步估算，煙塵排放量將達到330萬噸以上。大量PM10粉塵影響了大氣質量和能見度，特別是PM2.5粉塵以氣溶膠形式存在于大氣中，成為可吸入肺部顆粒物，危害人的呼吸系統和心臟等循環器官，導致疾病。改進除塵方式是燃煤電廠、鋼鐵、水泥等多種類似行業降低煙塵排放量的必要手段。目前，袋式除塵器的減排濃度已可達到15～30mg/m ³，已成為降低煙塵排放的有效途徑。目前較多企業仍然采用電除塵方式，其煙塵排放量的必要手段。但是，袋式除塵器需要有耐高溫、耐腐蝕的纖維材料作為濾袋材料，我國現有耐高溫纖維尚處在產業化初期，品種少、性能尚不穩定，還存在科學層面、工程技術層面的諸多問題。本文在對比有可能應用于濾袋的耐高溫纖維性能的基礎上，著重分析了聚苯硫醚（PPS）纖維的國內外現狀，指出為了提供高效、性能穩定、長壽命的濾袋材料，應從PPS樹脂及纖維的結構和性能、加工工藝、纖維及制品設計等方面進行深入系統的研究，使PPS纖維成為理想的袋式除塵器材料，并在環境保護事業中發揮更大的作用。
1 PPS纖維作為袋式除塵濾袋材料的優勢
袋式除塵器所需的濾袋用纖維材料，應具有良好的耐熱性能、耐腐蝕性和力學性能，并具有紡織纖維所需的良好的可撓曲性、適中的摩擦系數和變形能力，以便于紡織加工、非織造布加工和由成品織物加工成濾袋。作為過濾材料，其纖維截面應該有較大的比表面積，在纖維之間應該有良好的嚙合效應，使其縫隙尺寸達到較小的尺度；無論是纖維還是非織造布，其聚集態結構、織物結構、宏觀物理化學性能，均應達到較高的均一性，防止出現因局部損壞或存在瑕疵而導致塵埃泄露的薄弱環節。此外還應有較低的生產成本，以便于實現袋式除塵替代電除塵的設備改造和實際運行。
目前，有可能符合上述性能要求、并有工業化生產能力的纖維品種有芳綸1313（PMIA）纖維、聚四氟乙烯（PTFE）纖維、聚酰亞胺（PI）纖維、聚苯并咪唑（PBI）纖維、聚對苯撐苯并二惡唑（PBO）纖維和聚苯硫醚（PPS）纖維。
其中間位PMIA、PI和PBI纖維的耐堿性能差，在堿性環境中使用時會很快降強，且聚酰亞胺和聚苯并咪唑纖維還不能國產化；PBO纖維則耐候性差，極易降強，也未能在國內生產；PTFE纖維的加工性能較差、難以實現細旦化，故濾塵效果不很理想，且價格貴。在已經實現國產化得PTFE、PMIA和PPS纖維中，PPS纖維因其采用加工費用最低的熔紡路線，具有最低的價格。同時具有適合作為濾袋材料使用的良好綜合性能。
PPS纖維的極限氧指數為34～35%，正常的大氣條件下不會燃燒，它的自動著火溫度為590℃，屬于性能優異的不燃材料。有高于普通聚合物的熔點（Tm=283℃），熱分解起始溫度高達430℃。纖維長期使用溫度為170～190℃；PPS在200℃以下不溶于任何溶劑，其化學穩定性僅次于聚四氟乙烯，是良好的耐化學腐蝕材料；PPS強度較高，剛性好，具有出色的耐疲勞性和抗蠕變性能；PPS尺寸穩定，在高溫下和吸濕后尺寸幾乎不變，尺寸穩定性甚至超過某些熱固性材料。PPS還具有防輻射性能，可以用于防輻射材料。從上述性能可以看出，PPS纖維是現有耐高溫纖維中最適合于制作濾袋的纖維材料。
2 我國PPS纖維產業化現狀
PPS樹脂最早由美國Phillips公司于1967年取得以對二氯苯和硫化鈉為原料在N-甲基毗咯烷酮極性溶劑中合成PPS得到的專利技術，1971年實現PPS樹脂的工業化生產，1973年建成2.6kt/a規模生產裝置；1979年合成除了適于紡絲生產的高分子量線性PPS樹脂并實現了工業化生產。1985年以前，美國Phillips公司一直壟斷著PPS的生產和市場。此后隨著其專利失效，日本東麗公司、東洋紡公司、吳羽公司相續進行了PPS纖維的開發，是目前中國市場上PPS纖維的最主要供應商。德國拜爾公司在比利時也建了4kt/a PPS生產裝置。
我國從70年代起開始PPS樹脂的開發，陸續有廣州化工研究所（1978年）、四川長壽化工廠（1985年）、天津合成材料研究所（1986年）的PPS中試裝置通過鑒定。隨后四川特種工程塑料廠、都江堰高分子合成材料廠、長壽化工廠等10余家從事PPS生產的企業，分別建成了幾到幾百噸級的小型試驗生產裝置。2004年四川省華拓科技有限責任公司千噸級硫化鈉法合成線性高分子質量聚苯硫醚通過驗收。
1980年代以來，四川大學、四川省紡織工業研究所、中國紡織大學（現東華大學）、中國紡織科學研究院等科研單位和企業一直進行PPS纖維的紡絲研究。目前已經實現PPS纖維工業化生產的單位有江蘇瑞泰科技有限公司（與四川省紡織工業研究所合作，已工業化生產PPS短纖維并直接應用于袋式除塵器）、四川得陽科技股份有限公司（與中國紡織科學研究院合作，生產樹脂、長絲和短纖）；營口耐斯特纖維有限公司、香港查氏集團海寧新能紡織有限公司采用進口樹脂生產PPS短纖維。這些企業初步解決了PPS纖維的國產化問題，但產品性能尚未達到國外先進水平。
3 我國PPS纖維結構和性能研究現狀
PPS纖維雖然是公認適合于作為濾袋材料使用，但即使是國外處于領先地位的產品，也尚存在其性能的薄弱之處；此外，我國目前生產的PPS纖維，還與國外先進產品相比，存在技術水平的差距。
從PPS的固有物性看，作為袋式除塵器的濾袋材料使用，尚有如下不盡如人意之處：
（1）由于PPS大分子鏈上存在硫鍵，故PPS纖維在含氧量較高的高溫環境中下容易發生氧化而使其綜合性能逐步下降，對擴大濾袋使用范圍、延長濾袋使用壽命有一定影響；
（2）日本東麗公司生產的PPS纖維可認為代表了國際先進水平，但其強度最高為短纖維4.5Cn/dtex、長絲5Cn/dtex。這樣的強度可以作為濾袋材料使用，但如果能進一步提高其強度，則在合理設計濾袋結構的基礎上，對于降低一次性投入成本、降低運行阻力從而降低運行成本、延長使用壽命，具有顯著的經濟效益。
（3）PPS纖維與芳綸1313相比，其摩擦系數和抗彎剛度偏大，不利于非織造布的加工。
我國PPS樹脂和纖維與國外產品相比，還存在如下問題：
（1）PPS樹脂中低聚物和金屬雜質含量較高、PPS樹脂熔融后產生的氣化物較多，影響纖維強度和色澤；強度還在4Cn/dtex以內徘徊，色澤的一致性也較差；
（2）無論是樹脂還是纖維，其物理化學性能的穩定性均較差，批次差異大；
此外，國內外研究者在PPS纖維向度和雙折射等聚集態結構的科學層面上的研究，PPS的很多奇特現象無法用現有的高分子材料理論進行解釋，例如：
（1）為什么PPS在熔融過程中有氣泡產生？
（2）為什么初生絲密度實測值大于和牽伸定性絲密度？
（3）為什么采用貝瑞克補償法測牽伸纖維雙折射率的結果會遠高于理論值，甚至達到不可思議的地步？
（4）采用XRD方法進行PPS纖維結晶度和取向度測試時，因缺乏已知無定型樣品的標定和不同晶面對應的衍射峰重疊現象嚴重，結晶度和取向度的測量尚不能得到高精度的測試結果。
4 急需研究解決的問題
因此，為了充分發揮PPS纖維在環保除塵領域的作用，為實現燃煤火電、鋼鐵、水泥等行業的除塵設備從電除塵到袋式除塵的轉化提供高性價比的PPS濾袋，應該針對如下幾個方面的問題，組織力量進行科學層面和工程技術層面的攻關。
（1）關于樹脂和纖維聚集態結構的研究。搞清PPS樹脂的聚合和提純條件與其聚集態結構的關系；搞清楚支化PPS大分子的控制和利用方法；建了結晶度、取向度的有效檢測方法；搞清楚紡絲過程中的聚集態結構變化，為獲得高力學性能的PPS纖維尋找出理想的結構和合適的加工方式；
（2）關于PPS的化學修飾方法或復合紡絲結構設計的研究。尋找通過化學修飾方法降低PPS高溫氧化的敏感性的方法，或通過復合紡絲方法，從宏觀結構上對PPS實現屏蔽。試圖延長PPS制品的使用壽命；
（3）紡絲工藝的系統研究。通過螺桿結構和紡絲機工藝參數的優選，降低PPS作為非牛流體的粘度變化程度；通過牽伸、定性條件的優選，在獲得纖維的高強度的同時，兼顧實現高穩定性、降低尺寸變化率，是濾袋的使用性能得到進一步的提升；
（4）從纖維截面設計和非織造布的加工工藝優化入手，提高纖維間的嚙合程度、提高濾袋的空隙均一性，提高煙塵過濾效率；
（5）通過降低單絲細度和卷曲狀態，降低PPS纖維的抗彎剛度和摩擦系數，提高非織造布的加工性能。
5 建議
為了將已經初步實現現工業化生產的PPS纖維能夠高效地應用于袋式除塵器，建議設立863計劃專項課題進行攻關，解決上述科學和技術問題，使PPS纖維在我國燃煤火電、鋼鐵、水泥等行業的除塵設備從電除塵到袋式除塵的轉變中發揮更大地作用。
致謝：本文得到黃慶研究員和王燁高工的幫助，特致謝忱。
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