聚丙烯纖維耐酸腐蝕性能研究

李岱霖,劉洋,楊潔,洪和平,邱新標

（1.廈門理工學院環境工程系,福建廈門361024；2.廈門美達斯環保工業有限公司,福建廈門361027）

隨著鋼鐵、冶金、水泥、化工等行業近年來迅猛發展,工業煙塵尾氣的排放量相應俱增.懸浮顆粒物含量超標引起的大氣環境污染將導致環境效應、氣候效應和健康效應不同程度的惡化[1],我國“十一五”規劃綱要明確提出將微細顆粒物作為城市大氣污染物防治的重點[2].

在眾多除塵技術中,袋式除塵的突出特點是除塵效率高,實驗室條件下凈化率高達99.999%,實際應用中可達到99.9%,致使煙氣中粉塵排放濃度低至10 mg/Nm3以下,甚至達到2 mg/Nm3[3].此外,袋式除塵設備具有投資成本低、占地面積小、處理風量大、運行和維修操作簡易方便等眾多優勢,得到工業煙塵尾氣治理行業的廣泛推崇,截至2009年,其應用數量約占各類除塵器總量的60%以上[4].

過濾材料（濾料）是袋式除塵器的核心部件之一,其自身性能將直接影響實際除塵效率和除塵效果.聚丙烯纖維由丙烯單體經分子間聚合而成,具有成本低、密度小、通透性高、拉伸強度大等優勢,成為一種常見的袋式除塵常溫濾料[5].在酸性尾氣工況條件下,聚丙烯可能由于酸性物質（如：SOx和NOx）的腐蝕加劇老化、容易產生破損,縮短使用壽命.這一缺陷限制了其在除塵行業的應用,一定程度上增加了袋式除塵運行成本.針對上述使用現狀,選取廈門某企業自主生產的聚丙烯產品LB450（克重：450 g/m2）為研究對象,通過模擬不同工況使用條件,考察耐酸腐蝕性能,旨在為聚丙烯纖維表面改性研究提供實驗線索,為濾料的合理選用提供理論指導.

1 實驗部分

1.1 耐酸腐蝕實驗

利用溶液腐蝕實驗法,在酸度（H2SO4）和溫度實驗水平下（見表1）,考察LB450經歷60 h的老化過程.實驗試樣的制備以《織物斷裂強力和斷裂伸長的測定》（GB3923—1997）為標準,采取平行剪裁法進行.

表1 聚丙烯耐酸腐蝕實驗因素水平Tab.1 Experimental factors and levels of polypropylene acid corrosion resistance

1.2 斷裂強力測試

斷裂強力指濾料發生斷裂時的應力.由袋式除塵原理所致,濾料在使用過程中將持續受到高通量含塵尾氣的慣性碰撞和定期清灰引起的拉伸、扭曲、收縮、膨脹等機械磨損作用.對于腐蝕前后的濾料,可以借助斷裂強力指標反映其耐久性,評價耐腐性能[6].LB450試樣的斷裂強力測試參照《織物斷裂強力和斷裂伸長的測定》（GB 3923—1997）,在型號為YG026B的電子織物強力機上完成.為了直觀反映腐蝕樣的耐腐性能變化,本文根據（1）式計算了斷裂強力保持率（）,其中Fi和F0分別表示腐蝕和空白樣的斷裂強力.

1.3 紅外光譜測試

借助Nicolet380型紅外光譜儀,分別對LB450空白樣和腐蝕樣進行了紅外光譜測試,從微觀分子組成水平考察聚丙烯的老化過程,對其耐腐性能變化規律做出較合理的解釋.

2 結果與分析

2.1 LB450的耐酸腐蝕性能

LB450的耐酸腐蝕性能結果見圖1.

圖1 LB450斷裂強力保持率隨酸度變化曲線Fig.1 Breaking strength retention changing curves of LB450 versus acidity

由圖1可知,40℃時,隨著酸度的增加,LB450的經、緯向λ保持在80%以上,表現出較好的耐酸腐蝕性能.60℃時,隨著酸度的增加,LB450的經、緯向λ均呈現較明顯的降低,到了80℃,該降低趨勢更加顯著,表明耐腐性能隨酸度和溫度的升高呈降低趨勢,當溫度高于60℃時,即使在較低酸度條件下,LB450的耐腐性能不理想.

2.2 紅外光譜分析

圖2 LB450空白和腐蝕樣（80℃）的紅外譜圖Fig.2 Infrared spectrum images of the blank and corrosion samples（80℃）ofLB450

由圖2可知,隨著酸度的增加,LB450空白樣中,1640 cm-1附近的吸收峰逐漸減弱,酸度達到70%,該吸收峰幾乎消失；在腐蝕樣中,1710 cm-1附近產生了吸收峰,吸收強度逐漸增加.產生該現象的原因可能是：聚丙烯纖維中存在叔碳原子,由于甲基誘導效應一定程度上增加了其反應活性,使其容易被氧化[7]；此外,纖維中含有少量不飽和碳碳雙鍵（1640 cm-1）,被氧化的可能性有所提高[8].在較高溫度（80℃）下,隨著酸度的增加,H2SO4提供酸性介質的同時,表現出不同程度的氧化性,將長期浸泡的LB450氧化成羰基類化合物,產生1710 cm-1附近的羰基碳氧伸縮振動吸收峰[9].早期研究報道表明,聚丙烯氧化的主要產物包括醛、羧酸和酮類化合物[10],分子中均含有碳氧雙鍵,本文紅外測試結果有力支持了該結論.

LB450紅外譜圖很好的解釋了相應條件下的耐腐性能變化規律.以80℃的經向為例,酸度30%時,LB450的λ為73.52%,耐腐性能有所降低.相應腐蝕樣的紅外譜圖顯示,1640 cm-1附近的吸收峰相較于空白樣有所減弱,在1710 cm-1附近產生了一個強度較小的吸收峰,表明該條件下LB450被部分氧化.隨著酸度的增加,λ呈現較為顯著的降低趨勢,與之對應的紅外譜圖顯示,1640 cm-1附近的吸收峰逐漸減弱,1710 cm-1附近的吸收峰強度逐漸增加,表明耐腐性能隨著氧化程度的加劇而減弱.

3 結論

利用溶液腐蝕實驗法,在酸度和溫度實驗水平下,考察了LB450的耐酸腐蝕性能,結果表明：溫度低于40℃,LB450適宜長時間使用；否則,應結合工況酸度進行合理選用.LB450在硫氧化物含量較高的酸性尾氣中,耐腐性能降低的主要原因可能是發生了氧化作用.針對聚丙烯纖維的表面改性有待從提高其抗氧化性方面著手.

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