PPS纤维作为袋式滤尘器材料的应用前景及后续研究
摘要：在分析现有耐高温纤维性能的基础上，指出聚苯硫醚（PPS）纤维作为袋式除尘器滤袋材料使用的合理性，并具有广泛的应用前景。指出我国PPS树脂及纤维在结构与性能、加工工艺、纤维及滤袋用非织造布的设计制造方面，尚存在科学和工程技术方面的诸多问题，亟待研究解决。建议设立863计划专项课题进行攻关，以便充分发挥PPS纤维在环保方面的积极作用。
关键词：聚苯硫醚，PPS，袋式除尘器，滤袋材料
聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide，简称PPS）是20世纪后期开发的具有良好耐热性、优越的抗化学腐蚀性和阻燃性、优异的电性能及良好的尺寸稳定性的热塑性树脂。由线性PPS树脂经熔纺获得的PPS纤维，继承了PPS树脂良好的热稳定性、耐化学腐蚀性、阻燃性及良好的加工性能，由此制成的纱线织物可长期暴露在高温和酸/碱性环境之中。制成具有良好滤尘性能的非织造布，特别适合于作为袋式滤尘器的滤袋材料使用，在湿态酸性环境、接触温度达190℃的条件下，使用寿命可达3年以上，因此，是在燃煤发电、钢铁、水泥等行业采用袋式除尘替代电除尘、大幅度减低烟尘排放的关键性材料。
截止2008年底，我国发电装机容量达79253万千瓦，其中火电60132万千瓦，全国发电生产耗用原煤13.4亿吨[1]。由此初步估算，烟尘排放量将达到330万吨以上。大量PM10粉尘影响了大气质量和能见度，特别是PM2.5粉尘以气溶胶形式存在于大气中，成为可吸入肺部颗粒物，危害人的呼吸系统和心脏等循环器官，导致疾病。改进除尘方式是燃煤电厂、钢铁、水泥等多种类似行业降低烟尘排放量的必要手段。目前，袋式除尘器的减排浓度已可达到15～30mg/m ³，已成为降低烟尘排放的有效途径。目前较多企业仍然采用电除尘方式，其烟尘排放量的必要手段。但是，袋式除尘器需要有耐高温、耐腐蚀的纤维材料作为滤袋材料，我国现有耐高温纤维尚处在产业化初期，品种少、性能尚不稳定，还存在科学层面、工程技术层面的诸多问题。本文在对比有可能应用于滤袋的耐高温纤维性能的基础上，着重分析了聚苯硫醚（PPS）纤维的国内外现状，指出为了提供高效、性能稳定、长寿命的滤袋材料，应从PPS树脂及纤维的结构和性能、加工工艺、纤维及制品设计等方面进行深入系统的研究，使PPS纤维成为理想的袋式除尘器材料，并在环境保护事业中发挥更大的作用。
1 PPS纤维作为袋式除尘滤袋材料的优势
袋式除尘器所需的滤袋用纤维材料，应具有良好的耐热性能、耐腐蚀性和力学性能，并具有纺织纤维所需的良好的可挠曲性、适中的摩擦系数和变形能力，以便于纺织加工、非织造布加工和由成品织物加工成滤袋。作为过滤材料，其纤维截面应该有较大的比表面积，在纤维之间应该有良好的啮合效应，使其缝隙尺寸达到较小的尺度；无论是纤维还是非织造布，其聚集态结构、织物结构、宏观物理化学性能，均应达到较高的均一性，防止出现因局部损坏或存在瑕疵而导致尘埃泄露的薄弱环节。此外还应有较低的生产成本，以便于实现袋式除尘替代电除尘的设备改造和实际运行。
目前，有可能符合上述性能要求、并有工业化生产能力的纤维品种有芳纶1313（PMIA）纤维、聚四氟乙烯（PTFE）纤维、聚酰亚胺（PI）纤维、聚苯并咪唑（PBI）纤维、聚对苯撑苯并二恶唑（PBO）纤维和聚苯硫醚（PPS）纤维。
其中间位PMIA、PI和PBI纤维的耐碱性能差，在碱性环境中使用时会很快降强，且聚酰亚胺和聚苯并咪唑纤维还不能国产化；PBO纤维则耐候性差，极易降强，也未能在国内生产；PTFE纤维的加工性能较差、难以实现细旦化，故滤尘效果不很理想，且价格贵。在已经实现国产化得PTFE、PMIA和PPS纤维中，PPS纤维因其采用加工费用最低的熔纺路线，具有最低的价格。同时具有适合作为滤袋材料使用的良好综合性能。
PPS纤维的极限氧指数为34～35%，正常的大气条件下不会燃烧，它的自动着火温度为590℃，属于性能优异的不燃材料。有高于普通聚合物的熔点（Tm=283℃），热分解起始温度高达430℃。纤维长期使用温度为170～190℃；PPS在200℃以下不溶于任何溶剂，其化学稳定性仅次于聚四氟乙烯，是良好的耐化学腐蚀材料；PPS强度较高，刚性好，具有出色的耐疲劳性和抗蠕变性能；PPS尺寸稳定，在高温下和吸湿后尺寸几乎不变，尺寸稳定性甚至超过某些热固性材料。PPS还具有防辐射性能，可以用于防辐射材料。从上述性能可以看出，PPS纤维是现有耐高温纤维中最适合于制作滤袋的纤维材料。
2 我国PPS纤维产业化现状
PPS树脂最早由美国Phillips公司于1967年取得以对二氯苯和硫化钠为原料在N-甲基毗咯烷酮极性溶剂中合成PPS得到的专利技术，1971年实现PPS树脂的工业化生产，1973年建成2.6kt/a规模生产装置；1979年合成除了适于纺丝生产的高分子量线性PPS树脂并实现了工业化生产。1985年以前，美国Phillips公司一直垄断着PPS的生产和市场。此后随着其专利失效，日本东丽公司、东洋纺公司、吴羽公司相续进行了PPS纤维的开发，是目前中国市场上PPS纤维的最主要供应商。德国拜尔公司在比利时也建了4kt/a PPS生产装置。
我国从70年代起开始PPS树脂的开发，陆续有广州化工研究所（1978年）、四川长寿化工厂（1985年）、天津合成材料研究所（1986年）的PPS中试装置通过鉴定。随后四川特种工程塑料厂、都江堰高分子合成材料厂、长寿化工厂等10余家从事PPS生产的企业，分别建成了几到几百吨级的小型试验生产装置。2004年四川省华拓科技有限责任公司千吨级硫化钠法合成线性高分子质量聚苯硫醚通过验收。
1980年代以来，四川大学、四川省纺织工业研究所、中国纺织大学（现东华大学）、中国纺织科学研究院等科研单位和企业一直进行PPS纤维的纺丝研究。目前已经实现PPS纤维工业化生产的单位有江苏瑞泰科技有限公司（与四川省纺织工业研究所合作，已工业化生产PPS短纤维并直接应用于袋式除尘器）、四川得阳科技股份有限公司（与中国纺织科学研究院合作，生产树脂、长丝和短纤）；营口耐斯特纤维有限公司、香港查氏集团海宁新能纺织有限公司采用进口树脂生产PPS短纤维。这些企业初步解决了PPS纤维的国产化问题，但产品性能尚未达到国外先进水平。
3 我国PPS纤维结构和性能研究现状
PPS纤维虽然是公认适合于作为滤袋材料使用，但即使是国外处于领先地位的产品，也尚存在其性能的薄弱之处；此外，我国目前生产的PPS纤维，还与国外先进产品相比，存在技术水平的差距。
从PPS的固有物性看，作为袋式除尘器的滤袋材料使用，尚有如下不尽如人意之处：
（1）由于PPS大分子链上存在硫键，故PPS纤维在含氧量较高的高温环境中下容易发生氧化而使其综合性能逐步下降，对扩大滤袋使用范围、延长滤袋使用寿命有一定影响；
（2）日本东丽公司生产的PPS纤维可认为代表了国际先进水平，但其强度最高为短纤维4.5Cn/dtex、长丝5Cn/dtex。这样的强度可以作为滤袋材料使用，但如果能进一步提高其强度，则在合理设计滤袋结构的基础上，对于降低一次性投入成本、降低运行阻力从而降低运行成本、延长使用寿命，具有显著的经济效益。
（3）PPS纤维与芳纶1313相比，其摩擦系数和抗弯刚度偏大，不利于非织造布的加工。
我国PPS树脂和纤维与国外产品相比，还存在如下问题：
（1）PPS树脂中低聚物和金属杂质含量较高、PPS树脂熔融后产生的气化物较多，影响纤维强度和色泽；强度还在4Cn/dtex以内徘徊，色泽的一致性也较差；
（2）无论是树脂还是纤维，其物理化学性能的稳定性均较差，批次差异大；
此外，国内外研究者在PPS纤维向度和双折射等聚集态结构的科学层面上的研究，PPS的很多奇特现象无法用现有的高分子材料理论进行解释，例如：
（1）为什么PPS在熔融过程中有气泡产生？
（2）为什么初生丝密度实测值大于和牵伸定性丝密度？
（3）为什么采用贝瑞克补偿法测牵伸纤维双折射率的结果会远高于理论值，甚至达到不可思议的地步？
（4）采用XRD方法进行PPS纤维结晶度和取向度测试时，因缺乏已知无定型样品的标定和不同晶面对应的衍射峰重叠现象严重，结晶度和取向度的测量尚不能得到高精度的测试结果。
4 急需研究解决的问题
因此，为了充分发挥PPS纤维在环保除尘领域的作用，为实现燃煤火电、钢铁、水泥等行业的除尘设备从电除尘到袋式除尘的转化提供高性价比的PPS滤袋，应该针对如下几个方面的问题，组织力量进行科学层面和工程技术层面的攻关。
（1）关于树脂和纤维聚集态结构的研究。搞清PPS树脂的聚合和提纯条件与其聚集态结构的关系；搞清楚支化PPS大分子的控制和利用方法；建了结晶度、取向度的有效检测方法；搞清楚纺丝过程中的聚集态结构变化，为获得高力学性能的PPS纤维寻找出理想的结构和合适的加工方式；
（2）关于PPS的化学修饰方法或复合纺丝结构设计的研究。寻找通过化学修饰方法降低PPS高温氧化的敏感性的方法，或通过复合纺丝方法，从宏观结构上对PPS实现屏蔽。试图延长PPS制品的使用寿命；
（3）纺丝工艺的系统研究。通过螺杆结构和纺丝机工艺参数的优选，降低PPS作为非牛流体的粘度变化程度；通过牵伸、定性条件的优选，在获得纤维的高强度的同时，兼顾实现高稳定性、降低尺寸变化率，是滤袋的使用性能得到进一步的提升；
（4）从纤维截面设计和非织造布的加工工艺优化入手，提高纤维间的啮合程度、提高滤袋的空隙均一性，提高烟尘过滤效率；
（5）通过降低单丝细度和卷曲状态，降低PPS纤维的抗弯刚度和摩擦系数，提高非织造布的加工性能。
5 建议
为了将已经初步实现现工业化生产的PPS纤维能够高效地应用于袋式除尘器，建议设立863计划专项课题进行攻关，解决上述科学和技术问题，使PPS纤维在我国燃煤火电、钢铁、水泥等行业的除尘设备从电除尘到袋式除尘的转变中发挥更大地作用。
致谢：本文得到黄庆研究员和王烨高工的帮助，特致谢忱。
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