聚苯硫醚纤维的发展及应用

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1、 聚苯硫醚纤维的发展及应用 汪家铭聚苯硫醚纤维是一种新型高性能合成纤维,具有优异的热稳定性、耐化学腐蚀性、阻燃性等,在环保、电子、机械、汽车、纺织、航空航天等领域中得到广泛应用。本文介绍了目前国内外聚苯硫醚纤维的开发与应用情况,并对国内聚苯硫醚纤维产业的发展提出了一些建议。PPS fiber is one of the novel synthetic fibers with high performance. Due to its excellent performance on thermo-stability, chemical resistance and flame retardanc

2、y, the fiber has widely used in the fields such as environment protection, electronic, machinery, automobile, aerospace. This article introduced status quo of PPS fiber at home and abroad, and put forward some suggestions on development of domestic PPS industry.聚苯硫醚,简称PPS,其分子结构比较简单,分子主链由苯环和硫原子交替排列,大

3、量的苯环赋予了PPS刚性,大量的硫醚键又提供了柔顺性,使其分子结构对称,易于结晶,无极性,电性能好,不吸水。PPS是一种高性能纤维原料,广泛应用于高温、化学腐蚀等环境中。1物化性能PPS纤维是一种线型高分子量结晶性高聚物,具有很高的热稳定性、耐化学腐蚀性、阻燃性及良好的加工性能,其优异的综合性能主要表现在以下几方面。1.1热稳定性PPS纤维在高温下具有优良的强度、刚性及耐疲劳性,可在 200 240 下连续使用,在低于 400 的空气或氮气中较稳定,基本无重量损失。在 204 的高温空气中放置2 000h后能保持 90% 的强度,放置 5 000 h后能保持 70% 的强度,8 000 h后能

4、保持近 60% 的强度;在 260 的高温空气中放置 1 000h后能保持 60% 的强度。1.2耐化学腐蚀性PPS纤维具有优异的耐化学腐蚀性,与号称“塑料之王”的聚四氟乙烯(PTFE)相近,能抵抗酸、碱、氯烃、烃类、酮、醇、酯等化学品的侵蚀,特别是耐非氧化性酸和热碱液的性能突出。在 200 下基本不溶于任何化学溶剂,只有浓硫酸和浓硝酸等强氧化剂才能使PPS纤维发生剧烈的降级。1.3阻燃性PPS纤维制品具有难燃性,无需添加阻燃剂就可达到UL94V0标准。置于火焰中时虽会发生燃烧,但无滴落现象,且离火自熄。其燃烧时呈黄橙色火焰,并生成微量的黑烟灰,发烟率低于卤化聚合物,燃烧物不脱落,形成残留焦炭

5、,表现出较低的延燃性和烟密度。1.4其他性能PPS的强度、伸度和弹性等与聚酯相当,对于射线和中子放射的隔绝性比聚酰胺和聚酯好。同时,PPS还具有良好的纺织加工性能,可用于高温烟道气或特殊热介质的过滤。日本东丽工业公司利用PPS纤维传热系数小的特点,开发了保温衣料,其保暖性较常规PET纤维可提高 30% 40%,且可减弱穿衣时约 16% 的冷触感;美国Crane公司开发的PPS纤维毡,可在 200 左右的条件下连续使用。2加工工艺PPS树脂结构有线型、交联型和直链型 3 种,目前世界PPS树脂的生产技术已由交联改性的低分子量向直接合成的直链高分子量发展,根据PPS树脂分子量低、中、高的不同,可以

6、分为涂料级、注塑级、纤维级和化学改性级,适于不同的需求,可以通过注塑或挤出成型加工形成塑料制品,也可经过双向拉伸制成薄膜或纺丝制成纤维,还可通过填充增强制成复合材料等。当采用常规方法将PPS树脂加工成PPS纤维时,要求PPS树脂的直链度要高,特别是对网状物(凝胶团)有严格要求。但直链PPS易于氧化降解,在高温下有明显的氧化现象,影响了PPS纤维的使用效果。用于加工纤维的PPS树脂线性度一般较好,且分子量分布较窄。作为纤维级的PPS树脂原料,对水质的线型强度、相对分子质量、多分散系数、熔融指数和焓增值率等与注塑级PPS相比均有更高的要求。在PPS熔融纺丝的过程中,需选用适合的高温纺丝、渐冷、固化

7、成形、牵伸、定形等技术。如采用浅黄色的纤维级PPS树脂切片为原料,其纺丝成形工艺如图 1 所示。纺丝前先在 110 下真空干燥 4 h,以减少PPS树脂的含水量、改善含水的均匀性、提高树脂的结晶度和软化性;然后在喷丝孔直径为 0.7 mm的柱塞式小型单孔熔融纺丝机上进行纺丝,纺丝温度为 310 340 。在拉伸过程中,PPS纤维会产生部分结晶,同时纤维的大分子取向增加,从而可提高纤维的强度。将PPS拉伸纤维在 160 260 下进行 5 min的热定形处理,可使结晶度增加 60% 80%,并获得具有良好物理机械性能的PPS纤维。3技术进展3.1国外概况国外对PPS纤维的研究已有较长的历史。早在

8、1975年,Bartlesville等就开始研究PPS的纺丝;1979年,美国Phillips Fiber公司首次成功研制了纤维级PPS树脂,并于1983年实现PPS短纤维工业化生产;1985年Phillips Fiber公司专利保护失效后,日本及西欧一些发达国家也相继研究和开发PPS纤维,日本东洋纺的Procon、东丽的Torcon和美国Celanese(塞拉尼斯)的Fortron等PPS纤维产品相继问世;21世纪初,日本东丽工业公司收购了美国Phillips石油公司和Fiber & Yarns公司的PPS纤维事业部,使日本成为世界PPS纤维的最大生产国。国外PPS纤维的生产商虽然多,但因生

9、产工艺难度高,相关厂商几经合并或退出市场后,整个PPS纤维的历史几乎掌握在美国AFY、美国Amoco F&F、日本东丽、日本东洋纺等少数几个厂商手中。国外一些公司PPS纤维的生产开发及应用概况如表 1 所示。3.2国内开发情况国内最早于 20世纪 90年代初开始研究PPS纤维。1990 1996年,四川省纺织工业研究所与四川大学等单位合作,结合国家“863计划”开始研究开发PPS纤维,2004年取得中试研究成果,并获得两项发明专利,通过验收鉴定,技术水平达到国内领先;清华大学在 20世纪 90年代对进口PPS树脂与聚酯共混纺丝机理以及纺丝动力学等进行了研究;天津纺织工学院(现为天津工业大学)的

10、“国产聚苯硫醚纤维的开发研究”项目列入天津市自然科学基金项目,并于 1999年 6月通过了天津市科委组织的验收。2004年底,中国纺织科学研究院与国内已实现规模化生产的PPS原料制造商四川得阳科技股份有限公司合作,成功利用国产PPS树脂进行纤维级PPS树脂的研制及其纤维产品和纺丝技术的开发,批量试制出了PPS短纤维。在中试放大过程中,成功完成了PPS纤维纺丝关键设备和成套技术的开发,较好地纺制出了PPS短纤维,并加工成过滤袋,应用于烟道过滤系统。2006年,四川省纺织工业研究所将PPS短纤维生产技术转让给张家港江苏瑞泰科技有限公司,建立了 1 500 t/a的PPS短纤维工业化生产装置,并实现

11、规模化生产,当年l2月通过中国纺织工业协会的技术鉴定。目前,江苏瑞泰科技有限公司年产 1 000 t PPS短纤维,销售收入预计在亿元以上。2008年1月,由中国纺织科学研究院承建,以国产PPS树脂为原料,国内最大规模的 5 000 t PPS纤维生产装置在四川得阳科技股份有限公司建成投产。该项目涉及到工程设计和施工、设备的安装和调试以及纺丝工艺流程的贯通和优化等多个方面,生产出的PPS短纤维经检测性能优良,达到了国外同类产品的技术水平。在实现PPS短纤维工业化的同时,中国纺织科学研究院又完成了PPS长丝的产品、工艺开发及中试放大,目前正在进行产业化推广。鉴于我国工业发展对PPS纤维迫切的市场

12、需求,高性能PPS纤维受到了国内科技主管部门和产业界的广泛关注。四川得阳科技股份有限公司投资 15 亿元,计划新建年产 2.2 万t的纤维级PPS和 5 000 t PPS纺丝项目;2008年10月,苏州赛纶纤维材料科技有限公司核准建设PPS纤维项目,该项目总投资估算为 6 938 万美元,建设地点位于吴江市汾湖镇。预计到2009年,国内将形成 7 500 t/a的PPS纤维产能,2010年这一数据将达 1 万t。4应用领域及前景4.1环保领域近年来,随着工业的飞速发展,工业排污日益严重,而PPS纤维被高温烟气过滤除尘领域所青睐,是燃煤电厂烟道气除尘和城市垃圾焚烧厂尾气过滤等的首选滤材。过去,

13、国内高温过滤袋的生产一直依赖进口PPS纤维产品,目前,作为高温耐腐蚀滤袋主导材料的PPS纤维在国内的市场已经形成并逐年扩大,其需求量保持着 20% 以上的年增长速度,呈供不应求的态势。近年来,我国高温袋式除尘的推广应用已取得较大进展,现已在钢铁厂、热电厂、垃圾焚烧炉、炭黑厂等领域得到应用,水泥厂的常温除尘已使用了袋式除尘,高温除尘系统目前还未应用。目前,国产的PPS短纤维已用于制作国内电厂使用的滤料,第一批试生产滤料已于 2005年5月开始在电厂除尘装置上应用,至今运行状况良好。4.2其他领域PPS树酯近年来才应用于纤维领域,以往则以工程塑料为主。利用PPS纤维耐高温、耐腐蚀、阻燃等性能,在航

14、天航空及军事等领域中具有发展前途。用PPS纤维制成的针刺毡带是较为理想的耐热和耐腐蚀材料,可用于造纸工业的烘干,也可用于制作电子工业的特种用纸;将其制成针刺非织造布或机织物可用于热的腐蚀性试剂的过滤,其单丝或复丝织物还可用作除雾材料。此外,还可将PPS制成的非织造布用于干燥机用帆布、防护产品、耐热衣料、电绝缘材料、电解隔膜、刹车用摩擦片、复合材料、液气体过滤材料、特种包装材料和特种功能过滤材料等。5发展建议5.1加快生产装置的国产化进程建议国家有关部门应从政策方面加以引导,对高性能PPS纤维的开发和国产化装置的建设予以扶持,在目前合成技术取得较大进展的情况下,继续加大PPS纤维产业化技术的研发

15、力量,重点建设配套的从PPS合成到纤维制造的生产装置,形成完整的产业链,填补我国在相关技术领域的空白,打破国外对这一技术的垄断,并为国内发展这类高新技术材料提供全套成熟的技术,推动其应用领域的全面拓展。5.2不断完善关键性工艺技术虽然国内目前在PPS纤维的研究和开发方面取得了很大进展,但与国外相关产品相比,仍存在较大的差距。究其原因,主要还是由于国内纤维级PPS的生产工艺不够成熟,在产品纯化处理及工程规模放大上仍有很多关键性工艺技术尚未突破,因此还需在生产实践中不断加以完善。特别是在纺丝技术和产品性能方面,对工艺参数还需作进一步的优化和调整,达到降低生产成本、提高产品质量的目的,以适应国内部分产业整体水平的提高急需高性能纤维的现状。5.3形成产品市场的核心竞争力根据产品的不同应用领域,生产企业应对PPS纤维进行改性处理,选择合适的共混组分、最佳的共混配比,进而改善PPS纤维的使用性能。除了在环保领域大力开展芳砜纶纤维产品的宣传和试用工作,还要研究PPS纤维在非织造毡、复合面料、绝缘纸、纺织面料和部分军工产品中的应用,为PPS纤维的市场拓展提供技术支持,提高市场占有率,逐步形成核心竞争力,满足市场日益增长的需求。 -全文完-

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