CN102908824B - 一种聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料及其制备方法与应用，复合过滤材料具有皮芯结构，所述芯层为线密度300～750dtex的玻璃纤维，皮层由聚酰亚胺、氟树脂、超细碳酸钙、偶联剂、抗静电剂、稀土与加工助剂组成，皮层的厚度为5～200微米；将皮层组分添加于聚酰胺酸中间体纺丝液中，并将玻璃纤维浸渍于纺丝液后，于200～250℃温度下恒温1.5～3.0h，对聚酰胺酸进行亚酰胺化处理，制得聚酰亚胺玻璃纤维复合纤维过滤材料，包括长、短纤维，长纤维的线密度为300～800dtex。所述复合过滤材料用于编织过滤毡的基布和纤维层，过滤毡单位平方米克重为300～1200g。
Description
技术领域
本发明涉及一种过滤材料，特别涉及一种聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着我国工业的不断发展，不可避免的是各种粉尘的污染源也将不断地增加，燃煤锅炉、水泥窑、钢铁高炉和垃圾焚烧炉等在作业过程中会产生伴有粉尘、高温且腐蚀性的气体，如不及时地加以控制，将对生态环境及人们的身体健康带来极大的危害。随着科技的进步和人们环保意识的增强，环境治理、防止大气污染，尤其是对冶金、钢铁、发电、碳黑、水泥等行业高温烟尘过滤越来越重视。目前用于空气和气体过滤即固／气相分离的纺织材料主要有两大类：一类为机织布，另一类为非织造布，其中以针剌布用量最大，这类材料多呈三维结构，其孔隙小而孔隙率大，过滤效率高，因此近年来得到越来越广泛的应用。
目前，耐高温过滤材料主要采用无机纤维和耐高温合成纤维， 其能耐180℃以上的高温尾气或高温粉尘。国外从20世纪70年代开始致力于研究开发耐高温合成纤维，随着耐高温合成纤维的开发利用，新品种滤料不断涌现，推动了高温烟尘过滤滤料业的发展；而国内中、高温合成纤维较少，中高温过滤材料主要以玻璃纤维材料为主。
然而，工业高温尾气中大都含有大量的腐蚀性气体，如H2SO3，H2SO4、H2S等，特别是当尾气的温度超过120℃时，其对过滤材料的腐蚀性加剧，最终使过滤材料失去功效。因此，玻璃纤维滤料虽价格较低，但耐磨、耐折性能差，韧性差和耐化学腐蚀性性能差，不能满足环境复杂的高温粉尘过滤要求，其应用受到很大的限制。因此，引进高性能的耐高温纤维，研制出优质的耐高温滤料，满足日益增长的高温烟尘过滤的要求是一个重要的课题。
聚酰亚胺（P84）聚合物属于高性能聚合物，具有优异的耐热性和阻燃性，玻璃化温度为315℃，纤维可在250℃应用温度下长期使用，纤维不会熔融。因此，在耐高温滤料行业成功地将聚酰亚胺（P84）作为滤料材料，实践证明，聚酰亚胺（P84）具有良好的集尘性能，同一旦数的聚酰亚胺纤维的表面系数大于其他纤维，使其在压力差很小时，过滤效率也很高。但聚酰亚胺纤维价格昂贵，同时，大多数芳香族聚酰亚胺既难熔又难溶，不易纺制成纤维。因此，这些因素都限制了聚酰亚胺的应用。
鉴于玻璃纤维和聚酰亚胺（P84）具有各自的优缺点因此，利用上述两种材料的各自优点，开发一种综合性能优异的复合材料成为高温滤料行业的研究热点。
申请号为201110221811.0的发明专利公开了一种“玻纤聚酰亚胺P84复合滤料及其制备方法”，其特征在于复合滤料包括玻璃基布和复合纤维层，玻璃基布的上下表面覆有复合纤维成，其中，复合纤维层是玻璃纤维、凯夫拉纤维和P84纤维机械混合后针刺成毡。
申请号为201020659486.7的实用新型专利提供了“玻璃纤维和聚酰亚胺纤维复合过滤针刺毡”，其特征在于在玻纤基布的两面采用针刺对称粘贴玻纤与P84复合的纤维面层。
申请号为200810042958.1的发明专利公开了“聚酰亚胺玻纤复合材料的制备方法”，其特征在于采用2，3，3′，4′-氧联二苯四甲酸二酐、3，3′，4，4′-联苯四甲酸二酐和4，4′-二胺基二苯醚共聚制备聚酰胺酸，再采用4-苯基乙炔酐封端反应生成酰亚胺齐聚物，再与硅烷偶联剂和短切玻璃纤维捏合，经热处理制得聚酰亚胺玻纤复合材料。由此可见，在制备方法中以短切玻璃纤维作为聚酰亚胺的增强材料，提高聚酰亚胺的力学性能和抗冲击性能。
综上所述，目前获得复合型的耐高温滤料的方法，主要是将聚酰亚胺纤维和其他耐高温纤维特别是玻璃纤维进行并捻，或者混合，并通过针刺或水刺成型工艺获得过滤材料或过滤毡，再将过滤毡通过浸渍聚四氟乙烯乳液，或者以短切玻璃纤维作为填充聚酰亚胺的增强材料，提高聚酰亚胺的力学性能和抗冲击性能。因此，本发明利用这两种纤维材料的优点，通过挤出或涂覆工艺，提供一种价格便宜，具有耐高温、耐化学腐蚀性以及阻燃性的聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料。
发明内容
本发明的目的是通过涂覆工艺，提供一种价格便宜，具有皮芯结构和一定强度、韧性，耐高温、耐化学腐蚀性的玻璃纤维复合过滤材料及其制备方法与应用。
目前，过滤材料主要有玻璃纤维、聚酰亚胺纤维等，但玻璃纤维属无机材料，韧性低，材料比较脆，因此存在断裂伸长率低和耐折性能差的缺点，以致基于玻璃纤维的基布或者过滤毡的强度和韧性均比较低；而聚酰亚胺（P84）聚合物属于高性能聚合物，具有优异的耐热性和阻燃性，玻璃化温度为315℃，纤维可在250℃应用温度下长期使用，纤维不会熔融，纤维强度高，韧性强。因此，在耐高温滤料行业成功地将聚酰亚胺（P84）作为滤料材料，实践证明，聚酰亚胺（P84）具有良好的集尘性能，同一旦数的聚酰亚胺纤维的表面系数大于其他纤维，使其在压力差很小时，过滤效率也很高。但聚酰亚胺纤维价格昂贵，同时，大多数芳香族聚酰亚胺既难熔又难溶，不易纺制成纤维。因此，这些因素都限制了聚酰亚胺的应用。
鉴于上述原因，为了克服玻璃纤维和聚酰亚胺材料各自的缺点和不足，充分结合两种材料的优点，本发明的目的是这样实现的，所述的一种聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料，其特征在于：其具有皮芯结构，所述的皮芯结构包括芯层和皮层，其中芯层为玻璃纤维，玻璃纤维采用偶联预处理的玻璃纤维，芯层外包覆有皮层，所述的皮层由聚酰亚胺、氟树脂、超细碳酸钙、偶联剂、抗静电剂、稀土制成，按重量份计，其具体组分配方如下：
聚酰亚胺 100份；
氟树脂 0-20份；
超细碳酸钙 10-30份；
偶联剂 1-5份；
抗静电剂 0-3份；
稀土 0.1-5份；
加工助剂 0.5-2份；
所述氟树脂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物之一种或两种以上组合；所述加工助剂为润滑剂或增塑剂。
所述的一种聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料，其特征在于：所述芯层的玻璃纤维的线密度为300～750dtex；玻璃纤维偶联预处理的方法为：对玻璃纤维进行偶联预处理，以重量份计，用4-5份的硅烷偶联剂或铝酸酯偶联剂对100份的玻璃纤维表面进行预处理，获得偶联预处理的玻璃纤维。
所述的一种聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料，其特征在于：所述皮层的厚度为5～200微米。
所述的一种聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料，其特征在于：所述复合过滤材料包括长纤维、短纤维。
所述的一种聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料，其特征在于：所述长纤维的线密度为300～800dtex。
所述的聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）对填料进行表面预处理，以重量份计，将10-30份的超细碳酸钙和1-5份的偶联剂依次加入到高速混合机中，温度为70～90℃，混合均匀后获得表面预处理的超细碳酸钙，备用；
（2）对玻璃纤维进行偶联预处理，以重量份计，用4-5份的硅烷偶联剂或铝酸酯偶联剂对100份的玻璃纤维表面进行预处理，获得偶联预处理的玻璃纤维，备用；
（3）制备聚酰胺酸中间体纺丝液，以二甲基乙酰胺为溶剂，由联苯四羧酸二酐与间-二甲苯基二胺单体于10℃低温合成聚酰胺酸中间体纺丝液；
（4）以重量份计，将步骤（1）获得的表面预处理的超细碳酸钙、0-20份的氟树脂、0-3份的抗静电剂、0.1-5份的稀土和0.5-2份的加工助剂加入到步骤（3）获得的100份的聚酰胺酸中间体纺丝液中，并搅拌均匀，获得改性的聚酰胺酸中间体纺丝液，备用；
（5）将步骤（2）获得的偶联预处理的玻璃纤维浸渍于步骤（4）获得的改性聚酰胺酸中间体纺丝液中，在偶联预处理的玻璃纤维的表层涂布、包覆一层聚酰胺树脂；
（6）将步骤（5）获得的聚酰胺树脂进行亚酰胺化处理，以10℃/min的升温速率升温至200～250℃，并恒温1.5～3.0 h，使聚酰胺脱水环化转化为聚酰亚胺；
（7）将步骤6）获得的聚酰亚胺复合材料经冷却后收卷，获得复合过滤长纤维材料。
所述的聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料，应用于编织耐高温耐腐蚀的过滤毡。
所述的编织耐高温耐腐蚀的过滤毡，其特征在于：聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料的线密度为550dtex，断裂强力为3.3cN/ dtex,抗拉强度为31cN/ tex，于260℃恒温30min的条件下热收缩率小于1%。
所述的编织耐高温耐腐蚀的过滤毡，其特征在于：过滤毡具有上、中、下三层结构，其中上、下表层为由权利要求1-5任一所述的聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料制成的复合过滤短纤维针刺或水刺而成的过滤毡，中间层为由权利要求1-5任一所述的聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料制成的复合过滤长纤维针刺而成的基布。
所述的编织耐高温耐腐蚀的过滤毡，其特征在于：所述过滤毡单位平方米的含有权利要求1-5任一所述的聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料的克重为300～1200g。
玻璃纤维是一种传统的滤料，根据制造工艺和工艺参数的不同，玻璃纤维具有从亚微米到微米级的直径范围。玻璃纤维具有高强低伸、耐高温、耐腐蚀等优点，在制作滤料的准备基材过程中外形不会发生变化，保持固有的长度和圆柱形，不发生天然纤维类似的润胀或帚化现象。因此，利用玻璃纤维具有耐高温性能和较高强度的特点，将其作为皮芯结构复合过滤材料的芯层，线密度为300～750dtex。
聚酰亚胺具有耐高温性和耐化学腐蚀性等性能，将其作为同心结构复合过滤材料芯层的皮层，弥补玻璃纤维耐高温性和腐蚀性，以及强度和韧性不足的特点，赋予复合过滤材料具有较强的强度。其中，聚酰亚胺包覆层的厚度为5～200微米。
所述复合过滤材料包括长纤维、短纤维，长纤维的线密度为300～800dtex。其中，短纤维主要通过气流铺网，以针刺或水刺的方法进行成型，使得纤维之间相互穿插、缠绕和抱合，制成具有耐高温、耐化学腐蚀性的针刺毡，而以长纤维编织为基布；以基布为骨架，在基布的上、下表面覆以针刺毡，形成上、中、下三层结构的过滤毡，所述过滤毡的单位平方米的克重为300～1200g。
本发明技术方案实现的有益效果：本发明所述的一种聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料，充分发挥玻璃纤维和聚酰亚胺材料各自的优点，以玻璃纤维为载体，在其表层涂覆聚酰亚胺树脂，制得具有皮芯结构的聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料，特别是将上述材料应用于环保滤料行业，不但价格低廉，同时可大幅度提高过滤材料的使用寿命和过滤效果，具有较好的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明作进一步的了解，现结合附图对其作具体的说明。
如图1所示，本发明所述的一种聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料，其特征在于：其具有皮芯结构，所述的皮芯结构包括芯层1和皮层2，其中芯层1为玻璃纤维，玻璃纤维采用偶联预处理的玻璃纤维，芯层1外包覆有皮层2，所述的皮层2由聚酰亚胺、氟树脂、超细碳酸钙、偶联剂、抗静电剂、稀土制成。
图中，1是芯层，2是皮层。
实施例1
聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料的制备工艺为：
1）对填料进行表面预处理，以重量份计，将20份的超细碳酸钙和2份的市售的铝酸酯偶联剂依次加入到高速混合机中，温度为80℃，混合均匀后形成超细碳酸钙，备用；
2）对玻璃纤维进行偶联预处理，以重量份计，用4份的铝酸酯偶联剂对100份线密度为300dtex的中碱玻璃纤维（型号CC11-133*2，南通海玻玻璃纤维有限公司产）表面进行预处理获得偶联预处理的玻璃纤维，备用；
3）制备聚酰胺酸中间体纺丝液，以二甲基乙酰胺为溶剂，由联苯四羧酸二酐与间-二甲苯基二胺单体于10℃低温合成聚酰胺酸中间体纺丝液，为常规技术；
4）以重量份计，将步骤1）获得的超细碳酸钙、15份的分散型聚四氟乙烯树脂、0.5份的导电石墨抗静电剂、0. 5份的硬脂酸铈稀土和0.5份的邻苯二甲酸二辛酯（DOP）加入到步骤3）获得的100份的聚酰胺酸中间体纺丝液中，并搅拌均匀获得改性的聚酰胺酸中间体纺丝液，备用；
5）将步骤2）进行偶联预处理后的玻璃纤维浸渍于步骤4）获得的改性的聚酰胺酸中间体纺丝液中，在偶联预处理后的玻璃纤维的表层涂布、包覆一层聚酰胺树脂；
6）将步骤5）获得的聚酰胺树脂进行亚酰胺化处理，以10℃/min的升温速率升温至200～250℃，并恒温1.5～3.0 h，使聚酰胺脱水环化转化为聚酰亚胺；
7）将步骤6）获得的聚酰亚胺复合材料经冷却后收卷，获得本发明所述具有较高强度和韧性的复合过滤长纤维材料，其线密度为550dtex，断裂强力为3.3cN/ dtex,抗拉强度为31cN/ tex，于260℃恒温30min的条件下热收缩率小于1%。
实施例2
复合过滤针刺毡的制备工艺为：
1）将实施例1的步骤7）获得的复合过滤长纤维进行卷曲处理，并进行热定型后剪切为52～54mm的复合过滤短纤维，该复合过滤短纤维的卷曲度为12～18个卷曲/52mm。
将实施例1的步骤7）获得的复合过滤长纤维编织为基布，单位平方米的复合过滤长纤维克重为400g。
2）采用气流铺网，将步骤1）获得的复合过滤短纤维经过本领域常规技术预开松→主开松→梳理→叠网工序，获得纤维层。
3）将上述步骤2）所得的纤维层均匀地铺在基布的上、下表面，依次经过预针刺→主针刺工艺，将短纤维与基布复合在一起，并经过热定型、烧毛、压光处理工序，制成耐高温耐腐蚀的复合过滤针刺毡。
复合过滤针刺毡的单位平方米的实施例1）获得的聚酰亚胺复合材料克重为740g，纵向强度为1050N/25mm，横向强度为925N/25mm，过滤阻力为17.92Pa,过滤效率为93.64%，长期使用温度为260℃，短期使用温度为320℃，过滤精度高，具有较高的粉尘过滤效果。
实施例3
以二甲基乙酰胺为溶剂，由联苯四羧酸二酐与间-二甲苯基二胺单体于10℃低温合成中间体聚酰胺酸，为常规技术。
按重量百分数计，所述皮层的用量为：聚酰胺酸100份，聚偏氟乙烯树脂10份，超细碳酸钙（1250目，福建万旗非金属材料有限公司产）10份，硅烷偶联剂（乙烯基三乙氧基硅烷）1份，导电石墨0.3份，硬脂酸铈稀土0.5份，邻苯二甲酸二辛酯（DOP）增塑剂0.5份；芯层1为玻璃纤维，玻璃纤维（型号CC11-48*9，南通海玻玻璃纤维有限公司产）的线密度为400 dtex。
按实施例1的制备工艺制得聚酰亚胺复合材料，经冷却后收卷，获得本发明所述具有较高强度和韧性的复合过滤长纤维材料，其线密度为600dtex，断裂强力为3.7cN/ dtex,抗拉强度为33cN/ tex，于260℃恒温30min的条件下热收缩率小于1%。
实施例4
按实施例2的制备工艺分别制得了复合过滤短纤维和基布，基布的单位平方米含有实施例1）获得的聚酰亚胺复合材料克重为368g。
按照实施例2的复合过滤针刺毡的制备工艺，采用本领域常规技术的气流铺网，将复合过滤短纤维依次均匀地铺于基布的上、下表面，经过本领域常规技术的预开松→主开松→梳理→叠网→预水刺→主水刺工艺，将短纤维与基布复合在一起，并经过热定型、烧毛、压光处理工序，制成耐高温耐腐蚀的过滤针刺毡。
所述复合纤维过滤针刺毡的单位平方米的含有实施例3）获得的聚酰亚胺复合材料克重为650g，纵向强度为998N/25mm，横向强度为924N/25mm，过滤阻力为16. 48Pa,过滤效率为91. 87%，长期使用温度为250℃，短期使用温度为360℃，过滤精度高，具有较高的粉尘过滤效果。
Claims (8)
1.一种聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料，其特征在于：其具有皮芯结构，所述的皮芯结构包括芯层（1）和皮层（2），其中芯层（1）为玻璃纤维，玻璃纤维采用偶联预处理的玻璃纤维，芯层（1）外包覆有皮层（2），所述的皮层（2）由聚酰亚胺、氟树脂、超细碳酸钙、偶联剂、抗静电剂、稀土制成，按重量份计，其具体组分配方如下：
聚酰亚胺 100份；
氟树脂 0-20份；
超细碳酸钙 10-30份；
偶联剂 1-5份；
抗静电剂 0-3份；
稀土 0.1-5份；
加工助剂 0.5-2份；
所述氟树脂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物之一种或两种以上组合；所述加工助剂为润滑剂或增塑剂。
2.根据权利要求1所述的一种聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料，其特征在于：所述芯层的玻璃纤维的线密度为300～750dtex；玻璃纤维偶联预处理的方法为：对玻璃纤维进行偶联预处理，以重量份计，用4-5份的硅烷偶联剂或铝酸酯偶联剂对100份的玻璃纤维表面进行预处理，获得偶联预处理的玻璃纤维。
3.根据权利要求1所述的一种聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料，其特征在于：所述皮层的厚度为5～200微米。
4.权利要求1-3任一所述的聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）对填料进行表面预处理，以重量份计，将10-30份的超细碳酸钙和1-5份的偶联剂依次加入到高速混合机中，温度为70～90℃，混合均匀后获得表面预处理的超细碳酸钙，备用；
（2）对玻璃纤维进行偶联预处理，以重量份计，用4-5份的硅烷偶联剂或铝酸酯偶联剂对100份的玻璃纤维表面进行预处理，获得偶联预处理的玻璃纤维，备用；
（3）制备聚酰胺酸中间体纺丝液，以二甲基乙酰胺为溶剂，由联苯四羧酸二酐与间-二甲苯基二胺单体于10℃低温合成聚酰胺酸中间体纺丝液；
（4）以重量份计，将步骤（1）获得的表面预处理的超细碳酸钙、0-20份的氟树脂、0-3份的抗静电剂、0.1-5份的稀土和0.5-2份的加工助剂加入到步骤（3）获得的100份的聚酰胺酸中间体纺丝液中，并搅拌均匀，获得改性的聚酰胺酸中间体纺丝液，备用；
（5）将步骤（2）获得的偶联预处理的玻璃纤维浸渍于步骤（4）获得的改性聚酰胺酸中间体纺丝液中，在偶联预处理的玻璃纤维的表层涂布、包覆一层聚酰胺树脂；
（6）将步骤（5）获得的聚酰胺树脂进行亚酰胺化处理，以10℃/min的升温速率升温至200～250℃，并恒温1.5～3.0 h，使聚酰胺脱水环化转化为聚酰亚胺；
（7）将步骤6）获得的聚酰亚胺复合材料经冷却后收卷，获得复合过滤长纤维材料。
5.权利要求1-3任一所述的聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料制成的耐高温耐腐蚀编织的过滤毡。
6.根据权利要求5所述的过滤毡，其特征在于：聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料的线密度为550dtex，断裂强度为3.3cN/ dtex,抗拉强度为31cN/ tex，于260℃恒温30min的条件下热收缩率小于1%。
7.根据权利要求5或6所述的过滤毡，其特征在于：过滤毡具有上、中、下三层结构，其中上、下表层为由权利要求1-3任一所述的聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料制成的复合过滤短纤维针刺或水刺而成的过滤毡，中间层为由权利要求1-3任一所述的聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料制成的复合过滤长纤维针刺而成的基布。
8.根据权利要求5或6所述的过滤毡，其特征在于：所述过滤毡单位平方米的含有权利要求1-3任一所述的聚酰亚胺玻璃纤维复合过滤材料的克重为300～1200g。
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