聚苯硫醚长丝的光及热稳定性研究

姜兆辉+孙航+郭增革+贾瞾+金剑+肖长发

摘要：聚苯硫醚（PPS）纤维是耐高温过滤材料的首选原料。本文通过表面形态观测和力学性能测试，研究了聚苯硫醚初生长丝的热稳定性和光稳定性。结果表明，干热空气处理对PPS长丝的断裂伸长率影响较大，而对断裂强度的影响较小；沸水处理显著影响纤维的断裂强度而断裂伸长率变化较小。因此，PPS长丝适于干热环境下的过滤材料。经光照处理后，PPS长丝的断裂强力和断裂伸长率均显著下降，其光稳定性较差，不适于直接暴露在日光下的户外环境。

关键词：PPS纤维；过滤材料；热稳定性；光稳定性

中图分类号：TQ317.2 文献标志码： A

Study on Photostability and Thermal Stability of PPS Filament

Abstract： PS fiber is an ideal high temperature-resistant filtration material. The paper investigates the photostability and thermal stability of PPS as-spun fiber by means of surface morphology observation and mechanical property test. The results show that after dry and hot air treatment， the elongation at break of PPS fiber varies greatly and the breaking tenacity changed slightly， while boiling water treatment has significant influence on the breaking tenacity but little influence on the elongation at break. Therefore， PPS fiber is suitable for being used as filtration material under dry and hot environment. After light treatment， both breaking tenacity and elongation at break of PPS fiber decrease significantly， and the photostability is poor， so PPS fiber is not suitable for being directly exposed to outdoor environment.

Key words： PPS fiber； filtration material； thermal stability； photostability

聚苯硫醚（PPS）纤维又称对苯硫醚纤维或者聚苯撑硫醚纤维，具有优良的耐化学腐蚀性、耐热性以及优异的力学性能等，因此广泛用于工业过滤织物，如水泥厂烟气过滤材料、热电厂燃煤锅炉的除尘袋、垃圾焚烧烟气过滤材料及工业阻燃材料等。目前，在高温过滤领域，PPS纤维是首选过滤材料，但较差的耐光性是制约其发展的瓶颈。因此，研究PPS纤维的热稳定性和光稳定性，对于其在高温户外环境中的应用具有较强的指导意义。

1 实验部分

1.1 原料

PPS初生长丝，中国纺织科学研究院；甘油，天津市致远化学试剂有限公司，分析纯。

1.2 纤维性能测试

1.2.1 直径测量及表观形态观测

利用带有CCD（Panasonic，WV-CP500D）照相的HD002C型纤维细度分析仪，采用投影法测量纤维的细度；借助甘油将纤维束离散成单纤维状，测试50根纤维的直径数据，并观测纤维的纵向表观形态。

1.2.2 线密度测试

式（1）中，Tt为实测线密度，dtex；mi为各实验样品所称质量，g；n为纤维长丝根数；f为实验样品测试总次数；L为单个实验样品的测试长度，m。

式（2）中，Tti为各次测试的线密度，dtex；Tt为平均线密度，dtex。

1.2.3 力学性能

利用YG001N+型电子单纤维强力仪，实验依据GB/T14344 —2008《化学纤维长丝拉伸性能试验方法》。利用电子单纱强力仪测试5组PPS单纤维的断裂强力、断裂强度、断裂伸长、断裂伸长率等，取其各项力学性能指标的算术平均数作为该实验样品的力学性能指标。实验过程中单位线密度预加张力为（0.05±0.01）cN/dtex，隔距长度为20mm，拉伸速度为20mm/min。

1.2.4 耐热性能

依据GB/T6505—2008《化学纤维长丝热收缩率试验方法》，采用热空气和沸水两种方式处理。处理后，通过纤维细度分析仪观察两种不同方式处理后PPS长丝表面形态的变化，并利用电子单纤维强力仪测试其力学性能。热空气处理在150℃的烘箱中，将PPS长丝分别处理 8、16和24h；将PPS纤维对折平放，用白坯布包好，放入沸水中分别处理10、20、30及40min，自然晾干后进行测试。

1.2.5 耐光性能

将PPS长丝分别在光照条件下曝晒5和10天，通过显微镜观测其表面形态的变化，并测试其力学性能的变化，以力学性能的保持率表征PPS纤维的耐光照程度。

2 结果与讨论

2.1 纤维的线密度及表观形态

根据20组线密度测试结果，PPS长丝的平均线密度为15.61 dtex，变异系数为0.131%。其条干均匀度较好。依据式

式（3）中，d为纤维的直径，mm；δ为纤维的密度值，PPS纤维取1.3g/cm3，据此纤维直径的计算值为39.10μm，而利用纤维细度分析仪，测试平均直径为37.05μm，两者相当。因此，线密度取值15.61 dtex较为合理。

图1为PPS长丝的表观形态图。由图1（a）可知，PPS纤维表面比较光滑、有光泽，纤维粗细比较均匀。PPS纤维的横向截面形态如图1（b）所示，可看出PPS纤维截面呈近似圆形结构。目前，市场上除尘过滤材料中的PPS纤维多为圆形截面，但日本东洋纺开发出了三叶形的PPS纤维，其比表面积远大于圆形截面PPS纤维，更适合制作过滤材料。

2.2 纤维的力学性能

图 2 为PPS长丝的负荷-伸长曲线。由图可知，PPS纤维的断裂强力和断裂伸长值较为集中，纤维力学性能的均一性较好，可任意取样。本研究共测试5组试样，每组试样测试10根纤维，力学性能数据如表1所示。PPS初生长丝的断裂强力为15.96cN，断裂强度为1.02 cN/dtex，断裂伸长达83.57mm，对应的断裂伸长率高达416.9%，PPS初生长丝具备良好的可加工性。PPS纤维分子结构中苯环和硫原子交替连接形成的刚性分子链赋予其良好的力学性能。

2.3 纤维的热稳定性

热空气处理前后PPS长丝的表观对比如图3所示。由图可知，经热空气处理后，PPS纤维表面失去了原有的光泽和柔软性，变得比较粗糙、硬挺。图4为150℃热空气处理不同时间后的PPS长丝表观形态。处理后纤维的颜色明显变深，并且出现了轻微的弯曲。随处理时间的延长，纤维表面出现轻微的损伤。150℃热空气处理24h后，纤维表面断断续续出现少许横向裂纹，其表面更粗糙。

图5为150℃热空气处理不同时间后PPS长丝力学性能的保持率。由图可知，经150℃热空气处理后，纤维的断裂强力略有下降，24h后其强力保持率仍在85%左右。可见，经150℃热空气处理后，PPS纤维仍可保持较高的断裂强力，而断裂伸长率大幅下降；经8h处理后，纤维断裂伸长保持率仅为13.89%；经16和24h处理后，纤维的断裂伸长保持率小于1%。由于所用纤维为初生长丝，其结构并不稳定，在热处理过程中发生了解取向，因此断裂伸长率显著降低。

经沸水处理后，纤维的表观形态如图6所示。沸水处理后，PPS长丝出现了轻微的收缩，发生溶胀后直径略有增大，条干出现轻微弯曲，纤维的光泽度略有下降，但优于热空气处理后的纤维。经沸水处理10min后，纤维遭受大面积的损伤，表面出现许多大大小小的凹坑；当沸水处理30min后，纤维表面除了大面积的凹坑之外，又出现了部分横向裂纹，纤维受损程度逐渐增大；沸水处理时间达40min时，纤维表面的受损程度明显增大，纤维表面逐渐变得不规则，并有刻蚀的痕迹。可见，PPS纤维在沸水环境下其表面会出现不同程度的损伤，且损伤程度随沸水处理的时间逐渐加重。因此，PPS纤维作为过滤介质，不适于湿热环境下的过滤。

经沸水处理不同时间后PPS纤维的力学性能保持率如图 7 所示。由图可知，纤维经沸水处理之后的断裂伸长保持率的变化较小，而对断裂强力的影响要大于对断裂伸长率的影响。断裂强力和伸长率均随沸水处理时间的延长呈先减小后增大的趋势。这是因为开始阶段初生长丝发生大分子的解取向，导致断裂强力和伸长率减小。随时间的延长，水分子逐渐渗入纤维内部，起到增塑剂的作用，刚性极强的PPS大分子链段柔性增强，导致大分子之间的缠结增多，因而断裂强力和断裂伸长率又开始增大。此外，在150℃的热空气中处理24h后纤维的断裂强力保持率仍在90%左右，而在沸水中20min强力保持率可降至60%左右。因此，沸水对纤维表观形态和力学性能的影响远大于干热空气，PPS纤维适于干态的热空气环境。

2.4 纤维的光稳定性

光照处理前后纤维的表观形态如图8所示。经光照后，纤维表面出现了零星的细小裂纹。图9所示为光照前后PPS纤维的负荷-伸长曲线。由图9可知，经光照后PPS纤维的断裂强度和断裂伸长率显著下降。表2为光照处理前后PPS纤维的力学性能指标。由表2可知，光照10天后，断裂强力保持率仅为47.42%，断裂伸长保持率为23.03%，并且纤维的断裂伸长率变异系数较大，断裂伸长较不稳定。因此，光照对PPS纤维力学性能的影响较大。

3 结论

本文首先通过纤维细度分析仪观测了PPS长丝的直径和横纵向表观形态，然后采用表观形态的变化和力学性能保持率分析表征了PPS纤维的热稳定性和光稳定性，得出如下结论：

（1）PPS初生长丝的截面近似圆形，纵向较光滑。PPS纤维分子结构中苯环和硫原子交替连接形成的刚性分子链赋予了其良好的力学性能。PPS初生长丝的断裂强度为1.02cN/dtex，断裂伸长率高达416.9%，具备良好的可加工性；

（2）干热空气处理对PPS纤维的断裂伸长率影响较大，断裂伸长保持率小于1%，而断裂强力保持率在85%左右；沸水处理显著影响PPS纤维的断裂强力，而对断裂伸长率影响较小。随沸水处理时间的延长，纤维的断裂强度和断裂伸长率均先减小后增大。因此，PPS纤维较适于干热、而非湿热环境下的过滤材料；

（3）经过光照处理后，PPS纤维的断裂强力和断裂伸长率均显著下降。光照10天后，其断裂强力保持率仅为47.42%，断裂伸长保持率为23.03%，PPS纤维的光稳定性较差，因此不适于直接暴露于日光下的环境。

参考文献

[1] 张强. PPS与膜裂PTFE水刺耐高温过滤材料的制备与性能研究[D]. 上海：东华大学，2014.

[2] 孟潇，陈勇，孙晓祎，等. 线性高分子聚苯硫醚的合成及溶助剂循环利用的研究[J]. 现代化工，2012，32（2）：36-40.

[3] 黄炜，郑奎照，郑辉东，等. 电袋复合除尘器内烟气成分对聚苯硫醚滤料的影响[J]. 高分子材料科学与工程，2013， 29（11）：36-41.

作者简介：姜兆辉，男，博士，讲师，主要研究方向为功能性纤维的结构与性能。

通讯作者：姜兆辉，E-mail：tjjzh_2005@163.com。

作者单位：姜兆辉、孙 航、郭增革、贾 瞾，山东理工大学纺织服装学院；金 剑，中国纺织科学研究院生物源纤维制造技术国家重点实验室；肖长发，天津工业大学省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室。

基金项目：科技部国家科技支撑计划（2013BAE01B03）；山东省自然科学基金（ZR2014EMP004）；山东省高等学校科技计划项目（J14LA56）；生态纺织教育部重点室（江南大学）基金项目（KLET1401）。