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青岛大学宁新教授团队:一种具有抗氧化性、疏水性的聚苯并恶嗪表面涂层改性聚苯硫醚纤维的制备及其在恶劣环境下的空气过滤应用研究,中国化工网,okmart.com
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青岛大学宁新教授团队:一种具有抗氧化性、疏水性的聚苯并恶嗪表面涂层改性聚苯硫醚纤维的制备及其在恶劣环境下的空气过滤应用研究
2022年04月13日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

聚苯硫醚(PPS)纤维由于其分子独特的芳香硫化物骨架,制备得到的PPS无纺布能够有效的应对高温和酸碱腐蚀性服役环境,成为广泛应用的高温过滤材料。然而,PPS纤维依然会受到环境中的强氧化气体以及水汽的作用而发生大分子链断裂和降解,从而限制着PPS纤维的环境耐候性与使用寿命的进一步提高。青岛大学非织造材料与产业用纺织品创新研究院宁新教授团队报道了一种新型连续PPS纤维改性工艺方法,将聚苯并噁嗪(PBA)前驱体涂覆在PPS纤维表面,并在处理过程中进行聚合(图 1),在PPS纤维上形成一层纳米级PBA涂层,以此增强其无纺布在恶劣环境中的耐热抗氧化性和结构稳定性中国化工网okmart.com。同时,PBA涂层可以在纤维和无纺布上形成疏水表面,降低水汽和酸性气体对PPS无纺布的侵害。此外,均匀的纳米级PBA涂层的应用也进一步提高了PPS无纺布的力学性能和对颗粒物的捕获能力。相关工作以“Polyphenylene sulfide fabric with enhanced oxidation resistance and hydrophobicity through polybenzoxazine surface coating for emission control in harsh environment”为题发表在《Journal of Hazardous Materials》。本文通讯作者为青岛大学宁新教授和王健助理教授,第一作者为青岛大学纺织服装学院硕士研究生白明琪。

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图 1原位聚合法制备复合材料无纺布示意图及PBA热交联反应式


作者通过拉伸试验研究了PPS及其复合无纺布在230℃热处理和93℃下硝酸腐蚀等不同处理时间的力学性能。如图 2(a, b, c)所示,随着酸腐蚀时间的延长,PBA-PPS复合材料无纺布继续保持高于原PPS无纺布的模量,抗拉强度退化速度明显放缓。酸处理24 h后,该复合无纺布的拉伸强度保持率高于PPS无纺布。显然,PBA涂层可以有效延缓和阻断硝酸在PPS纤维表面引起的氧化,从而提高无纺布的耐酸性能。利用扫描电镜(SEM)观察酸处理72 h后无纺布的表面形貌,如图 2(d)所示。由于PBA涂层的存在,无纺布表面没有出现明显的损伤或颗粒,验证了PBA涂层在硝酸条件下对PPS纤维的保护作用。值得注意的是,PBA涂层有效减缓了无纺布模量的降解,而提高的模量保持率有利于滤布在使用过程中抵抗机械变形或泄漏,从而延长使用寿命。

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图 2(a) PPS及其复合无纺布在酸处理24、48、72 h后的应力应变图,(b)杨氏模量和(c)拉伸强度保持率;72 h酸洗前后无纺布的SEM显微图:(d)原PPS, (e) PBA-PPS;(f)酸处理72 h前后PPS和PBA-PPS无纺布样品的光学图


此外,作者还表征分析了改性无纺布表面的润湿性,PBA涂层的引入显著提高了PPS无纺布的疏水性,如图 3(a,b,c)所示,PBA-PPS复合无纺布和膜的表面水滴的接触角均大于PPS无纺布和膜。这一结果也表明了PBA包覆的PPS纤维具有较好的疏水性。另外,PBA涂层有效地将PPS薄膜的表面能从31 mJ/m2降低到27 mJ/m2,这也解释了PBA-PPS无纺布的疏水性。较高的疏水性有助于提高无纺布的耐酸性,特别是当无纺布暴露在低于酸露点温度下的时候。


图 3(a) PPS无纺布和(b)PBA-PPS无纺布上的动态水滴接触过程和水的接触角。(c)测试液体(水、EG和DIM)滴在PPS薄膜和PBA-PPS薄膜上的接触角度和照片。(d)采用酸碱模型计算的薄膜样品的表面能组分,样品的总纤维表面能(γ)在每条上方表示,Lifshitz-van der Waals (γ LW)和酸碱(γAB)表面能组分用不同的颜色区分


最终,作者评价了PBA涂层对PPS无纺布过滤性能影响,结果如图 4所示。PBA-PPS无纺布在不同风速下对PM10-2.5的去除率始终优于PPS无纺布,这是由于涂层处理后纤维之间的堆叠更加紧密,无纺布的孔径显著减小(图 4e)。此外,还对热处理无纺布和酸处理无纺布的过滤性能进行了评价,以探索过滤材料对复杂环境的耐受性,经热处理或酸处理后,PPS和PBA-PPS无纺布的去除率均有所提高。此外,也对高温环境对无纺布PM2.5去除性能进行了评价,在200℃高温环境下,PBA-PPS无纺布的PM2.5去除效率优于原PPS无纺布。因此,作者开发的PBA-PPS无纺布在未来的高性能空气过滤材料领域具有广阔的应用前景。


图 4 (a)不同面速下PPS和PBA-PPS无纺布的PM10-2.5去除率和压力降。(b) PPS和无纺布在去除PM10-2.5时的长期除尘性能(表面速度:0.03 m/s)。(c)不同粒径PM相关面料的去除效率(面速:0.03 m/s)。(d)热处理和酸处理前后,PPS和PBA-PPS无纺布的PM10-2.5去除效率和压力降(表面速度:0.03 m/s)。(e)相关组构的孔径分布曲线。(f)有关无纺布样品的照片


标签:纺织化纤化工应用技术中心今日头条塑料
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