膜裂温度对聚四氟乙烯纤维结构及性能的影响.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（下）-59-工 业 技 术聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）具有优异的物理和化学性能，例如优异的热稳定性（熔点约 327，分解温度 500）和耐化学性（不溶于常规有机溶剂，有塑料王之称），广泛应用于工业烟尘净化领域。在工业除尘领域，袋式除尘滤料已成为烟尘颗粒捕捉的核心材料，其结构为 PTFE 纤维针刺非织造材料表面覆合一层 PTFE 微孔膜或PTFE 乳液涂层1-5。现有 PTFE 膜裂纤维成型工艺中，经烧结和牵伸处理的PTFE 烧结膜喂入膜裂装置，经刚性针布分梳形成 PTFE 膜裂纤维6-7。然而，由于纤维成型工艺速度快（35m/min），喂入膜裂装置的 PTFE 烧结膜温度较高（100），制备获得的 PTFE 膜裂纤维内分子链运动剧烈、分子链堆砌结构易发生改变，导致 PTFE 膜裂纤维结构和性能发生改变，影响后续 PTFE 膜裂纤维加工。为降低热应力对 PTFE 膜裂纤维微观结构和宏观性能的影响，本研究引入液体冷却装置以快速降低 PTFE 烧结膜温度。考虑 PTFE 存在 2 个低温相变温度，分别为 19和30，因此调控膜裂温度分别为 10、25和 50，膜裂温度 135为常规工艺的温度作为对照样。1 试验部分1.1 试验材料PTFE 分散粉末购于中昊晨光化工研究院有限公司，型号为 CGF219，粒径分布为 0.1m0.5m。助挤油剂购自埃克森美孚公司，油剂为透明异构烷烃溶剂，密度为 0.748g/mL。1.2 PTFE 膜裂纤维成型PTFE 分散粉末与助挤油剂以质量比 80 20 搅拌混合获得糊料，然后将糊料静置于室温环境中 72h，再将其移至温度为 50的环境中静置 12h，使 PTFE 分散粉末与助推油剂充分融合。将静置后的糊料通过预成型、挤压成型和压延工艺处理获得压延膜（其成型工艺机理如图 1 所示）。其中预成型压力为 4MPa，挤压成型压力为 10MPa，压延膜厚度和幅宽分别为 0.2mm 别为和 220mm。该压延膜经除油工艺处理以蒸发压延膜内轻质助挤油剂，除油温度为 200，速度为 5m/min。除油后的压延膜经烧结和热牵伸加工制备获得 PTFE 烧结膜，同时将该烧结膜引入液体冷却装置，快速冷却后输送至膜裂辊，经刚性针布分梳制备获得低线密度PTFE 膜裂纤维。其中烧结温度和热牵伸温度分别为 400和 380，牵伸倍数为 6 倍，烧结膜速度为 35m/min。通过改变冷却液的温度以调控烧结膜进入裂膜辊的温度，分别为135、50、25和 10，进而制备获得不同结构的 PTFE膜裂纤维。在本研究中，采用的冷却液为液态水。1.3 测试表征傅里叶红外光谱仪（NICOLET5700is5，美国热电公司）波数扫描参数为 500cm-14000cm-1，分辨率为 4cm-1。PTFE膜裂纤维表观形态通过扫描电子显微镜（scanning electronic microscopy，SEM）获得SEM图片，该装置型号为COXEMEM-20（韩国 COXEM 公司），先将纤维样品固定于样品台，采用离子溅射仪对纤维样品表面进行喷金处理，溅射时间为 35s，离子电流为 20mA30mA。再将表面附着金层的纤维样品移至SEM 装置，通过调节焦距等参数获得 SEM 图片，再利用 Image Pro Plus 软件对纤维直径进行统计。X 射线衍射仪（型号为D8Advance，美国 Bruker 公司）被用于测试不同 PTFE 膜裂纤维内分子链堆砌排列特征，将 PTFE 膜裂纤维剪成小碎屑，而不用研钵研磨，以免破坏其内部分子结构，测试电压和电流分别为 40kV 和 35mA，2 的扫描范围为 5 60，扫描速度为5/min。PTFE 膜裂纤维力学性能通过单纤维强力仪（YG006，宁波大禾仪器有限公司）测试获得，纤维夹持长度 20mm，拉伸速度 10mm/min，每个规格纤维样品试验次数为 50 次。2 结果与讨论2.1 PTFE 纤维微观形态不同膜裂温度下制备获得的 PTFE 纤维微观形态如图 2所示。根据图 2 可知，PTFE 膜裂纤维截面为不规则的多边形，表面有裂缝，边缘较粗糙，含有微原纤，直径差异较大。该纤维纵向上存在较多沟槽且含分枝，该特征由膜裂成纤工艺决定。基金项目：中国博士后科学基金面上项目（项目编号：2020M671577）；江苏省先进纺织工程技术中心协同创新基金（项目编号：XJFZ/2021/9）。膜裂温度对聚四氟乙烯纤维结构及性能的影响朱天柱1李晨1林晓芳1卞建新2徐玉康1（1.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021；2.温州新宇无纺布有限公司，浙江 温州 325019）摘 要：聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）纤维具有优异的化学和热稳定性能，因此广泛应用于工业烟尘过滤材料领域。现有 PTFE 纤维的细度较大且纤维截面不规整。本研究引入液体冷却技术，通过降低膜裂温度来调控膜裂纤维结构和性能。研究结果显示在不同的温度下（135、50、25和10），随着温度降低，PTFE 膜裂纤维平均直径从41.64m 降至26.68m、再增至31.84m，纤维结晶度从63.26%逐步降至53.29%，纤维初始模量和断裂强度均呈现出先降低、后增加的变化趋势。本研究可为制备微细结构 PTFE 纤维提供理论依据。关键词：聚四氟乙烯纤维；烧结膜；液体冷却；膜裂中图分类号：TS151文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.3（下）-60-工 业 技 术当膜裂温度为 135时，PTFE 膜裂纤维截面形态的不规则轮廓差异较大，纵向表面有较多团块状材料附着在纤维表面。膜裂温度降低，纤维截面形状呈现扁平细长状的变化态，纤维边缘粗糙度增加，微原纤数目增多，纤维之间缠结增多。而 PTFE 烧结膜温度为 50和 25时，纤维的分支逐渐减少，表面沟槽也逐渐减少。当 PTFE 烧结膜温度为 10时，制备获得的 PTFE 膜裂纤维截面形状最接近圆形，纤维边缘最平滑，整体形态效果最好。由此可知，降低进入梳针辊的烧结膜温度能够提高 PTFE 膜裂纤维截面形态的规则程度，改善膜裂纤维截面形态的均匀性。2.2 PTFE 纤维红外特征本研究中不同 PTFE 膜裂纤维的 FITR 如图 3 所示。图 3显示，4 种不同的纤维在约 1200cm-11000cm-1和 700cm-1500cm-1范围内均具有特征性的吸收峰，这 2 处的特征峰表征 PTFE 材料中基团 CF2 和 CF3 的振动6。同时，4 种不同纤维样品的红外吸收特征峰对应的位置相同，表明4种PTFE膜裂纤维所含成分、化学基团相同，均不含其他杂质。膜裂温度为25时制备获得PTFE膜裂纤维的红外光谱吸收强度较高，这是由 PTFE 分子链排结构的形式发生变化，PTFE 螺旋结构的周期性排列变化引起的8。2.3 PTFE 纤维直径不同温度下制备获得的 PTFE 膜裂纤维直径和分布如图4 所示。如图 4 所示，当膜裂温度为 135时，PTFE 膜裂纤维分布在 25m55m，平均直径为 41.64m。当膜裂温度分别为 10、25和 50时，PTFE 纤维的直径集中分布分别在 939m、545m 和 1555m，纤维平均直径依次为22.75m、26.68m 和 29.88m。由此可知，PTFE 膜裂纤维平均直径随膜裂温度的降低呈逐渐降低的变化趋势。由于PTFE 膜裂纤维直径与烧结膜的分裂程度有关。出牵伸区的烧结膜温度为 220，经液体冷却装置快速冷却、烧结膜温度快速降低。随着进入梳针辊的烧结膜温度逐渐降低，PTFE分子链参与晶态有序排列的数量减少、分子链沿张力方向高度取向，从而提高烧结膜的可分裂性。2.4 PTFE 纤维结晶度根据图 5 可知，不同裂膜温度制备获得的 PTFE 纤维在衍射角度 2 为 18的位置附近均出现强衍射峰，表明不同膜裂温度制备获得的 PTFE 膜裂纤维晶体结构相似，即裂膜温度对 PTFE 纤维的晶体结构无显著影响。在衍射角度 2 为32和 37附近存在微弱衍射峰，表明在不同膜裂温度制备获得的 PTFE 膜裂纤维中的晶体中均存在相似的晶态缺陷，即注：（a）为预成型；（b）为挤压成型和压延成膜；（c）为除油和烧结牵伸；（d）为冷却；（e）为裂膜。图 1 PTFE 纤维成型机理图图 3 不同冷却温度的 PTFE 纤维 FTIR波数/cm-1图 2 不同温度下 PTFE 膜裂纤维表观形态中国新技术新产品2024 NO.3（下）-61-工 业 技 术PTFE 膜裂纤维晶体结构相似。在 XRD 衍射峰的强度和峰宽方面，随着裂膜温度的降低，PTFE 膜裂纤维的 X 射线衍射峰强度逐渐增加、衍射峰宽度逐渐降低，表明 PTFE 膜裂纤维内大分子链晶体结构均匀度高、晶粒尺寸均匀度高。基于衍射峰面积，当膜裂温度分别为 10、25、50和 135时，PTFE 纤维结晶度分别为 53.29%、57.84%、59.09%与 63.26%。随着膜裂温度的降低，PTFE 膜裂纤维结晶度表现出逐渐降低的变化趋势，表明 PTFE 膜裂纤维内大分子链参与有序排列的数量降低。2.5 PTFE 纤维力学性能不同裂膜温度下制备获得的 PTFE 膜裂纤维的力学性能见表 1。根据表 1 可知，随着裂膜温度的降低，PTFE 膜裂纤维的断裂强度和初始模量均呈先降低、后增加的变化趋势，初始模量从 148.5GPa 降至 106.7GPa、再增至 147.2GPa，断裂强度从 4.22GPa 降至 3.21GPa、再增至 5.54 GPa。该现象归因于 PTFE 膜裂纤维内分子链晶态排列结构和纤维尺度的变化。随着膜裂温度的降低，PTFE 膜裂纤维结晶度有所降低，导致纤维断裂强力降低。但在该条件下，烧结膜的分裂程度提高，PTFE 膜裂纤维的尺度降低，因此纤维的断裂强度变化显著性降低。当膜裂温度为 135时，PTFE 膜裂纤维具有较高的结晶度、较高的断裂强力，但纤维细度较高。随着裂膜温度降低，PTFE 膜裂纤维结晶度降低、断裂强力降低，但纤维内分子链未参与晶态排列的数量增加，分子链间相互接触作用的强度增加，使纤维的断裂强度增加。表 1 不同 PTFE 膜裂纤维力学性能裂膜温度断裂强度（GPa）初始模量（GPa）105.54147.2254.06125.1503.21106.71354.22148.53 结论本研究基于膜裂纤维成型工艺，通过调控烧结膜进入梳理辊的温度以制备不同PTFE膜裂纤维。随着膜裂温度降低，PTFE 膜裂纤维的纵向表面出现更多微纤，纤维间相互缠结点增加。膜裂温度不影响 PTFE 纤维分子基团结构且对纤维内分子链排列的结构形态没有显著性差异，但在一定程度上提高了分子链排列晶态结构和尺寸均匀性。在一定范围内，随着膜裂温度的降低，PTFE 膜裂纤维断裂强度和初始模量呈先降低、后增加的变化趋势，而纤维柔韧性会先增加、后图 4 不同 PTFE 纤维直径分布（a）10直径/m频率/%直径/m频率/%频率/%直径/m频率/%直径/m（b）25（c）50 （d）135图 5 不同 PTFE 纤维 XRD中国新技术新产品2024 NO.3（下）-62-工 业 技 术降低。参考文献1 寇婉婷，徐玉康，杨旭红.袋式除尘滤料的聚四氟乙烯后处理技术研究进展 J.现代丝绸科学与技术，2020，35（5）：34-40.2 聂孙建，梁燕，周冠辰，等.聚四氟乙烯复合过滤材料的覆膜工艺及其性能 J.现代纺织技术，2022，30（2）：85-92.3 何建良，朱海霖，刘国金，等.PTFE 发泡涂层整理对芳纶针刺毡滤料性能的影响 J.现代纺织技术，2021，29（2）：81-84，96.4 陈观福寿，朱小云，黄斌香.高性能聚四氟乙烯覆膜滤料的制备与性能研究 J.上海纺织科技，2012，40（9）：15-17，31.5 崔开慧，冯厦厦，周明，等.高温气相环境对 PTFE/PPS复合膜性能影响 J.膜科学与技术，2023，43（2）：49-58，67.6XU Y K，HUANG G C，JIN X YA comparative study of characteristics of polytetrafluoroethylene fibers manufactured by various processesJ.Journal of applied polymer science，2016，133（26）：43553.7XU Y K，WANG L，TIAN G L，et al.Manufacturing of polytetrafluoroethylenefine fibers by waterjet impactingJ.RSCAdvances，2021，11：36596-36606.8GUENOUNG，FAOUJY，REGNIERG，et al.PTFE Crystallization Mechanisms：Insight from Calorimetric and Dilatometric ExperimentsJ.Polymer，2020，193：122333.通信作者：徐玉康（1989-），男，江苏宿迁人，博士，副教授，研究方向为功能性非织造材料制备与应用。电子邮箱：。风电行业不断朝着“低风速、大容量”的目标经历了 10年的快速发展，风电叶片在长度方面不断更新，5 年内叶片平均长度由 50m 快速发展到百米级，作为风电叶片力学结构的主要承载部件，主梁、腹板的粘接尤为重要。目前，行业内叶片 UT 检测多采用扫查架，人工分段检测主梁和腹板的粘接情况，以保证叶片主梁、腹板的结构和工艺性能1。该检测设备主要包括 2 个结构，即贴合在叶片外侧的检测探头和中控处理设备。在检测扫描作业过程中，需要配备 2 个检测探头的固定操作人员2。整个作业过程由1 人负责操控电脑，1 人在叶片外侧刷涂检测液，2 人手抬检测探头贴合在叶片外侧，共 4 人操作，造成了极大的人员浪费。同时针对小腹板位置的检测作业，还需要配第 5 名操作人员协助 2 名手抬检测探头的人员完成登高作业，费时费力。因此本文探究了扫查架检测优化技术，通过对检测探头进行 5 个自由度的调整，实现检测探头全方位移动，取消手抬设备、协助登高的无效操作，优化操作员工。1 技术路线1.1 自由度研究为使扫查架满足所有叶片的作业，需要保证该检测探头能够实现 5 个自由度的调整（包括 3 个平动自由度和 2 个转动自由度）3-4，如图 1 所示，即叶片轴向的前/后移动 x、叶片弦向的左/右移动 y、叶片高度的上/下移动 z、叶片轴向的转动 和叶片弦向的转动。1.2 检测方式对扫查架检测优化技术的检测方式进行模块划分，主要分为平移方式研究、升降方式研究以及检测探头固定方式研究。在实际检测过程中，优化后的扫查架可实现 2 人操作，作业流程如下。1）人工推动扫查架，将其移动到主梁（或副梁）的正前方。2）调整检测探头的轴向角度，保证检测叶片UT检测用扫查架的开发及应用赵康南赵明岗孔志国付文豪孙立恒（中材科技（邯郸）风电叶片有限公司，河北 邯郸 056000）摘 要：随着风电叶片的不断升级，叶片的安全系数逐渐降低，使客户对叶片各项工艺要求更严格。风电叶片成型后，使用 UT 扫描设备检测主梁腹板的粘接和灌注质量，以保证叶片后期的高性能作业。在 UT 检测过程中，员工使用“C 扫”支架将检测探头贴合在叶片外侧，由2名员工手抬检测探头，实现支架转移。整个过程由1人操作设备，1人在叶片表面刷涂检测液，2人进行设备搬运转移，存在人员浪费问题。本文介绍了一种叶片 UT 检测用的扫查架及其与常规检测方法相比的优势，验证了该技术的应用价值。实践表明，与常规检测方法相比，该技术可优化2名操作人员，实现2人操作，并且其检测的有效性均能满足性能要求，具有较高工程应用价值。关键词：风电叶片；UT 检测；扫查架中图分类号：TM614 文献标志码：A图 1 自由度示意图ZXyzyx（高度）（轴向）（弦向）