PI纤维的耐腐蚀性研讨
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本文作者：李玲玲 刘庆生 邓炳耀 单位：江南大学非织造技术与新材料研究中心 江南大学生态纺织教育部重点实验室
聚酰亚胺(pi)纤维具有高模量、耐高温、耐腐蚀、耐辐射、阻燃、无毒等优良性能，能满足高温烟气过滤领域对滤料性能的基本要求，因此PI纤维是一种重要的耐高温过滤材料［1-2］。工业排放的高温烟气一般都呈酸性或碱性，所以易出现烟气低温结露或碱性物质潮解腐蚀滤料的情况，使滤料在短时间内产生表面结垢甚至堵塞，导致运行阻力过大，清灰性能降低或造成滤袋破损，过滤性能失效，降低滤料的使用寿命［3-4］。因此，滤料具有良好的耐酸碱腐蚀性是保障除尘设备长期稳定运行的重要条件［5］。基于高温滤料使用的环境，本文研究了不同种类、不同质量分数的酸和碱在不同温度下，对PI纤维物理机械性能和表观形貌的影响，以期对PI纤维高温滤料进一步的研究和实际应用提供参考。
1试验部分
1．1原料PI纤维，长春高琦聚酰亚胺材料有限公司;质量分数为95%～98%硫酸，质量分数为36%～38%盐酸，质量分数为65%～68%硝酸，固体氢氧化钠，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司;蒸馏水。
1．2仪器JA2003N型电子天平，上海菁海仪器有限公司;76-Sa型温度控制仪，上海标本模型厂;DGG-9070B型电热恒温鼓风干燥箱，上海森信实验仪器有限公司;YG001N型电子单纤维强力仪，南通宏大实验仪器有限公司;XD-1型纤维细度仪，上海利浦应用科学技术研究所;JSM-5600LV型扫描电子显微镜，日本JEOL公司。
1．3试验方法
1．3．1酸碱处理取15gPI纤维平均分成10份，1份作为对照样，其余9份按表1中的试验条件进行酸碱处理。在试验规定的时间点进行取样，样品用蒸馏水进行充分清洗，直到pH值为7，然后放入80℃的鼓风干燥箱内烘干，4h后取出放入干燥器中冷却，得到待测样品。
1．3．2力学性能测试对试样进行拉伸试验，对照样和每种被处理的样品各取50根纤维，测试纤维的断裂强度和断裂伸长率，取平均值。测试标准参照《化学纤维短纤维拉伸性能试验方法》(GB/T14337—2008)［6］，测试条件:拉伸速度20mm/min，夹持距离20mm，预加张力0．5cN/dtex。然后根据式(1)和(2)计算得到断裂强度保持率和断裂伸长保持率。
1．3．3表观性能检测采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜对处理前后的纤维形貌进行观察，扫描电压为10．0kV，放大倍数为5000倍。
2结果与分析
2．1酸对PI纤维的影响
2．1．1酸对PI纤维力学性能的影响对照样PI纤维的断裂强度为4．7cN/dtex，断裂伸长率为17．1%。图1为PI纤维分别在25与85℃条件下，经不同质量分数H2SO4溶液处理后的断裂强度保持率和断裂伸长保持率随时间的变化曲线图。从图1中可以看出，PI纤维的断裂强度保持率和断裂伸长保持率随着硫酸处理时间的延长有一定程度的下降，且变化趋势大致相同。从图1(a)与图1(c)以及图1(b)与图1(d)比较明显看出，纤维在相同质量分数H2SO4溶液中处理相同时间，温度越高，纤维断裂强度保持率和断裂伸长保持率下降越明显。例如:从图1(a)和图1(b)中可知，在25℃温度下，经36%硫酸浸泡的纤维强度保持率在80%上下波动，断裂伸长保持率在70%上下波动，84h时断裂强度保持率为78．3%，断裂伸长保持率为64．9%。而图1(c)和图1(d)中，在85℃条件下，经36%硫酸浸泡的纤维强度保持率在60%上下波动，断裂伸长保持率在50%上下波动，84h时断裂强度保持率下降为50．7%，断裂伸长保持率下降为42．3%。从图1(c)和图1(d)中可看出，纤维在相同温度处理相同时间，硫酸质量分数越高，纤维的断裂强度保持率和断裂伸长保持率越小。图2和图3分别为HNO3和HCl溶液的质量分数和处理时间与PI纤维的断裂强度保持率和断裂伸长保持率之间的关系图。从图中可看出，经HNO3和HCl溶液处理后的PI纤维的断裂强度保持率和断裂伸长保持率随时间变化的趋势与图1中的大致相同。图4为PI纤维在85℃下经质量分数36%的三种酸处理后得到的曲线图。从图中可以明显地看出，PI纤维的断裂强度和断裂伸长率受H2SO4溶液的影响比较小，而受HNO3、HCl溶液的影响比较明显，影响程度从小到大依次为H2SO4、HNO3、HCl溶液。这是因为，酸对PI的水解具有催化作用，导致纤维的力学性能在某种程度上降低;另外，HNO3具有强氧化性，所以进一步腐蚀了PI纤维;PI纤维在浓HCl溶液中断裂强度迅速下降，并非由于水解作用所致，可能是由于溶解造成的［7］。
2．1．2酸对PI纤维表面形态的影响从酸对PI纤维力学性能影响的试验结果中可知，处理时间越长、温度越高，纤维被酸腐蚀越严重，所以纤维表面形貌可能被破坏得越明显。选择原样和85℃下经质量分数36%的酸处理后的纤维试样进行电镜扫描，观察纤维表面形貌的变化。图5为PI纤维在85℃下经质量分数36%的三种酸处理前后的SEM图，从图5(a)中可以看出，未处理的PI纤维表面光洁无痕;从图5(b)中观察到，经H2SO4溶液处理3h后，纤维表面比较光洁，说明其对PI纤维的腐蚀较小;从图5(c)中看到，经H2SO4溶液处理84h后，纤维表面粗糙，有凸起;从图5(d)中可以看到，经HNO3处理3h后，纤维表面粗糙，有凸起和不规则条痕;从图5(e)中可以看到，经HCl溶液处理3h后，纤维表面出现明显裂纹，说明其对PI纤维腐蚀较严重。同时从图5(d)和图5(e)中可以观察到，PI纤维变细。从纤维腐蚀程度上可以明显看出，HCl溶液对纤维的腐蚀最强，其次是HNO3，H2SO4溶液最弱，这与纤维力学性能试验得到的结论相符合。
2．2碱对PI纤维的影响
2．2．1碱对PI纤维力学性能的影响图6为PI纤维经质量分数为5%和10%的NaOH溶液处理后纤维的断裂强度保持率和断裂伸长保持率随时间的变化曲线图。从图中可以看出，PI纤维的断裂强度保持率和断裂伸长保持率受NaOH溶液的影响较大。经5%NaOH溶液25℃处理30min后，PI纤维的断裂强度保持率和断裂伸长保持率分别下降到46．9%和51．4%;而经10%NaOH溶液室温处理30min后，PI纤维的断裂强度保持率和断裂伸长保持率分别下降到31．6%和31．4%。浸泡在85℃NaOH溶液中的PI纤维很快水解，图6(c)和图6(d)为PI纤维浸泡30min前后拍摄的照片，明显看出在质量分数5%的NaOH溶液中浸泡30min后，纤维部分水解，使得透明无色的NaOH溶液变为金黄色混合液;在质量分数10%的NaOH溶液中的纤维完全水解，使得NaOH溶液又变为透明液体。这是因为，PI纤维水解时，尤其是在碱性介质中，首先是聚亚胺环受到—OH的进攻，开环成为聚酰胺酸或其盐，然后酰胺键进一步水解，大分子链断裂，形成胺和二酸或其盐［8］。
2．2．2碱对PI纤维表面形态的影响图7为PI纤维在25℃下经质量分数为5%和10%的NaOH溶液处理30min前后的SEM图。从图中可看出，经5%NaOH溶液处理后的PI纤维表面变得粗糙，纤维变细且出现较明显的条痕;经10%NaOH溶液处理后的PI纤维表面损伤严重，纤维变细且出现明显的裂痕。这也说明NaOH溶液对PI纤维的腐蚀很大，PI纤维的耐碱性能差。
3结语
(1)力学性能测试和SEM分析得出:PI纤维有较好的耐H2SO4性能，耐HNO3和HCl溶液性能一般，耐酸性依次为H2SO4＞HNO3＞HCl溶液;纤维随着温度的升高或溶液质量分数的增加耐腐蚀性能变差。(2)PI纤维的耐碱性能差，故不适合在碱性环境中使用。