高翼強張 威李向紅

(1.河北科技大學(xué)紡織服裝學(xué)院,石家莊,050031; 2.河北省紡織服裝工程技術(shù)研究中心,石家莊,050031)

錦綸與 PPS纖維過濾材料磨損破壞機理探討

高翼強1,2張 威1,2李向紅1,2

(1.河北科技大學(xué)紡織服裝學(xué)院,石家莊,050031; 2.河北省紡織服裝工程技術(shù)研究中心,石家莊,050031)

在分析采用含粉體顆粒氣流沖擊纖維材料測試抗磨損性能方法的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了一套基于磨損前后纖維的拉伸強度變化測試?yán)w維過濾材料抗磨損性能的測試系統(tǒng),利用該系統(tǒng)對錦綸和 PPS纖維進行沖擊磨損實驗,通過對磨損前后纖維電子顯微鏡照片的觀察與分析,探討了兩種纖維不同的磨損破壞機理。

錦綸,PPS纖維,過濾材料,磨損破壞機理,拉伸強度,測試

0 引言

能源工業(yè)、建材工業(yè)高速發(fā)展,有色冶金、鋼鐵工業(yè)中排出廢氣除塵的需求以及有效能源的回收和利用的需求不斷提高,對纖維過濾材料的使用量和性能提出了更高的要求,特別是我國煤電廠鍋爐排氣從基本使用靜電除塵正在逐步向靜電除塵和袋式除塵組合方向轉(zhuǎn)移,更為纖維過濾材料的使用拓展了巨大的市場空間。

紡織過濾材料的種類越來越多,使用范圍也越來越廣,但是對過濾材料抗磨損性能的研究卻很少,且進展相當(dāng)緩慢。主要原因就是纖維過濾材料本身具有柔軟多孔的特征,且纖維本身的質(zhì)量很輕,原來的磨損測試方法(基于磨損前后材料的質(zhì)量變化評價耐磨損特性的金屬材料磨損測試方法)不適應(yīng)[1-3],新的測試方法又沒有,導(dǎo)致這方面的研究長期停滯不前。

英國劍橋大學(xué)的兩位學(xué)者曾經(jīng)對纖維集合體材料的抗磨損性能進行了研究嘗試[4-5],在測試原理上具有重大創(chuàng)新,即:利用含有粉體顆粒的高速氣流對陶瓷纖維過濾氈進行沖擊磨損,待磨損一定時間后測量試樣上面的磨損坑的深度,以磨損坑的最大深度來衡量過濾材料的磨損程度。他們解決了質(zhì)量法金屬磨損測試方法無法測試?yán)w維制品的難題,使得纖維制品的磨損可以進行量化測試,但該方法也存在一些弊端。纖維制品尤其是氈狀制品本身松軟且含有大量孔隙,在受到外界壓力時會產(chǎn)生凹陷坑,也就是說即使沒有磨損由于高速氣流的沖擊材料也會有一定的凹陷。所以,采用沖擊磨損一定時間以后的磨損坑的最大深度值來間接衡量陶瓷纖維氈的磨損程度是有一定的誤差的。

1 新型纖維材料磨損性能測試系統(tǒng)

用于測量金屬材料磨損性能的實驗方法不能用來測量纖維過濾材料,因為高聚物纖維材料與金屬材料相比結(jié)構(gòu)蓬松、柔軟、孔隙多,質(zhì)量也小得多,加上粉體顆粒會充塞到纖維的孔隙當(dāng)中且不易洗去(金屬材料可通過洗滌除去表面黏附的粉體顆粒),磨損前后纖維的質(zhì)量差很難準(zhǔn)確獲得,即使測得質(zhì)量差,據(jù)此評價材料的抗磨損性能誤差也很大。為此筆者設(shè)計了一套新的實驗系統(tǒng),用于纖維在不同溫度條件下受高速氣流沖擊產(chǎn)生磨損破壞程度的測試。圖 1為該測試系統(tǒng)的測試原理示意圖。

圖1 高速氣流沖擊磨損測試系統(tǒng)

該測試系統(tǒng)由高速氣流產(chǎn)生裝置、粉體顆粒喂入裝置、加熱裝置、試樣夾持裝置、力學(xué)拉伸裝置、數(shù)據(jù)記錄處理裝置以及沖擊磨損箱組成。

該測試系統(tǒng)的測試原理就是利用纖維材料磨損前后的拉伸斷裂強力值來間接地衡量纖維的受磨損程度。纖維的粗細(xì)與纖維的強力有直接關(guān)系,所以絕對的拉伸斷裂值大小沒有比較意義,為了能夠?qū)Ω鞣N粗細(xì)的纖維受含粉體顆粒氣流沖擊后的磨損程度進行比較,定義了強力損失率物理量來表示受磨損程度大小。所謂強力損失率就是纖維材料磨損前后的拉伸斷裂強力差值占纖維原始強力的百分比。該測試系統(tǒng)的測試原理是基于纖維材料受磨損前后的力學(xué)性能的變化來間接地測試?yán)w維材料的磨損程度。其原理既不同于基于磨損前后質(zhì)量變化的金屬材料磨損測試方法,又不同于采用含粉體顆粒氣流沖擊磨損以材料磨損坑深度來衡量磨損程度的測試方法。需要指出的是,由于測試原理上的不同,本測試系統(tǒng)只適合測試?yán)w維、紗線、長絲以及其他的線形材料,不能測試氈狀和布狀的材料。

首先通過空氣壓縮機產(chǎn)生高壓空氣,并將高壓空氣存放于壓縮空氣罐當(dāng)中,高速氣流的溫度和壓力通過溫度控制器進行控制,加熱器對高壓空氣進行加熱。由一個型號為MODEL MF-1的微型振蕩喂入器將固體粉體顆粒加入到金屬管當(dāng)中,喂入量可以調(diào)節(jié)。金屬管各處管徑不同,出口處內(nèi)徑5 mm,出口到纖維試樣的距離是 20 mm(室溫條件下)。纖維試樣一端固定在帶有拉力傳感器的夾頭上,另一端固定在滑軌的夾頭上,滑軌的型號為EZHS3A-30,由日本OR IENTAL MOTOR有限公司制造。纖維被高速氣流沖擊一定時間以后,啟動滑軌夾頭,纖維被拉伸斷裂,相關(guān)數(shù)據(jù) (拉伸斷裂強力和斷裂伸長)由計算機記錄。拉伸速度可調(diào),兩個夾頭之間的夾持距為 550 mm。

2 實驗材料和條件

2.1 實驗材料

(1)PPS(聚苯硫醚)復(fù)合長絲,由日本東洋紡有限公司提供,規(guī)格為 250 tex/60 f;

(2)錦綸,纖維直徑 0.2 mm;

(3)粉體顆粒:白色的礬土研磨材料,顆粒直徑為 5～40μm,日本昭和電工株式會社提供。

2.2 實驗條件

(1)含粉體顆粒高速氣流噴出壓力 0.2 MPa;

(2)耐高溫噴管直徑 5.35mm;

(3)耐高溫噴管口到纖維試樣的距離 25 mm;

(4)粉體顆粒量 27.1 g/min;

(5)拉伸強力實驗的拉伸速度 25.1 mm/min;

(6)測試溫度

錦綸 室溫;

PPS纖維 從常溫到 150℃。

3 實驗研究及分析

3.1 研究內(nèi)容

實驗研究測試包括如下兩方面的內(nèi)容:

一是利用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡對磨損前后的纖維進行觀察,通過斷口處的形態(tài)來分析纖維受磨損的程度以及磨損破壞的機理。這方面的內(nèi)容是本文重點研究的。

二是對磨損前后的纖維力學(xué)性能進行測試,根據(jù)磨損前后纖維的拉伸斷裂強力值的大小來間接地反映纖維的受磨損破壞程度,這方面的研究結(jié)果已在筆者的相關(guān)論文中進行了詳細(xì)論述(《產(chǎn)業(yè)用紡織品》2009年第四期第 45～48頁和《紡織學(xué)報》2009年第 12期 121～124頁)。

3.2 錦綸磨損前后的外觀形態(tài)

3.2.1 錦綸

圖 2為實驗所用錦綸在磨損之前進行拉伸得到的纖維斷裂截面及表面的電子顯微鏡照片。從照片上可以清楚地看出纖維的表面非常平滑,斷口處也很平齊。

圖2 錦綸磨損前斷口及外觀形態(tài)

圖 3為錦綸受到不同時間的含粉體顆粒高速氣流沖擊磨損后的電子顯微鏡照片。從圖 3中不難看出錦綸磨損以后纖維表面變得粗糙,受沖擊磨損 2min時纖維直徑略粗于原始纖維,即纖維在磨損的初期是變粗了,而后隨著磨損時間的增加纖維的直徑逐漸變細(xì),斷口處也基本是平齊的。

圖 4為錦綸受沖擊磨損 4 min以后纖維表面局部放大的電子顯微鏡照片。這張照片更清楚地反映出了磨損以后錦綸的纖維表面狀態(tài),纖維的表面不僅粗糙,而且充滿了凹凸不平的小坑,被磨損的屑塊與纖維主體之間結(jié)合緊密。

3.2.2 PPS纖維磨損前后的外觀形態(tài)

圖 5為實驗所用 PPS纖維在磨損之前纖維表面的電子顯微鏡照片,可以清楚地看出纖維的表面非常平滑。圖 6所示為磨損一定時間 (2min)以后的 PPS纖維外觀。

比較圖 5和圖 6可以看出,磨損一定時間以后,PPS纖維的直徑不但沒有變細(xì),反而加粗了。

圖 7為 PPS纖維受沖擊磨損以后拉伸斷裂后的幾種有代表性的斷口形態(tài)。從總體上來講,PPS纖維受磨損后的外觀形態(tài)與錦綸磨損后的外觀形態(tài)完全不同;就 PPS纖維本身來講,纖維的磨損破壞形式也是各種各樣,但歸納起來可以分成兩大類,一類是磨損后纖維的直徑逐漸變細(xì),如圖 7(a)所示;另一類是纖維受到氣流中的粉體顆粒的切割作用,使得纖維受到切割,產(chǎn)生劈裂分叉,如圖 7 (b)、(c)、(d)和 (e)所示。

圖 3 磨損不同時間以后錦綸電子顯微鏡照片

圖 4 錦綸磨損 4 min后的纖維表面

圖5 無磨損的PPS纖維外觀

圖 6 磨損2 min后的 PPS纖維

圖7 PPS纖維各種磨損斷裂形態(tài)

3.3 磨損破壞原因分析

圖8和圖9所示為 PPS纖維經(jīng)高速氣流中的粉體顆粒沖擊切削后的形態(tài)局部放大照片。這種整根纖維或纖維的大部分被切斷和劈裂的破壞現(xiàn)象在錦綸的沖擊磨損過程中是沒有的,但在 PPS纖維的磨損中卻大量存在,且纖維劈裂的形態(tài)各異。經(jīng)過仔細(xì)研究分析,產(chǎn)生以上差異的原因可能有以下幾個方面:①兩種纖維的粗細(xì)不同,錦綸的直徑為 200μm,而 PPS單絲的直徑只有 20μm,粉體顆粒的直徑是 5～40μm,當(dāng)然粉體顆粒的直徑是呈一種分布的,即小的粉體顆粒 (5μm或比5μm稍大一些的,如 6、7μm等)和大的粉體顆粒(40μm或比 40μm稍小一些的,如 39、38μm等)是少數(shù),而介于 5～40μm的粉體顆粒應(yīng)該是占大多數(shù)。20μm左右的粉體顆粒全部或部分撞擊到 200μm粗的錦綸上,只能對纖維的表面產(chǎn)生局部的破壞;反過來,同樣大小的粉體顆粒如果撞擊到 20μm粗的 PPS纖維上,即使不是正中纖維的中心,也會切斷纖維的二分之一或三分之一,何況還有比20μm大的粉體顆粒的沖擊,這就是 PPS纖維出現(xiàn)大量切削狀磨損破壞的根本原因。由于纖維的粗細(xì)程度與過濾顆粒的直徑比不同,導(dǎo)致了纖維的磨損破壞機理不同,所以在纖維過濾材料選用時,應(yīng)根據(jù)過濾氣體中的粉體顆粒直徑的大小,合理地確定纖維的粗細(xì)。②測試的溫度不同,錦綸是在室溫條件下測試的,而PPS纖維是在較高溫度 (從常溫到 150℃)條件下測試的,兩者都屬于高聚物材料,除了纖維本身的強伸性能具有較大差異之外,都對溫度具有敏感性,隨著溫度的升高,脆性下降,韌性加強。故當(dāng)粉體顆粒撞擊到錦綸上時,由于錦綸脆性較大,撞擊碎片馬上脫落,纖維越來越細(xì),直到磨斷。當(dāng)粉體顆粒撞擊到耐高溫且機械性能較好的PPS纖維時,良好的韌性和高溫時的黏性使得碎片沒有馬上脫離纖維,而是強有力地黏附的纖維的外表面,所以纖維看上去比磨損之前更粗,且表面比磨損后的錦綸更加凹凸不平,顯得更加粗糙。

圖8 PPS纖維磨損產(chǎn)生的切割痕跡

圖9 PPS纖維磨損切削后的形態(tài)

4 結(jié)論

通過大量文獻(xiàn)查閱及對以前的纖維磨損測試原理及實驗方法的研究分析,構(gòu)建了一套全新的用于測試?yán)w維材料抗沖擊磨損性能的實驗系統(tǒng),利用該系統(tǒng)對錦綸和 PPS纖維進行了沖擊磨損實驗研究,通過對磨損后的纖維進行光學(xué)顯微鏡觀察和電子顯微鏡拍照,并對所拍照片進行分析,得出以下幾點結(jié)論:

(1)錦綸在磨損初期直徑變粗,然后逐漸變細(xì),直到斷裂;PPS纖維磨損后形態(tài)各異,且普遍比磨損前看上去要粗,原因是材料的表面受到粉體顆粒的高速沖擊作用遭到破壞,但破壞部分并沒有脫離纖維,而是部分連接著浮在纖維表面,看上去表面變得很粗糙,高低不平,且直徑加粗。這一結(jié)論與某些專家研究金屬材料磨損初期的磨損機理是一致的。

(2)盡管兩種纖維材料受到?jīng)_擊磨損以后,都可以用磨損前后的纖維力學(xué)性能變化來衡量纖維的受磨損破壞程度,但由于纖維的成分不同,物理機械性能不同,產(chǎn)生磨損破壞的機理也不同,這種磨損破壞時的差異,除了跟纖維本身的物理機械性能、力學(xué)性能以及磨損破壞時的環(huán)境溫度有關(guān)之外,還和纖維的直徑與粉體顆粒的直徑之比有很大關(guān)系。

(3)錦綸受到?jīng)_擊磨損時,直徑的變化比較有規(guī)律性,即過了磨損初期以后,隨著磨屑的脫落,纖維的直徑逐漸變細(xì),表面雖然也呈凹凸不平的狀態(tài),但相對 PPS纖維要平滑得多,說明磨屑容易脫落。這主要是由于錦綸材料脆性強,且纖維的直徑相對于磨料顆粒直徑來講較粗的緣故。

(4)PPS纖維在高溫條件下的磨損破壞機理與錦綸在常溫下的磨損破壞機理完全不同,斷口處不一定是被逐漸磨損變細(xì),而是出現(xiàn)了大量的“劈裂”狀破壞。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因:一方面是由于PPS纖維的強伸性能以及高溫時的良好韌性;另一方面就是實驗時的粉體顆粒直徑與纖維直徑的比值較大造成的。

[1] 橋本健次.アブレシブ摩耗における試験法の選び方[J],潤滑,1977,22(10):637-640.

[2] 橋本健次.アブレシブ摩耗の機構(gòu)[J].潤滑,1970, 15(11):736-743.

[3] 西成其,橋本健次.アブレシブ摩耗の分類と試験方法[J].潤滑,1968,13(12):647-652.

[4] HEUER V,WALTER G,HUTCH INGS IM.High temperature erosion of fibrous ceramic components by solid particle Impact[J].Wear,1999,233-235:257-262.

[5] HEUER V,WALTER G,HUTCH INGS IM.A studyof the erosive wear of fibrous ceramic components by solid particle impact[J].Wear,1999,225-229:493-501.

Discussion on the wearmechanis m of PA and PPS fiber for filtermaterial

Gao Yiqiang1,2,Zhang W ei1,2and Li Xianghong1,2
(1.College of Textile and Gar ment,HebeiUniversity of Science and Technology; 2.Hebei Province Research Center of Engineering and Technology of Textile and Garment)

Based on the analysis of the erosive wear testingway of fibrousmaterial by solid particle impact,a new testing system was developed according to the fiber tensile-strength variation before and after the abrasion.On the developed system,the anti-abrasion properties of PPS fiber and PA fiber were tested. W ith the electronic microphotographs of two fibers before and after the abrasion,the different wear mechanis ms of two fiberswere discussed.

polyamid fiber,polyphenylene fiber,filtermaterial,wearmechanis m,tensile-strength,test

TS101.921.1;TS102.52

A

1004-7093(2010)06-0021-05

2010-03-01

高翼強,男,1963年生,副教授。紡織服裝學(xué)院紡織系主任。主要從事本科生及研究生的教學(xué)和教學(xué)管理工作,多年來一直從事產(chǎn)業(yè)用紡織品方面的研究工作。