崔開(kāi)慧, 馮廈廈, 周 明, 仲兆祥, 邢衛(wèi)紅

(南京工業(yè)大學(xué) 膜科學(xué)技術(shù)研究所, 材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210009)

近年來(lái)國(guó)家對(duì)煙塵排放的要求[1-2]越來(lái)越高,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中煙塵排放濃度要求降低到了30 mg/Nm3.由于PTFE復(fù)合膜具有熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)、過(guò)濾阻力低、過(guò)濾效率高且使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于煙氣除塵領(lǐng)域,是一種理想的過(guò)濾材料[3-5].聚苯硫醚[6-7](PPS)針刺氈以其良好的機(jī)械性能和超高的性?xún)r(jià)比成為目前最廣泛使用的支撐體材料,PTFE/PPS復(fù)合膜也是目前工業(yè)煙氣凈化使用最多的復(fù)合膜材料之一[8].

與此同時(shí),由于工業(yè)煙氣的成分復(fù)雜,氣體中含有各種酸堿腐蝕或氧化性[9]還原性成分,并且高溫會(huì)加劇對(duì)濾料的腐蝕作用,使得濾料提前損毀,導(dǎo)致濾料更換周期縮短,這將給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失.基于復(fù)雜氣相環(huán)境對(duì)PTFE復(fù)合膜性能造成的嚴(yán)重破壞,考察各種腐蝕氣氛對(duì)PTFE復(fù)合膜影響是非常必要的.在GB/T6179—2009《袋式除塵器技術(shù)要求》[10]中對(duì)濾料的耐腐蝕性能測(cè)試是將濾料放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的常溫NaOH溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%、85 ℃的H2SO4中浸泡24 h后測(cè)其強(qiáng)力保持率,該方法只能模擬極端結(jié)露工況,與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中高溫腐蝕氣體環(huán)境相差過(guò)大.菲利普斯公司[11]對(duì)其生產(chǎn)的濾料耐化學(xué)性能進(jìn)行了研究,通過(guò)溶液法評(píng)價(jià)其耐酸堿,耐放射性和耐氧化性等,但測(cè)試溫度僅為90 ℃.王玉華等[12]用溶液實(shí)驗(yàn)法與氣體實(shí)驗(yàn)法考察了兩種濾料在腐蝕性物質(zhì)中的老化過(guò)程,同樣存在溶液法與實(shí)際工況相差太大,且氣體實(shí)驗(yàn)法只考慮了不同濃度NO的影響,忽略了煙氣中的氧對(duì)濾料性能的影響.

本研究使用自搭建的氣體膜腐蝕裝置,對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜進(jìn)行了在空氣下不同溫度的120 h的老化實(shí)驗(yàn)來(lái)探究空氣中的O2對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜性能的影響;并且采用Box-Behnken設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法(BBD-RSM)[13-15],通過(guò)建立回歸模型及繪制響應(yīng)面圖來(lái)探究SO2氣體腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)腐蝕溫度、腐蝕時(shí)間以及SO2濃度三因素對(duì)PTFE/PPS的性能影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

PTFE/PPS復(fù)合膜購(gòu)自江蘇久朗高科技股份有限公司,基本參數(shù)見(jiàn)表 1; SO2氣體(1 310 mg/m3與2 620 mg/m3),南京特種氣體廠股份有限公司;氫氧化鈉,分析純≥97%,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;去離子水,實(shí)驗(yàn)室自制.

表1 PTFE/PPS復(fù)合膜的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of PTFE/PPS composite membrane

箱式電爐,SX2-5-12,江蘇迅迪儀器科技有限公司;電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),i-Strentek 1510,濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司;掃描電子顯微鏡,Hitachi S4800,日本日立公司;X射線(xiàn)衍射分析儀,Miniflex 600,日本Rigaku株式會(huì)社;傅里葉紅外光譜儀,Nicolet 8700,森諾高科國(guó)際實(shí)驗(yàn)技術(shù)有限公司;全自動(dòng)織物透氣性能測(cè)定儀,YG(B)461T,大榮紡織儀器有限公司;數(shù)字式織物厚度儀,YG(B)141D,大榮紡織儀器有限公司;孔徑分布儀,Ipore-500AEX-Clamp,美國(guó)PMI公司;3D激光掃描共聚焦顯微鏡,VK-X1000,日本Keyence公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)所用PTFE/PPS復(fù)合膜試樣的剪裁采用平行法,每個(gè)樣品的尺寸為450 mm×300 mm,膜面積為0.135 m2.所用裝置為實(shí)驗(yàn)室搭建的膜腐蝕裝置,實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示.實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分:

1.膜組件;2.熱電偶;3.不銹鋼架子;4.恒溫爐;5.控制器; 6.SO2氣瓶;7.空壓機(jī);8.尾氣吸收瓶;9.轉(zhuǎn)子流量計(jì); 10.三通閥;11.球閥圖1 膜腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device for membrane corrosion

1) 以空氣為氣氛,改變時(shí)間和溫度條件考察O2對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜的影響.具體步驟為,將裁剪好的PTFE/PPS復(fù)合膜放入膜組件中,組件一端密封,另一端由法蘭連接并使用石墨墊圈密封,采用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腔體內(nèi)溫度.使用空壓機(jī)將一定量的空氣通入膜組件中,將恒溫爐設(shè)定到所需溫度,恒溫一定時(shí)間后,關(guān)閉恒溫爐,取出樣品進(jìn)行檢測(cè).

2) 以SO2為氣氛,改變反應(yīng)時(shí)間和溫度條件考察SO2對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜的影響.具體步驟與空氣氣氛類(lèi)似,但SO2氣體由鋼瓶提供,且在爐子降回室溫后,使用N2吹掃,尾氣用一定濃度的NaOH溶液吸收,然后再取出樣品檢測(cè).

1.3 分析方法

1.3.1力學(xué)性能

PTFE/PPS復(fù)合膜斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試樣品的制備、測(cè)試和計(jì)算[16]依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《紡織品 織物拉伸性能 第1 部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》(GB/T3923.1—2013),實(shí)驗(yàn)剪裁的經(jīng)緯向?qū)嶒?yàn)樣品各3條,長(zhǎng)為260 mm,寬為50 mm.

采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試腐蝕前后膜的拉伸斷裂強(qiáng)力,將待測(cè)樣品夾持在樣品鉗的中心位置,上升、下降速度均為100 mm/min,預(yù)加張力為1 N,起拉力值為1 N,在相對(duì)濕度60%、環(huán)境溫度為20 ℃的條件下分別測(cè)試各個(gè)條件處理后的PTFE/PPS復(fù)合膜經(jīng)緯向的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率,記錄各樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)并進(jìn)行均值計(jì)算.

1.3.2透氣性

透氣性是指在過(guò)濾介質(zhì)兩側(cè)存在一定壓差的情況下,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的過(guò)濾介質(zhì)的流量來(lái)計(jì)算的.本研究根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5453—1997[17]規(guī)定,使用全自動(dòng)織物透氣性能測(cè)定儀(YG(B)461T)來(lái)測(cè)定材料的透氣性,測(cè)量時(shí)使用的指定壓降為200 Pa,指定面積20 cm2,透氣率R計(jì)算式如(1).

(1)

式中:R為透氣率,m3/(m2·h·kPa);qv為平均氣流量,m3/h;A為試樣面積,cm2;Δp為氣體透過(guò)多孔材料產(chǎn)生的壓降,kPa.

1.3.3孔隙率

采用干膜濕膜稱(chēng)重法[18]測(cè)定薄膜的孔隙率ε0,用已知密度的浸潤(rùn)液如乙醇將膜充分浸潤(rùn),擦干表面浸潤(rùn)液,稱(chēng)量浸潤(rùn)前后的干膜濕膜質(zhì)量,計(jì)算公式如式(2)所示.

(2)

式中:W2為膜潤(rùn)濕后質(zhì)量,g;W1為干膜質(zhì)量,g;ρi為乙醇的密度,g/cm3;ρp為PTFE/PPS復(fù)合膜的密度,g/cm3.

1.3.4形貌表征

使用掃描電子顯微鏡(Hitachi S4800)進(jìn)行PTFE/PPS復(fù)合膜微觀形貌的觀察,表征前用離子濺射儀對(duì)樣品噴金40 s以提高其導(dǎo)電性能,達(dá)到消除放電現(xiàn)象的目的;使用3D激光掃描共聚焦顯微鏡(VK-X1000 Keyence)用于測(cè)量PTFE/PPS復(fù)合膜的表面粗糙度,每個(gè)樣取5個(gè)點(diǎn),樣的長(zhǎng)為500 μm,寬為300 μm;采用接觸角測(cè)定儀表征腐蝕前后膜層的疏水性能.

1.3.5材料表征

使用X射線(xiàn)衍射分析儀(Miniflex 600)分析PTFE膜層的晶體結(jié)構(gòu),圖譜記錄范圍為0°≤2θ≤80°,步長(zhǎng)0.02°;采用傅里葉紅外光譜儀(Nicolet 8700)表征膜層經(jīng)腐蝕后官能團(tuán)或化學(xué)鍵的變化.

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣氣氛對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜性能影響

2.1.1空氣氣氛下溫度對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜的力學(xué)性能的影響

對(duì)在空氣氣氛下同一老化時(shí)間、不同溫度下的PTFE/PPS復(fù)合膜測(cè)定其斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,PTFE/PPS復(fù)合膜力學(xué)性能隨溫度的變化如圖 2所示.從圖2(a)中可以看出隨溫度的升高,PTFE/PPS復(fù)合膜的緯向斷裂強(qiáng)力呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),經(jīng)過(guò)不同溫度不同時(shí)間處理后的緯向斷裂強(qiáng)力均高于原樣,在200 ℃老化48 h后達(dá)到最大值2 132.2 N; 在圖 2(b)中可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)向斷裂強(qiáng)力稍有增加,但基本與未經(jīng)處理的原復(fù)合膜相同,在160 ℃老化72 h后達(dá)到最大值1 287 N.從圖2(c)可以觀察到隨著溫度的升高,PTFE/PPS復(fù)合膜的緯向斷裂強(qiáng)度同樣呈先升高后降低的趨勢(shì),但降低后的緯向斷裂強(qiáng)度也基本大于等于原樣的緯向斷裂強(qiáng)度,且在180 ℃老化24 h后達(dá)到最大值41.5 kN/m; 而在圖2(d)中可以看到處理后的經(jīng)向斷裂強(qiáng)度基本維持不變.從圖2(e)和圖2(f)中可以觀察到PTFE/PPS復(fù)合膜的緯向斷裂伸長(zhǎng)率和經(jīng)向伸長(zhǎng)率均呈下降趨勢(shì),并且緯向斷裂伸長(zhǎng)率下降比經(jīng)向明顯.PTFE/PPS復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率是表征其韌性和脆性的評(píng)價(jià)指標(biāo),隨著斷裂伸長(zhǎng)率的降低,PTFE/PPS復(fù)合膜的韌性降低,脆性增加.

(a) 緯向斷裂強(qiáng)力; (b) 經(jīng)向斷裂強(qiáng)力; (c) 緯向斷裂強(qiáng)度; (d) 經(jīng)向斷裂強(qiáng)度; (e) 緯向斷裂伸長(zhǎng)率; (f) 經(jīng)向斷裂伸長(zhǎng)率圖2 空氣氣氛下溫度對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of temperature on mechanical properties of PTFE / PPS composite membrane in air atmosphere

PTFE/PPS復(fù)合膜的力學(xué)性能下降是其在使用過(guò)程中最終失效的重要原因之一.從目前測(cè)得的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率可以看到,PTFE/PPS復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率隨著溫度的升高稍有下降,同時(shí)其斷裂強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)度在不同溫度的作用下存在一個(gè)先升高后降低的趨勢(shì),且即便出現(xiàn)下降趨勢(shì)后PTFE/PPS復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)度仍高于初始值,表明PTFE/PPS復(fù)合膜具有良好的耐老化性.

2.1.2空氣氣氛下溫度對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜的基礎(chǔ)性能的影響

測(cè)試不同條件老化后PTFE/PPS膜的厚度、孔隙率和透氣性,結(jié)果如圖 3所示.可以觀察到隨著溫度的變化,PTFE/PPS復(fù)合膜的厚度基本維持在1.9 mm,透氣性保持在600 m3/(m2·h·kPa)左右,同時(shí)PTFE/PPS復(fù)合膜的孔隙率在75%左右基本不變.測(cè)試了不同條件老化后PTFE/PPS復(fù)合膜的平均孔徑,發(fā)現(xiàn)不同溫度下老化后PTFE/PPS復(fù)合膜的平均孔徑基本在500 nm左右.以上數(shù)據(jù)表明PTFE/PPS復(fù)合膜具有良好的穩(wěn)定性,在經(jīng)歷不同溫度的老化試驗(yàn)后各項(xiàng)性能仍維持穩(wěn)定.

圖3 空氣氣氛下溫度對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜的厚度、透氣性及孔隙率的影響Fig.3 Effect of temperature on thickness, permeability and porosity of PTFE/PPS composite membranes in air atmosphere

2.1.3空氣氣氛下溫度對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜的表面形貌的影響

對(duì)比不同溫度老化后膜表面的水接觸角變化,如圖 4所示,測(cè)得的PTFE/PPS復(fù)合膜的初始水接觸角為126°,在240 ℃老化120 h后的水接觸角為130°,在不同溫度老化120 h后PTFE/PPS復(fù)合膜仍表現(xiàn)出良好的疏水性.PTFE/PPS復(fù)合膜的水接觸角的差別主要取決于PTFE膜層與PPS支撐體的貼合程度及暴露情況,水接觸角基本沒(méi)有變化,表明PTFE膜層與PPS支撐體的貼合程度未受溫度的影響.

圖4 不同溫度老化120 h對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜表面水接觸角變化圖Fig.4 Variation of water contact angle on PTFE/PPS composite membrane surface after aging at different temperatures for 120 h

采用3D激光掃描共聚焦顯微鏡觀察了PTFE/PPS復(fù)合膜的表面形貌.如圖 5所示,120 ℃時(shí)老化120 h后的PTFE/PPS復(fù)合膜表面粗糙度Sa=0.61 μm,最大的表面粗糙度為220 ℃時(shí)的Sa=0.87 μm,240 ℃時(shí)Sa=0.86 μm,PTFE/PPS復(fù)合膜的粗糙度變化不大,表明復(fù)合膜的表面形貌變化不大.同時(shí)對(duì)比不同溫度下的SEM表面形貌結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6,PTFE膜層的纖維呈網(wǎng)狀分布,而隨著溫度的上升復(fù)合膜的膜層依然維持著完整的纖維結(jié)構(gòu),沒(méi)有出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)破損.上述結(jié)果表明PTFE/PPS復(fù)合膜的表面形貌、膜面疏水性都沒(méi)有受到溫度的影響,進(jìn)而印證了PTFE/PPS復(fù)合膜具有較好的穩(wěn)定性.

圖5 不同溫度老化120 h后PTFE/PPS復(fù)合膜的表面粗糙度Fig.5 Surface roughness of PTFE/PPS composite membrane after 120 h aging at different temperatures

圖6 不同溫度老化120 h后PTFE/PPS復(fù)合膜的微觀形貌Fig.6 Microstructure of PTFE/PPS composite membrane after aging at different temperatures for 120 h

2.1.4空氣氣氛下溫度對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

圖7 不同溫度老化120 h后PTFE/PPS復(fù)合膜的FTIR圖譜Fig.7 FTIR spectra of PTFE/PPS composite membrane aged at different temperatures for 120 h

2.2 PTFE/PPS復(fù)合膜在SO2氣氛腐蝕的響應(yīng)面分析

2.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

采用Design-Expert 10.0軟件設(shè)計(jì)考察腐蝕溫度(A)、腐蝕時(shí)間(B)、SO2濃度(C)三因素三水平的實(shí)驗(yàn)見(jiàn)表 2,制備得到對(duì)PTFE/PPS力學(xué)性能的影響作用,表 3為軟件Box-Behnken模塊設(shè)計(jì)出的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與按照方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后得出的力學(xué)性能結(jié)果.軟件使用4種不同模型對(duì)力學(xué)性能的結(jié)果進(jìn)行擬合,并通過(guò)模型與失擬項(xiàng)是否顯著來(lái)推薦適合的模型.4種模型分別為線(xiàn)性回歸方程(Linear)、多元一次方程(2FI)、多元二次方程(Quadratic)以及多元三次方程(Cubic).

表2 Box-Behnken 響應(yīng)面設(shè)計(jì)的因素與水平Table 2 Factors and levels in the Box-Behnken design

表3 響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Experimental design and results of response surface analysis

2.2.2經(jīng)向力學(xué)性能的回歸模型方差分析

采用多元二次方程對(duì)經(jīng)向斷裂強(qiáng)力(R1)進(jìn)行擬合后得到的回歸模型方程為:R1=844.605 92+4.331 22A+0.727 604B+0.095 774C-0.002 943AB+0.000 878AC-0.013 922A2-0.000 220C2.從表 4中可以看到,模型的P=0.033 6<0.05表明回歸模型顯著,而失擬項(xiàng)P=0.127 0>0.05,表明失擬項(xiàng)不顯著,回歸模型擬合良好,回歸方程能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)實(shí)際情況.同時(shí)A2、C2項(xiàng)的P值均<0.05,說(shuō)明這兩項(xiàng)的影響顯著,且因素的影響順序?yàn)镃2>A2.從圖8(a1)與圖8(a2)中同樣可以看出,隨著腐蝕溫度的增加經(jīng)向斷裂強(qiáng)力下降,隨著SO2濃度的增加,經(jīng)向斷裂強(qiáng)力呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì).

表4 對(duì)經(jīng)向力學(xué)性能的回歸模型方差分析Table 4 Analysis of variance of regression model for meridional mechanical properties

同樣采用多元二次方程對(duì)經(jīng)向斷裂強(qiáng)度(R3)進(jìn)行擬合后得到的回歸模型方程為:R3=15.674 01+0.101 776A+0.005 469B+0.001 646C+0.000 021AC-0.000 328A2-0.000 004 210 5C2,在表 4中同樣可以看到,模型P=0.049 4<0.05,回歸模型顯著,失擬項(xiàng)P=0.461 2>0.05,說(shuō)明失擬項(xiàng)不顯著,回歸模型擬合良好.同樣是A2、C2的P值均<0.05,但該模型的因素影響順序?yàn)锳2>C2.在圖8(b1)與圖8(b2)中可以觀察到,腐蝕溫度與SO2濃度對(duì)經(jīng)向斷裂強(qiáng)度的影響與經(jīng)向斷裂強(qiáng)力的趨勢(shì)相同,但隨腐蝕溫度的上升經(jīng)向斷裂強(qiáng)度的下降趨勢(shì)更明顯.

接著采用線(xiàn)性回歸方程對(duì)經(jīng)向斷裂伸長(zhǎng)率(R5)進(jìn)行擬合后得到的回歸模型方程為:R5=29.405 88-0.014 167A+0.003 125B+0.001 050C.表 4中模型的P=0.012 8<0.05,表明回歸模型顯著,失擬項(xiàng)P=0.910 4>0.05,失擬項(xiàng)不顯著,代表回歸模型擬合良好,回歸模型能進(jìn)行分析與預(yù)測(cè).同時(shí)A項(xiàng)的P<0.01,表明A項(xiàng)達(dá)到極顯著水平,在整個(gè)回歸模型中腐蝕溫度對(duì)經(jīng)向斷裂伸長(zhǎng)率的影響最大.從圖8(c1)與圖 8(c2)中也可以觀察到,隨腐蝕溫度的上升,經(jīng)向斷裂伸長(zhǎng)率迅速下降.

(a1)、(a2) 響應(yīng)因子為腐蝕溫度和SO2濃度, 響應(yīng)變量為經(jīng)向斷裂強(qiáng)力; (b1)、(b2) 響應(yīng)因子為腐蝕溫度和SO2濃度,響應(yīng)變量為經(jīng)向斷裂強(qiáng)度;(c1)、(c2) 響應(yīng)因子為腐蝕溫度和SO2濃度,響應(yīng)變量為經(jīng)向斷裂伸長(zhǎng)率圖8 經(jīng)向力學(xué)性能為響應(yīng)變量時(shí)的曲面三維圖和等高線(xiàn)Fig.8 Three-dimensional surface and contour when the meridional mechanical properties are response variables

2.2.3緯向力學(xué)性能的回歸模型方差分析

采用多元二次方程對(duì)緯向斷裂伸長(zhǎng)率(R6)進(jìn)行擬合后得到的回歸模型方程為R6=57.367 50-0.154 292A-0.237 448B-0.015 135C+0.000 755AB+0.000 006 679 39AC+0.000 029BC+0.000 061A2+0.000 584B2+0.000 001 366 47C2.從表5中可以看到,模型的P=0.001 8<0.01表明回歸模型達(dá)到極顯著水平,而失擬項(xiàng)P=0.064 4>0.05,表明失擬項(xiàng)并不顯著,說(shuō)明對(duì)緯向斷裂伸長(zhǎng)率回歸模型擬合良好,該模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)際情況.同時(shí)A、C、AB、C2項(xiàng)的P值均<0.05,且A項(xiàng)P=0.000 5達(dá)到極其顯著的水平,說(shuō)明腐蝕溫度對(duì)緯向斷裂伸長(zhǎng)率的影響遠(yuǎn)超其他因素,因素影響順序?yàn)锳>C>C2>AB.在圖 9(a1)和圖9(a2)中可以觀察到,隨著腐蝕溫度的增加,緯向斷裂伸長(zhǎng)率迅速下降;隨著SO2濃度的上升,緯向斷裂伸長(zhǎng)率出現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì),表明腐蝕溫度對(duì)緯向斷裂伸長(zhǎng)率存在很大的影響;而在圖9(b1)和圖9(b2)中,隨腐蝕時(shí)間的增加,對(duì)緯向斷裂伸長(zhǎng)率的影響不大.

表5 對(duì)緯向力學(xué)性能的回歸模型方差分析Table 5 Variance analysis of regression model for zonal mechanical properties

(a1)、(a2) 響應(yīng)因子為腐蝕溫度和SO2濃度,響應(yīng)變量為緯向斷裂伸長(zhǎng)率,(b1)、(b2) 響應(yīng)因子為腐蝕時(shí)間和SO2濃度,響應(yīng)變量為緯向斷裂伸長(zhǎng)率圖9 緯向斷裂伸長(zhǎng)率為響應(yīng)變量時(shí)的曲面三維圖和等高線(xiàn)Fig.9 Three-dimensional surface plot and contour when zonal elongation at break is the response variable

從表5中可以看到,對(duì)于緯向斷裂強(qiáng)力(R2)所擬合出的模型的P=0.163 5>0.05,表明回歸模型不顯著,腐蝕溫度、腐蝕時(shí)間與SO2濃度對(duì)緯向斷裂強(qiáng)力無(wú)明顯影響.同樣在表5中可以看到,緯向斷裂強(qiáng)度(R4)擬合模型的P=0.148 3>0.05,回歸模型不顯著,表明腐蝕溫度,腐蝕時(shí)間與SO2濃度對(duì)緯向斷裂強(qiáng)度同樣無(wú)顯著影響.

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜在空氣中的老化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度不超過(guò)200 ℃時(shí)空氣中的緯向斷裂強(qiáng)力與斷裂強(qiáng)度出現(xiàn)上升,當(dāng)溫度超過(guò)200 ℃時(shí),緯向斷裂強(qiáng)力和緯向斷裂強(qiáng)度又會(huì)呈下降趨勢(shì),但下降后緯向斷裂保持率仍維持在100%以上.原因可能是在200 ℃之前空氣中的O2會(huì)與PPS支撐體發(fā)生氧化交聯(lián)反應(yīng)占主導(dǎo)地位,使得PTFE/PPS復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力與斷裂強(qiáng)度有所增加,但溫度在200 ℃以上,溫度對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜的力學(xué)性能的影響占主導(dǎo)地位才會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì).根據(jù)SO2氣體腐蝕的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),腐蝕溫度與SO2濃度對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜的力學(xué)性能影響較顯著,且溫度的影響大于SO2濃度,溫度大于200 ℃時(shí)緯向斷裂強(qiáng)力下降趨勢(shì)明顯.腐蝕時(shí)間的影響不顯著,說(shuō)明時(shí)間對(duì)PTFE/PPS復(fù)合膜影響作用最緩慢.上述結(jié)果表明PTFE/PPS復(fù)合膜適用于溫度200 ℃以下、SO2濃度低于2 096 mg/m3的環(huán)境中.