CN101580973B - 一种具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维的制备方法。该方法首先采用聚四氟乙烯乳液表面改性二恶英分解催化剂粉体，然后将聚四氟乙烯树脂粉末和改性后的催化剂粉体混和，再混和液体润滑剂，经过挤出、压延、纵向拉伸、烧结定型、开纤等工艺加工而成。该方法可有效防止使用过程中纤维内催化剂粉体的流失。纤维材料可广泛用于高温尾气的除尘和废气分解。本发明与已有技术相比，具有工艺简单易行、加工成本低、无污染等优点。
Description
技术领域
本发明涉及纤维的制备方法，具体地涉及一种具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维的制备方法。
背景技术
随着世界各国现代工业化进程的快速发展，大气污染已成为一个日益严重的全球性问题，二恶英、呋喃、氮氧化物、硫化物等废气的排放和控制得到世界各国的重视。城市生活垃圾焚烧处理方法目前已成为各国处理废弃物最主要的和最有效的技术之一。垃圾焚烧处理不但能将垃圾变废为宝，汽电共生使能量资源得到再生利用，而且能减少约90％的废物体积。但是，焚烧过程中不可避免地会产生大量的污染物，如颗粒物、酸性气体、重金属以及二恶英。这些污染物对人体健康存在着极大的危害，而尤以二恶英的毒害最大，去除难度也最高。目前，二恶英催化氧化分解去除技术得到迅速发展。催化剂在一定的温度下(180-250℃)可将二恶英分解为二氧化碳、水和微量的盐酸气体等。
催化氧化分解技术中采用的催化剂多以氧化钨、氧化锰等为活性成分，以二氧化钛为载体。催化剂粉体经过特殊的成型技术加工成“蜂窝”形状被使用，存在对废气的分解效率低和催化温度高等缺点。
若将催化剂加工成粉体使用则可大大提高分解效率，降低分解温度。但使用粉体材料需要特殊载体。其中膨体聚四氟乙烯最为理想，它具有以下优点：耐温性能好；可通过特殊加工方法制备出多微孔的结构，便于废气和催化剂充分接触。美国GORE公司的专利(Marc Plinke，Baltimore，Md.，et al.，US Patent5620669，1997，4，15)则是采用此方法。它是采用催化剂浆料和聚四氟乙烯分散液混和(即湿法混合)，加入阳离子表面活性剂，然后凝结干燥。挤出片材，然后压延，后在270℃下拉伸成含有催化剂粉体的PTFE纤维。而后加工成针刺毡后复合PTFE微孔薄膜。该材料具有截留微尘(效率99.95％)和分解废气(效率98.4％)双重功效。由于我国缺乏湿法混合所必须的设备(如高精度的切削设备)和原材料，因此该方法在我国不适用。
专利(用于废气分解的膨体聚四氟乙烯纤维的制备方法，申请号200610154943.5)公开了一种用于废气分解的膨体聚四氟乙烯纤维的制备方法，该方法是将废气的分解催化剂粉体混和到纤维原料中，并加工出具有废气分解功能的聚四氟乙烯纤维。该方法由于采用直接挤出纺丝方法，纺丝压力较高，对纺丝设备的要求高。
专利(有催化分解二噁英功能的膨体聚四氟乙烯纤维的制备方法，申请号200810060356.9)，涉及一种具有催化分解二恶英功能的膨体聚四氟乙烯纤维的制备方法，该方法是将膨体聚四氟乙烯树脂粉末和二恶英催化剂粉体混和，再混和液体润滑剂，经过挤出、压延、纵向拉伸、烧结定型、开纤等工艺加工而成。
专利(高温烟气/粉尘一体化处理用覆膜过滤材料的制备方法，专利号ZL200610155052.1)，该方法是将废气分解的膨体聚四氟乙烯纤维、其他耐高温纤维经过开松、混和、给料、梳理、纤网、叠网、预针刺、主针刺、高温汽蒸等工序加工成耐高温支撑材料，再在高温下与聚四氟乙烯微孔薄膜复合而成。
专利(高温烟气和粉尘处理用的聚四氟乙烯微孔薄膜制备方法，申请号200710069975.X)，公开了高温烟气/粉尘一体化处理用聚四氟乙烯微孔薄膜制备方法。本发明将聚四氟乙烯树脂粉末和催化剂废气催化剂粉体混和，在混和液体润滑剂，经过挤出、压延、纵向拉伸、横向拉伸和热定型等工艺加工而成。
专利(一种除尘及二恶英分解双效过滤材料及其制备方法，申请号200810124334.4；一种除尘及二噁英分解一体化过滤材料及其制备方法，申请号200810124335.9)，是将负载二恶英分解催化剂的聚四氟乙烯纤维或聚四氟乙烯薄膜，与耐高温纤维(包括聚四氟乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、聚苯硫醚纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等)通过针刺的方法加工出具有除尘及二恶英分解多功能的过滤材料。
以上专利涉及到添加催化剂的聚四氟乙烯纤维或薄膜(200610154943.5、200810060356.9、200610155052.1、200810124334.4、200710069975.X、200810124335.9)，但均是采用催化剂和聚四氟乙烯共混加工而成，二者之间缺少可连接的成分，故催化剂和聚四氟乙烯之间结合牢度较差。在将纤维针刺成毡制作成过滤袋应用于垃圾焚烧场合，高温尾气是以一定风速冲击过滤袋，因此容易造成催化剂的流失，使过滤袋较快地失去对二恶英的分解功能。
为了克服现有技术各种方法所存在的缺陷，本发明提供了一种采用聚四氟乙烯乳液表面改性催化剂方法，然后与聚四氟乙烯树脂粉末共混，在后续的热定型加工中将聚四氟乙烯乳液熔融，起到连接的作用，从而防止过滤袋使用过程中催化剂的流失。同时，该方法工艺简单易行，加工成本低，对设备要求较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维的制备方法，该方法首先采用聚四氟乙烯乳液表面改性催化剂粉体，然后将改性后的催化剂粉体与聚四氟乙烯树脂粉末共混，加工含有催化剂的聚四氟乙烯薄膜，最后通过裂膜方法加工成具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维。具体的，本发明具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维的制备方法包括以下步骤：
(1)催化剂粉体的表面改性：将聚四氟乙烯乳液倒入催化剂粉体中，搅拌，在105℃的烘箱内将乳液中的水分烘干；
(2)混料：将聚四氟乙烯树脂粉末和表面改性后的催化剂粉体混和，再加入液体润滑剂，聚四氟乙烯树脂粉末对液体润滑剂的重量比为1∶0.2-0.28混和均匀，在20～40℃的温度下静置96～144小时，然后在40～80℃的温度下静置10～16小时，使树脂粉末、液体润滑剂、表面改性后的催化剂三者充分混合，形成聚四氟乙烯物料；
(3)压坯与压延：将所述的聚四氟乙烯物料在20～30℃下，在压坯机上压制成圆柱形毛坯，将毛坯通过柱塞挤出机在40～60℃的温度下挤出棒状物，然后经压延机在40～60℃下压延成聚四氟乙烯基带；
(4)纵向拉伸：将所述聚四氟乙烯基带在180～300℃的烘箱中进行纵向拉伸，获得脱脂基带；
(5)烧结定型：将所述脱脂基带在320～420℃烧结定型，烧结时间20～80秒，获得烧结基带；
(6)开纤：将所述烧结基带在开纤设备上开纤，加工成具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维。
在上述步骤(1)中，所述聚四氟乙烯乳液是在分散乳液中聚合制备得到聚四氟乙烯分散乳液，或将四氟乙烯聚合后分散在分散液中，浓缩该分散液至一定的重量百分比浓度，并以非离子型表面活性剂稳定的水分散液。其中聚四氟乙烯的重量百分比浓度大约为50％-70％，聚四氟乙烯粒径为0.05-0.2um，乳液的运动粘度为6-15mm2/s(25℃)，酸碱性pH≥8，密度为1.50-1.55g/cm3(20℃)。所述聚四氟乙烯乳液可以采用市售产品，如中昊晨光化工研究院的SFN-1、SFN-3、SFN-A中的一种或上述产品的混合物。
在上述步骤(1)中，所述的催化剂粉体直径从纳米级到微米级，为20纳米-5微米(德国BASF公司提供)。
在上述步骤(1)中，所述的催化剂与聚四氟乙烯乳液的重量比为1∶0.01-1。
在上述步骤(2)中，所述的聚四氟乙烯树脂粉末和表面改性后的催化剂粉体的重量比为1∶0.3-0.6。
在上述步骤(2)中，所述的液体润滑剂为液体石蜡、石油醚或煤油。
在上述步骤(2)中，所述的聚四氟乙烯树脂粉末的结晶度为98～99.9％、分子量为200万～1000万。采用市售产品，如日本大金公司F106、日本旭硝子公司CD123的产品。
通过本发明的上述方法制备的具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维，纤维直径40-80微米；在220℃对二恶英的去除率高达97-99％(针刺成非织造布，该纤维含量为520克/平方米)；在1米/秒的风速下，80小时内每1000克聚四氟乙烯纤维中催化剂的损失量为2-8克，显著低于申请专利(200810060356.9)中催化剂损失46克。
本发明与已有技术相比，具有的有益效果是：
在纤维的制备过程中，需要320～420℃的烧结定型，烧结时间20～80秒，在此条件下，聚四氟乙烯树脂粉末不熔融，而包覆在催化剂粉体表面聚四氟乙烯乳液熔融，因此可起到连接催化剂和聚四氟乙烯纤维的目的，防止在使用过程中纤维内催化剂粉体的流失；另一方面，聚四氟乙烯乳液熔融后发生收缩现象，使催化剂粉体表面大部分裸露出来，由于催化剂是在和二恶英接触的条件下才能发生催化反应，催化剂粉体表面的裸露确保了催化效率。
具体实施方式
实施例1：
1、催化剂粉体的表面改性：将聚四氟乙烯乳液(SFN-1，中昊晨光化工研究院提供)倒入催化剂粉体(5微米直径，德国BASF公司提供)(催化剂与聚四氟乙烯乳液的重量比为1∶0.01)中，搅拌，在105℃的烘箱内将乳液中的水分烘干；
2、混料：将聚四氟乙烯树脂粉末(日本大金公司F106)、表面改性后的催化剂粉体(按重量比1∶0.3均匀混和，再加入液体石蜡(聚四氟乙烯树脂粉末对液体石蜡的重量比为1∶0.2)混和均匀，在20℃的温度下静置144小时，然后在40℃的温度下静置10小时，使树脂粉末与液体润滑剂充分混合，形成聚四氟乙烯物料；
3、压坯与压延：将所述的聚四氟乙烯物料在20℃下在压坯机上压制成圆柱形毛坯，将毛坯通过柱塞挤出机在40℃的温度下挤出棒状物，然后经压延机在40℃下压延成聚四氟乙烯基带；
4、纵向拉伸：将所述的聚四氟乙烯基带在180℃烘箱中纵向拉伸，获得脱脂基带；
5、烧结定型：将所述脱脂基带在320℃烧结定型，烧结时间80秒，获得烧结基带；
6、开纤：将所述烧结基带在开纤设备上开纤，加工成具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维。
通过本发明的上述方法制备的具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维，纤维直径80微米；在220℃对二恶英的去除率高达97％(针刺成非织造布，该纤维含量为520克/平方米)；在1米/秒的风速下，80小时内每1000克聚四氟乙烯纤维中催化剂的损失量为8克，显著低于申请专利(200810060356.9)中催化剂损失46克。
实施例2：
1、催化剂粉体的表面改性：将聚四氟乙烯乳液(SFN-3，中昊晨光化工研究院提供)倒入催化剂粉体(1微米直径，德国BASF公司提供)(催化剂与聚四氟乙烯乳液的重量比为1∶1)中，搅拌，在105℃的烘箱内将乳液中的水分烘干；
2、混料：将聚四氟乙烯树脂粉末(日本大金公司F106)和表面改性后的催化剂粉体按重量比1∶0.6均匀混和，再加入石油醚(聚四氟乙烯树脂粉末对石油醚的重量比为1∶0.25)混和均匀，在30℃的温度下静置121小时，然后在60℃的温度下静置12小时，使树脂粉末与液体润滑剂充分混合，形成聚四氟乙烯物料；
3、压坯与压延：将所述的聚四氟乙烯物料在25℃下在压坯机上压制成圆柱形毛坯，将毛坯通过推压机在50℃的温度下挤出棒状物，然后经压延机在50℃下压延成聚四氟乙烯基带；
4、纵向拉伸：将所述的聚四氟乙烯基带在250℃烘箱中纵向拉伸，获得脱脂基带；
5、烧结定型：将所述脱脂基带在420℃烧结定型，烧结时间20秒，获得烧结基带；
6、开纤：将所述烧结基带在开纤设备上开纤，加工成具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维。
通过本发明的上述方法制备的具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维，纤维直径60微米；在220℃对二恶英的去除率高达99％(针刺成非织造布，该纤维含量为520克/平方米)；在1米/秒的风速下，80小时内每1000克聚四氟乙烯纤维中催化剂的损失量为2克，显著低于申请专利(200810060356.9)中催化剂损失46克。
实施例3：
1、催化剂粉体的表面改性：将聚四氟乙烯乳液(SFN-A和SFN-1，重量比为1∶1，中昊晨光化工研究院提供)倒入催化剂粉体(20纳米直径，德国BASF公司提供)(催化剂与聚四氟乙烯乳液的重量比为1∶0.5)中，搅拌，在105℃的烘箱内将乳液中的水分烘干；
2、混料：将聚四氟乙烯树脂粉末(日本旭硝子公司CD123)和表面改性后的催化剂粉体按重量比1∶0.4均匀混和，再加入煤油(聚四氟乙烯树脂粉末对煤油的重量比为1∶0.28)混和均匀，在40℃的温度下静置144小时，然后在80℃的温度下静置16小时，使树脂粉末与液体润滑剂充分混合，形成聚四氟乙烯物料；
3、压坯与压延：将所述的聚四氟乙烯物料在30℃下在压坯机上压制成圆柱形毛坯，将毛坯通过推压机在60℃的温度下挤出棒状物，然后经压延机在60℃下压延成聚四氟乙烯基带；
4、纵向拉伸：将所述的聚四氟乙烯基带在300℃烘箱中纵向拉伸，获得脱脂基带；
5、烧结定型：将所述脱脂基带在380℃烧结定型，烧结时间50秒，获得烧结基带；
6、开纤：将所述烧结基带在开纤设备上开纤，加工成具有催化分解二恶英功能的聚四氟乙烯纤维。
通过本发明的上述方法制备的具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维，纤维直径40微米；在220℃对二恶英的去除率高达98％(针刺成非织造布，该纤维含量为520克/平方米)；在1米/秒的风速下，80小时内每1000克聚四氟乙烯纤维中催化剂的损失量为4克，显著低于申请专利(200810060356.9)中催化剂损失46克。
Claims (5)
1.一种具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)催化剂粉体的表面改性：将聚四氟乙烯乳液倒入催化剂粉体中，搅拌，在105℃的烘箱内将乳液中的水分烘干；
(2)混料：将聚四氟乙烯树脂粉末和表面改性后的催化剂粉体混和，再加入液体润滑剂，聚四氟乙烯树脂粉末对液体润滑剂的重量比为1∶0.2-0.28混和均匀，在20～40℃的温度下静置96～144小时，然后在40～80℃的温度下静置10～16小时，使树脂粉末、液体润滑剂、表面改性后的催化剂三者充分混合，形成聚四氟乙烯物料；
(3)压坯与压延：将所述的聚四氟乙烯物料在20～30℃下，在压坯机上压制成圆柱形毛坯，将毛坯通过柱塞挤出机在40～60℃的温度下挤出棒状物，然后经压延机在40～60℃下压延成聚四氟乙烯基带；
(4)纵向拉伸：将所述聚四氟乙烯基带在180～300℃的烘箱中进行纵向拉伸，获得脱脂基带；
(5)烧结定型：将所述脱脂基带在320～420℃烧结定型，烧结时间20～80秒，获得烧结基带；
(6)开纤：将所述烧结基带在开纤设备上开纤，加工成具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维。
2.根据权利要求1所述的一种具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维的制备方法，其特征在于：所述的催化剂粉体与聚四氟乙烯乳液的重量比为1∶0.01-1。
3.根据权利要求1所述的一种具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维的制备方法，其特征在于：所述的聚四氟乙烯树脂粉末和表面改性后的催化剂粉体的重量比为1∶0.3-0.6。
4.根据权利要求1所述的一种具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维的制备方法，其特征在于：所述的液体润滑剂为液体石蜡、石油醚或煤油。
5.根据权利要求1所述的一种具有二恶英分解功能的聚四氟乙烯纤维的制备方法，其特征在于：所述的聚四氟乙烯树脂粉末的结晶度为98～99.9％、分子量为200万～1000万。
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