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PPS基复合材料在不同领域中的应用

发布时间:2019/7/29 16:45:14阅读人次:1965

因为PPS具备耐高温和耐酸碱腐蚀的特性,所以PPS高温滤袋可以广泛应用于工业尾气处理器和工业颗粒分离器中。将PPS纤维编织成无纺布形式置于过滤装置中,通常位于脱硫器和静电除尘器的下游,工业尾气的主要成分为氮氧化物(NOx)和灰分,在过滤装置中需要实现氮氧化物的转化,常用的方法是将催化剂依据物理吸附涂覆在滤袋表面。邱云顺等将酸化处理后的PPS滤料浸渍到Mn-Ce-Ni-Ox催化剂粉体悬浮液中,称取聚四氟乙烯(PTFE)乳液、聚乙烯醇、羟乙基纤维素等进行发泡后,将PTFE泡沫涂覆在Mn-Ce-Ni-Ox/PPS滤料表面上,并进行干燥,完成了复合滤料的制备。

将模拟烟气(含NH3NO等)在100200℃时通过PPS复合滤料,发现Mn-Ce-Ni-Ox/PPS滤料在180℃时的除尘脱硝能力大大提高。薛婷婷等在PPS滤袋上涂覆PTFE对过滤PM2.5颗粒的效果非常明显。同时通过控制滤袋中纤维的细度和横截面形状,发现当滤袋面层中混入100%的超细纤维时,可大大提高纤维间的啮合程度,因此可以过滤掉49%PM2.5颗粒;使用50%的截面为三叶形的滤层可以大大提高滤层间的均一性,提高了过滤效率。在滤袋表面涂覆催化剂的方法虽然简便、易行,但仅靠物理吸附容易造成催化剂的脱落。Zheng等通过原位合成法制备了PPS催化过滤材料,首先将吡咯(PPy)作为催化剂二氧化锰(MnO2)的分散剂,PPy具有π-π共轭作用,会在PPS纤维外层形成吸附层,将PPS过滤毡浸入高锰酸钾(KMnO4)和H2SO4溶液中,二者经反应生成MnO2,吸附在纤维外层的PPy主要扮演粘合剂的角色,通过原位合成法制备了具有高黏度的MnO2/PPy/PPS过滤毡,在160180℃的条件下可以实现70%以上的NO转化。将PPS滤料浸入同时含有十二烷基硫酸钠(SDS)和硝酸的溶液中,再加入一定量的KMnO4,由于静电吸附作用,在PPS滤料表面会生成纳米状的MnO2,可制备出nf-MnO2/PPS复合滤料,该材料可以在80-180℃条件下实现36%-100%NO转化率。

交通运输

基于环保和经济发展的要求,随着材料的升级和工艺方法的进步,热塑性树脂在民用飞机领域得到广泛应用。PPS作为线性、半结晶塑料,是优异的阻燃材料,在压力作用下极耐蠕变,可连续使用温度为240℃(短时间内可达270℃),GF增强材料的强度得到明显提高,热膨胀系数降低甚至达到金属的标准,复合材料表现出的质轻耐磨等特性使其在飞机、汽车的部件应用上极具开发潜力。例如,A340-600的飞机机翼前缘就采用碳纤编织层和PPS层经热成型制得,该材料能替代传统铝合金材料,使该部件可以减重20%,而且耐久性优异,可回收利用。

在直升机AW169的平尾中也使用了PPS,同样是采用碳纤维增强PPS材料,并且实现了数分钟内的快速成型。GF增强PPS也可使用在部分机型的机身处,但由于热固性塑料和铝合金材料等的力学性能更好,因此飞机的主结构件仍大量采用热固性塑料和铝合金材料,热塑性复合材料主要用于飞机舱内的装饰件和蒙皮、升降舱、门窗等次承件。

工程塑料供应商泰科纳将PPS1140L4应用到卡车的进气箱冷却器,用以取代传统的铝铸件。研究发现,复合材料冷却器几乎不受冷却剂的腐蚀,通过注塑成型可使制件的尺寸公差非常接近且无需焊接,可以显著降低成本,适合大批量生产,与铝制件(4.8kg)相比,质量减少了41.7%PPS已被证明是轻金属合金的最佳替代品之一。

生物医疗

人体发生不可挽回的骨损伤时是不能通过内部机制自我修复的,传统的骨科和牙科的植入物是金属,如钛(Ti)合金等,但是存在有害金属离子的潜在释放等威胁。PPS以其优异的耐化学性、均匀磁共振成像(MRI兼容性和生物惰性成为金属的替代物。天然骨是尺度级别为微米和纳米的有机-无机生物复合材料,纳米羟基磷灰石(纳米HACa10PO46-OH2)是骨基质的主要矿物成分之一,因此成为应用在再生骨骼中最具吸引力的无机材料,通过复合的方式可以促进生物惰性聚合物在硬组织工程中的生物活性。范珂夏等将纳米HA/PPS复合粉通过高温热压后制得样品,实验表明,加入HA后的PPS样品的亲水性大大提高,溶血率为1.66%(良好的血液相容性),并处于无毒范畴。而Deng等用HAPPS分别进行固-固混合(物理共混)和液-液共混后,通过注塑和300℃左右的成型后制得样品,力学性能评价表明,PPS/纳米HA复合材料更接近天然骨骼。此外,在材料表面可以实现细胞增殖,诱发细胞活力和成骨细胞分化,通过软X射线进行体内评估也可观察到急剧加速的成骨和骨整合现象。

由于其轻质高强的特点,除了作为生物体内植入物,PPS复合材料也可用于医疗设备的开发中,如用于整形外科的外部固定器和拐杖,可以承载体重或支撑骨头固定的负荷。Khan等通过控制CFPPS层的数目,采用手工铺放技术和压缩成型,复合材料的机械稳定性随着纤维铺层的增加而得到明显改善。横向断裂强度和弯曲模量分别提高了59.84%125.21%,无亏损韧性、储能模量、损耗模量和阻尼因子均随着纤维层数的增加而下降,这些参数符合医疗设备的技术参数要求。

防护织物

消防员通常会处于各种危险条件中,最常见的问题是在低水平辐射热通量的环境里暴露较长时间,因此,发展耐用的热防护和隔热服装已成为关注的热点,纺织品的绝缘性能实际上受到纤维和织物性能的影响。PPS无纺布具有定向或随机排列的纤维组成的网状结构,其绝缘温度可以达到120℃,BF的绝缘温度则高达180℃,因此,采用2种或者多种纤维混纺的方式可制备性能优异的隔热服装。

随着PPS非织造布厚度的增加,其绝缘温度也得到提高,并且湿润织物比干燥织物表现出更好的热防护性能。将高性能PPS与聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET)通过熔纺工艺制备成双组份纤维。无论作为核心还是鞘层材料,都被认为提供了特殊的功能热粘合性能、阻燃性或耐化学性,可以进一步通过纺织工艺制成织物。除了上述2种方法,混杂PPS织物进行空气等离子体的处理后,一些活性基团(CO)被引入到混合织物的表面上,使纤维表面的粗糙度增加,提高了织物表面润湿性和改善了PPS树脂及纤维间的粘合性能,该处理可以增加织物的抗磨减摩能力,但是需要调控等离子体处理的功率和时间,过度的处理会降低织物的力学强度。

PPS纤维是由密集大分子链形成的疏水性纤维,不含有任何与染料结合的活性基团,因此不易染色和印花,从而限制了其在阻燃材料、迷彩服等方面的应用。二苯甲酮,2-2'-羟基苯基)苯并三唑及其衍生物作为紫外线吸收剂处理PPS时,可以改善样品的可染性。Mao等利用苯甲酸苄酯载体处理PPS织物,由于载体的结构与PPS结构相似,可以促进大分子链的运动,并增强分散染料的扩散分子进入PPS纤维链段的无定型区,热性能和X射线衍射分析均表明苯甲酸苄酯仅仅降低了PPS的玻璃化转变温度,但几乎没有改变PPS晶体结构。此外,可以保证纤维具有一定的力学性能,染色性能得到提升,满足具有耐磨性的军事伪装防护织物的要求。

其他应用

PPS基复合材料还可用于制作SMT高温制程连接器,也可用于制作其他高性能的精密零件。Konieczna等通过共旋转双螺旋挤出机制备了聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET/PPS/钛酸钡(BaTiO33组分的聚合物/纳米陶瓷电子封装材料,随着钛酸钡含量的减少,低介电损耗因子逐渐降低,当BT0.75%1.5%时,低介电损耗因子最优。

PPS可应用于高导热绝缘领域,通过在PPS基体中加入适当的微米级氮化硼/纳米氮化硼(mBN/nBN)杂化填料,使PPS基体进行异相成核,导热系数(λ)从原始PPS基质的0.286W/m·K提高到2.638W/m·K,相应的耐热指数(THI)值超过了277.8℃。将填料改为膨胀石墨烯(EG)时,由于具有苯骨架的PPSEG之间表现出更强的p-p相互作用,比带有苯环侧链的聚合物更能降低界面间的热阻,从而通过改善导热系数,提升了EG/聚合物界面处晶体的成核能力。

PPS材料存在易氧化、质脆、韧性差的缺点,改性优化后的复合材料可用于工业过滤、汽车、生物医疗、电子电气和航空航天等领域。由于高强度、尺寸稳定性和高耐热性,PPS材料被作金属材料的替代品。但在共混或者增强改性的过程中,界面问题是制约复合材料性能的重要因素,因此增强PPS与其它聚合物间的相容性,升级优化材料,设法降低成本,进行更多以应用为出发点的规模化、系列化研究尤为重要。结合国家“以塑代钢”的环保要求,PPS基复合材料必然会具有更广泛的应用领域及发展前景。