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高性能纤维PTFE

  高性能聚四氟乙烯(PTFE)纤维材料凭借其优异的高低温稳定、化学稳定、电绝缘、非粘附、耐气候、阻燃、自润滑等性能,已在国民经济的多个领域获得了广泛的应用,成为环保、过滤、建筑、航空航天等领域的优选材料。
  
  由于聚四氟乙烯本身的性质,导致PTFE纤维的制造不能简单地采用一般热塑性高分子材料的成型方法(如挤出成型法),而这一技术瓶颈也是我国长期不能生产PTFE纤维的重要原因,该项目研发人员自主研发膜裂法生产聚四氟乙烯纤维,即先通过三维立体拉伸法制备满足一定条件的膨体PTFE薄膜,将PTFE膜分切后,再通过一定的拉伸和热处理工艺,将其制成所需的PTFE纤维。
  
  打破发达国家技术封锁
  
  据参加研发的总后军需装备研究所高级工程师郝新敏博士介绍,由于PTFE不溶于任何溶剂,且大分子链呈直线排列,刚性大,在熔点以上粘度大,无法采用传统的溶液法或者熔融法纺丝,这成为PTFE材料深加工领域的一大技术难题,也成为我国PTFE材料应用的技术瓶颈。
  
  目前世界上只有少数几家公司掌握了PTFE纤维的生产技术,其中主要生产工艺有载体纺丝法和糊料挤压法等,但这些公司长期对我国实行技术封锁,且产品价格昂贵,大大增加了PTFE纤维的应用成本,从而严重制约了PTFE纤维的发展和应用开发。
  
  从对仅有一点儿国外生产样品的分析开始,一个长达数年的艰难摸索和艰苦创业过程就此拉开序幕。据悉,由企业、科研单位和用户组成的课题组研究设计了PTFE膜裂法长短纤维生产工艺流程,研发了温度梯度控制的非等速、变幅宽、多次拉伸PTFE纤维的生产工艺,研制了高强异型PTFE长纤维和短纤维,解决了PTFE短纤维“併丝”问题;研制了多棱角型膜裂长纤维切刀、耐磨金刚石短纤维分切针辊、牙线膜裂切片成型等关键装置,设计加工了螺旋式挤压机、二辊压延机、非等速拉伸机、梯度温控变幅宽拉伸机、膜裂长纤维分切机、短纤维分切机、纤维挤压牵伸机、卷曲机等系列成套生产设备,并建立了规模化生产线;研发生产了“ひ”形PTFE牙线、高强纯PTFE梯度覆膜过滤材料,所有这些工艺技术、系列产品及生产设备,在国内外未见相似或相同文献报道,具有新颖性和创新性。产品查新进一步证明,所生产的PTFE纤维填补了国内空白,PTFE纤维性能处于国际领先水平,PTFE纤维应用产品均处于国际先进、国内领先的水平。
  
  已形成千吨级生产能力
  
  本次鉴定活动的专家鉴定委员会实属阵容强大,鉴定委员会主任、副主任分别由孙晋良、蒋士成、张耀明三位院士担任,来自化纤材料、产业用纺织品、环保、化工等领域的11位著名专家一致认为,该项目是我国在高性能纤维的加工技术、生产设备、产品开发等方面的重大集成创新,具有示范效应,总体技术达到国际先进水平。
  
  专家们在鉴定意见中认为,该项目发明了PTFE均匀立体加工制膜工艺技术,自主研发和集成创新的PTFE膜和纤维专用成套生产设备,运行稳定,已形成千吨级生产能力。这项科研成果具有自主知识产权,申请发明专利10项,已授权4项,社会和经济效益显著,市场应用前景广阔。
  
  中国化纤工业协会顾问、教授级高级工程师叶永茂告诉记者:“国家发改委在今年《产业结构调整指导目录》中明确将PTFE纤维及制品的开发和生产列为重点之一,在‘十二五’开局之年,能看到项目完成单位系列化的丰硕成果,令人振奋。”PTFE纤维作为性能优异的骨架材料,它的批量生产能够促进芳纶1313、芳砜纶、聚苯硫醚纤维等高性能纤维在滤料上的应用,可以加快转变中国化纤业的经济发展方式,推动化纤产业结构调整和优化升级,完善和发展现代产业体系。
  
  叶永茂介绍,采用膜裂法生产PTFE纤维及其应用产品,主要包括聚四氟乙烯长纤维和聚四氟乙烯短纤维,聚四氟乙烯长纤维开发的产品包括:长纤维纱线、聚四氟乙烯缝纫线、聚四氟乙烯牙线、氯碱工程专用的聚四氟乙烯长纤维增强网,以及采用PTFE纤维生产的聚四氟乙烯基布、聚四氟乙烯覆膜针刺毡滤料等。该项目生产的的聚四氟乙烯长、短纤维产品技术处于国际先进水平,产品价格为国外同类产品的35%左右,大大降低了国内用户的生产成本,为我国环保批量应用高性能PTFE纤维奠定了基础。
  
  除尘滤料的理想材质
  
  国电环境保护研究院除尘除灰研究所所长、教授级高级工程师方爱民说:“国产PTFE纤维生产技术的重大突破,成功打破了多年来国外对我们的产品垄断和技术封锁,将引发环保工艺及材料的升级换代,在‘十二五’国家推进‘蓝天工程’的关键阶段,具有重大的社会意义、取得了重要的经济效益。”
  
  据方爱民介绍,该项目产品PTFE纤维的重要应用是制备高温腐蚀性烟气除尘用的PTFE滤料。现在,国产PTFE滤料已在垃圾焚烧、燃煤电厂、钢铁业等行业中广泛使用,是我国得以实现节能减排的关键材料之一;同时,PTFE滤料还可用于腐蚀性高温环境下的气固两相分离领域,作为过滤分离材料。
  
  目前,我国约有40多套城市生活垃圾焚烧炉和危险固体废弃物焚烧炉,全部采用以本项目研制的PTFE长、短纤维产品为原料生产的PTFE除尘滤料,总过滤面积达到70多万平方米以上,使用的PTFE纤维总量约为595.31吨。例如2009年全年,用于生产垃圾焚烧炉的袋式除尘器滤料中所使用的PTFE长纤维为40吨,短纤维的用量则达到240吨,占整个垃圾焚烧行业用量的91%以上。
  
  在电力行业,已有9家电厂使用本项目生产的PTFE长纤维制成的滤袋基布,总面积达24.5万平方米,使用PTFE纤维总重约为36.75吨。聚四氟乙烯基布为中国电力行业30000小时滤料使用寿命提供关键支持,目前市场占有率超过50%。纯PTFE纤维覆膜滤料连续使用温度高达250℃,瞬间工作温度达到280℃,耐酸耐碱,不被水解,不被氧化。使用寿命长达4年,远超过普通的覆膜滤料。
  
  据介绍,PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物,也称为可入肺颗粒物,对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比,PM2.5粒径小,富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远,因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。
  
  在中国大部分地区,特别是工业集中的华北地区,PM2.5占到了整个空气悬浮颗粒物重量的大半。PM2.5也是形成灰霾天气的主因,而过去我国的空气环境质量标准中没有PM2.5。
  
  环保部近期发布了《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》,首次对悬浮在空气中,直径小于等于2.5微米的颗粒物PM2.5的测定进行了规范。使用聚四氟乙烯基布及其覆膜滤料的除尘产品对PM2.5的过滤效率高达99.99%。
  
  以上这些都为我国实施节能减排的方针政策作出了巨大贡献,使我国在PTFE滤料这一关键领域不再受制于人,并且为国家节省了环保投资成本。
  
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