高性能芳纶纤维纸基材料的研究

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芳纶纤维是全芳香族聚酰胺纤维的通称,它是一类集高物理机械性能、热稳定性、阻燃性、电绝缘性和耐辐射性等优良性能于一身的合成纤维。根据化学结构和相对性质的差异,芳纶纤维可以分为两种主要类型:一类是以耐热性、难燃性为特征的芳纶1313纤维;一类是以高强度、高弹性模量,耐热性为特征的芳纶1414纤维。 由芳纶1313纤维生产的芳纶纸具有良好的物理机械性能和电气绝缘性能,是目前世界上发展最快的耐高温绝缘材料。但是国产芳纶1313纸性能指标与杜邦同类产品存在很大差距,为了提高国产芳纶纸的性能,本课题引入了造纸领域从未应用过的芳纶1414纤维,并系统地研究分析了芳纶1414纤维的形态、物理化学性能和在湿法造纸中的抄造性能及成纸机理。充分利用AFM、SEM、PCD、FQA、IR、DTA、XRD、多媒体显微镜等观察测试手段,通过大量正交实验及单因素实验,对芳纶1414短切纤维和芳纶1313沉析纤维的预处理方法、打浆方式、纤维配比、上网浓度、抄造方式、分散剂选择和用量、等离子体表面改性、热压工艺等进行了广泛的研究,改进并确定了芳纶纸湿法成形工艺;此外,对芳纶纤维絮聚、湿法成形、等离子体处理、热压等相关机理进行了一定程度的分析研究,形成了一套较为切实可行的芳纶1414纸生产工艺及其初步理论认识。 芳纶1414短切纤维抄纸时最佳纤维长度规格为4mm,纤维表面最佳预处理方法为:温度为60℃、浓度为1.2×10-3mol/L的十二烷基苯磺酸钠(LAS)热水溶液洗涤30min,最后用清水冲洗。 与Valley打浆机相比,短切纤维和沉析纤维打浆均更适合在PFI磨中进行,短切纤维最佳打浆工艺参数为:打浆转数1000转,打浆间隙0.2mm,打浆浓度10%,加压方式为1000转内逐渐加压至全压;沉析纤维的最佳打浆工艺参数为:打浆转数为2000转,打浆间隙为0.3mm,打浆浓度为6%。加压方式为1000转内逐渐加压至全压。 芳纶纸抄造时的最佳工艺参数为:短切纤维和沉析纤维配比为1.1:1,PEO用量为0.22%,浆料浓度为1/3500;分层层合的抄造方式优于一次成形的抄造方式。 低温等离子体处理是一种对提高芳纶纤维润湿性和分散能力很好的表面改性方法。 芳纶纸热压工艺参数为:温度250℃,压力190bar,辊速2.5m/min,热压次数4次。 芳纶纸热压机理为:沉析纤维熔融粘结短切纤维,一起形成了“钢筋混凝土结构”。沉析纤维的熔融和压力的外在条件使得纸张结晶度提高;沉析纤维形变和迁移的结果是使得纤维间空隙变小和变少,纤维间结合面积更大,纤维结合更紧密。 芳纶1414纤维纸比芳纶1313纤维纸抗张指数高19.66%,撕裂指数高15.66%,最小击穿电压与定量比值高57.04%,但是,芳纶1414纸断裂伸长率却只有芳纶1313纸的20.07%。
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