芳纶1414纸基功能材料及其增强技术的研究

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由对位芳纶纤维制备的芳纶1414纸基功能材料因其具有强韧的机械性能、优良的介电性能、稳定的化学性能以及灵活的可设计性,广泛应用于高强化、轻量化蜂窝结构材料,耐高温绝缘材料和高性能电子通讯器材等领域。与间位芳纶纸相比,芳纶1414纸基功能材料因短切纤维分子呈结晶棒状结构,且纤维表面光滑而缺乏化学活性,纤维间缺乏有效的结合,导致其力学性能较差,不能充分体现纤维本身高强、高模的特点,故需要进行特殊的增强处理。本文利用传统造纸工艺中的化学机械法原理对芳纶1414浆粕进行打浆处理,通过借鉴植物纤维的表征方法,再结合现代材料学分析手段,对造纸用芳纶1414浆粕结构性能进行了初步表征;在此基础上,系统地研究了全对位芳纶纸基材料性能的影响因素和规律,并通过分别引入热塑性黏结纤维和改性酚醛树脂对其进行增强处理,获得了较优的对位芳纶纸抄造工艺及其增强方法。首先,本文利用多媒体显微镜、扫描电镜(SEM)、纤维质量分析(FQA)和Bauer筛分分析、红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、热性能分析(TG)等多种测试手段,对芳纶1414短切纤维及经槽式打浆处理的浆粕纤维的外观形态、化学结构、热性能和湿法抄造性能进行了分析和表征。通过自制高性能分散剂S,探讨了芳纶1414浆粕和短切纤维共混体系分散相容性能的影响因素,系统地研究了芳纶1414浆粕纤维和短切纤维配比、浆粕打浆度以及短切纤维长度对成纸性能的影响,获得了较优的全对位芳纶纸抄造工艺:浆粕打浆度35°SR,短切纤维长度5mm,配比浆粕/短切=7:3,分散剂S用量0.5%(对总的绝干纤维量),纸张各性能指标分别为抗张指数68.17N·m/g,撕裂指数20.95mN·m2/g,伸长率1.36%,耐压强度19.51KV/mm。经黏结纤维Y增强制备的混合对位芳纶纸正交热压实验表明,对于成纸的机械强度和介电性能,预热温度为最主要影响因素,热压压力和压辊转速次之,热压次数影响相对较小,最佳热压工艺条件为:预热温度180℃,热压压力14MPa,热压次数2次,辊子转速1r/min。当黏结纤维Y用量为10%(对总的绝干纤维量)时,混合对位芳纶纸可以达到较为理想的增强效果,各性能指标分别为:抗张指数77.03N·m/g,撕裂指数24.10mN·m2/g,伸长率1.75%,耐压强度16.33Kv/mm,300℃下纸张热失重为9.01%。最后,采用改性酚醛树脂对混合对位芳纶纸进行表面增强处理,研究了树脂特性、浸渍方式和固化工艺对芳纶纸基复合材料性能的影响,确定了较优的表面增强工艺:采用平板热压机热压固化,共分为三个阶段,每阶段各10min。第一阶段热压压力和热压温度分别5MPa和120℃;第二阶段10MPa,180℃;第三阶段15MPa,260℃。固化过程中短暂卸压2~3次,以除去纸页中溶剂及其他小分子副产物等残余组分。在优化条件下经树脂R2增强制备的对位芳纶纸基复合材料各性能指标分别为:抗张指数109.75N·m/g,撕裂指数25.38mN·m2/g,拉伸率1.91%,耐压强度21.15KV/mm。
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