納米纖維素增強芳綸云母紙性能的研究

黨婉斌 陸趙情,* 王臘梅 胡文靜 丁 威

(1.陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室, 陜西西安,710021；2.浙江仙鶴股份有限公司,浙江衢州,324022)

·芳綸云母紙增強·

納米纖維素增強芳綸云母紙性能的研究

黨婉斌1陸趙情1,*王臘梅1胡文靜1丁 威2

(1.陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室, 陜西西安,710021；2.浙江仙鶴股份有限公司,浙江衢州,324022)

為了改善芳綸云母紙成紙性能,研究了添加納米纖維素(NFC)對芳綸云母紙性能的影響；同時采用單因素控制法確定NFC用量和超聲波處理NFC對芳綸云母紙性能的影響,得到優(yōu)化的工藝條件；并探究NFC增強芳綸云母紙的機理。結(jié)果表明,NFC添加量為10%(NFC∶芳綸∶云母=1∶2∶7)時,相比空白樣，紙張抗張強度增加了447.6%，介電強度增加了6.3%；超聲波處理NFC的最佳條件為：超聲波功率1000 W,處理時間15 min,NFC初始濃度1.5%；相對于未經(jīng)超聲波處理的NFC,超聲波處理NFC的NFC-芳綸云母紙的抗張強度增加了197.2%,介電強度增加了26.9%。NFC的加入填充了芳綸云母紙表面及內(nèi)部的空隙,又在一定程度上減少了芳綸纖維的用量。

NFC;芳綸纖維;NFC-芳綸云母紙;超聲波處理

(*E-mail: luzhaoqing@sust.edu.cn)

芳綸云母紙是芳香族聚酰胺纖維與云母直接結(jié)合的一種新型紙基材料,具有良好的電氣性能、機械加工性能和耐熱性能,因此被廣泛應(yīng)用于中型高壓電機和變壓器中。芳綸云母紙是由云母鱗片、芳綸短切纖維和芳綸沉析纖維濕法成形得到[1-3]。芳綸纖維的加入賦予了純云母紙良好的機械性能,但由于云母鱗片和芳綸纖維都屬于表面惰性較強的材料,在一定程度上影響了云母與纖維的結(jié)合,造成芳綸云母紙結(jié)構(gòu)疏松[4-7]。納米纖維素(NFC)是一種高強度、高模量的新型纖維材料,同時具有較高比表面積,對復(fù)合材料的機械強度、模量、熱穩(wěn)定性和熱膨脹性等均有明顯的改善作用,被廣泛應(yīng)用于增強復(fù)合材料、吸附材料、過濾材料、生物醫(yī)藥材料等領(lǐng)域[8-10]。為了進一步提高芳綸云母紙的機械強度,改善其絕緣性能,本研究采用NFC作為增強材料,與芳綸纖維和云母混抄制備NFC-芳綸云母紙。

本研究分析了芳綸纖維和NFC的配比以及超聲波處理NFC對NFC-芳綸云母紙的抗張性能和介電性能的影響,同時探究了NFC-芳綸云母紙的成紙機理,以期獲得性能優(yōu)良的NFC-芳綸云母紙。

1 實 驗

1.1 實驗原料

1.1.1 原料與試劑

白云母,有玻璃光澤、無色透明、表面光滑、表面活性基團多，由東方電機有限公司提供。

聚氧化乙烯(PEO)、十二烷基苯磺酸鈉(LAS),由國藥集團化學(xué)試劑公司提供。

1.1.2 芳綸纖維

對位芳綸短切纖維,平均長度為4～6 mm,玻璃化溫度約為270℃；對位芳綸沉析纖維,平均長度為0.644～0.869 mm；均由河北硅谷化工有限公司提供。

1.1.3 納米纖維素

納米纖絲化纖維素(NFC),固含量為3.5%。

1.2 實驗方法

1.2.1 芳綸短切纖維的預(yù)處理

配制十二烷基苯磺酸鈉(LAS)溶液對芳綸短切纖維進行洗滌。有文獻表明[11],LAS的洗滌效果在臨界膠束濃度(CMC)時最好。為了進一步增強LAS洗滌效果,把LAS粉末溶解在60℃的熱水中并配制成濃度為1.2 mmol/L的溶液(CMC≈1.2 mmol/L,60℃),然后浸泡、攪拌洗滌芳綸短切纖維約30 min,最后用清水沖洗干凈,撕碎后干燥備用。

1.2.2 NFC的超聲波處理

取計算量的NFC,配置成溶液,分別控制單因素變量和超聲波處理時間、超聲波功率、纖維素(溶液的)初始濃度,探究超聲波處理條件對NFC分散性的影響。為避免實驗過程中溶液溫度過高影響實驗結(jié)果，實驗要在冰水浴條件下進行。

1.2.3 NFC-芳綸云母紙的成形

NFC-芳綸云母紙的定量為100 g/m2,固定纖維用量為30%,其中NFC與芳綸纖維的配比分別是0∶30%,5%∶25%,10%∶20%,15%∶15%。首先,將NFC在一定條件下進行超聲波處理備用；其次,將芳綸短切纖維放入標準纖維解離器中分散,加入用量0.5%的PEO作為分散劑,疏解20000轉(zhuǎn)之后加入芳綸沉析纖維共同疏解3000轉(zhuǎn),之后加入云母鱗片疏解1000轉(zhuǎn)得到混合溶液；最后,分別將NFC懸浮液和混合溶液加入到紙頁成型器中,成形得到濕紙幅,壓榨4 min,并在105℃條件下烘干5～10 min。

1.3 實驗儀器

S260標準纖維解離器,JY99-IIDN超聲波細胞粉碎機,BBS-3紙頁成型器,TD11-H紙頁壓榨機,DC-HJY03電腦測控厚度緊度儀,L&WSE- 062抗張強度測試儀,S- 4800掃描電子顯微鏡(SEM),TH2817LCR數(shù)字電橋。

2 結(jié)果與討論

2.1 NFC和芳綸纖維配比對NFC-芳綸云母紙性能的影響

實驗中纖維與云母的配比為3∶7,通過改變NFC的添加量,從而改變云母與芳綸纖維的配比,并抄造NFC-芳綸云母紙。

圖1為NFC添加量對NFC-芳綸云母紙性能的影響。由圖1可以看出,隨著NFC添加量的增加,NFC-芳綸云母紙的抗張強度和介電強度均有所提高。當(dāng)加入NFC后,由于NFC表面具有豐富的游離羥基、長徑比大、比表面積大,纖維間易交織形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),增加氫鍵的形成,增強纖維間的結(jié)合力[12],因此添加NFC可提高紙張的抗張強度；NFC纖維較細,易將芳綸纖維和云母包裹起來形成較緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在一定程度上有利于成紙的介電強度和機械性能的改善。實驗結(jié)果表明,當(dāng)NFC的添加量為10%時,紙張抗張強度為0.78 N/mm，相比空白樣增加了447.6%；介電強度為8.45 kV/mm，相比空白樣增加了6.3%，NFC-芳綸云母紙的機械性能與絕緣性能達到最優(yōu)。

圖1 NFC添加量對NFC-芳綸云母紙性能的影響

2.2 超聲波處理NFC對NFC-芳綸云母紙性能的影響

實驗研究了超聲波處理NFC對NFC-芳綸云母紙的影響,主要采用單因素控制法研究超聲波處理時間、超聲波功率和NFC初始濃度3個因素對NFC-芳綸云母紙性能的影響,實驗結(jié)果見圖2。

云母和芳綸纖維都屬于表面惰性較強的材料,且芳綸纖維表面比較光滑,因此,在形成芳綸云母紙時,兩種材料間的結(jié)合力較小,使得成紙的強度性能較差[4-7]。加入NFC可填充芳綸云母紙中的空隙,但是由于NFC自身表面活性大,很難分散,在紙張成形過程中會產(chǎn)生絮聚,從而影響成紙性能。超聲波處理過程中,NFC受空化作用均勻分散在水溶液中[13],形成穩(wěn)定的懸浮液,有利于在紙張成形過程中很好地分散于云母和芳綸纖維中,進一步填充了紙張內(nèi)部的空隙,同時對芳綸云母也起到包覆作用,從而提高了紙張的介電性能。另一方面,NFC經(jīng)超聲波處理后,NFC-芳綸云母紙的厚度從0.163 mm降低0.151 mm,纖維彼此之間的距離減小,增加氫鍵結(jié)合,從而提高纖維間結(jié)合力,紙張機械性能提高。實驗結(jié)果表明,NFC超聲波處理的最佳條件為：超聲波功率1000 W,處理時間15 min,NFC初始濃度為1.5%,此時，NFC-芳綸云母紙的性能最優(yōu)。相對于未超聲波處理的NFC，經(jīng)超聲波處理的NFC，其NFC-芳綸云母紙的抗張強度提高了197.2%,介電強度提高了26.9%。

圖2 超聲波處理NFC對NFC-芳綸云母紙性能的影響

圖3 不同芳綸云母紙的SEM圖

2.3 NFC-芳綸云母紙成紙綜合分析

2.3.1 成紙結(jié)構(gòu)分析

圖3為不同芳綸云母紙的SEM圖。由圖3(a)分析可得出,芳綸云母紙是芳綸短切纖維將云母和芳綸沉析纖維連結(jié)在一起、芳綸沉析纖維附在云母鱗片表面和形成的空隙之中,利用芳綸短切纖維和芳綸沉析纖維的共同作用提高云母紙的性能,但是由于芳綸短切纖維及云母的表面特性,紙張表面仍有空隙,間接影響芳綸云母紙的整體性能；加入10% NFC之后的NFC-芳綸云母紙如圖3(b)所示,紙張中空隙明顯減少,表面趨于平整光滑,但可看出紙張少數(shù)部分空隙仍未被覆蓋,主要是NFC分散效果不好,容易在紙張形成過程中絮聚；從圖3(c)及其局部放大圖3(d)分析可得出,超聲波處理的NFC分散效果較好,可以搭接在芳綸纖維和云母表面并交織成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),同時NFC自身細小以及獨特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其吸附力較大,更易黏結(jié)在云母和芳綸纖維表面,形成更緊密的結(jié)構(gòu),從而使成紙整體性能得到優(yōu)化。

2.3.2 成紙性能對比

不同芳綸云母紙的抗張強度和介電強度性能變化如表1和圖4所示。

表1 不同芳綸云母紙性能檢測數(shù)據(jù)匯總

圖4 不同芳綸云母紙的抗張強度和介電強度對比圖

3 結(jié) 論

采用納米纖維素(NFC)作為增強材料，與芳綸纖維和云母混抄制備NFC-芳綸云母紙。

3.1 NFC的添加顯著提高了紙張的抗張強度和介電強度。當(dāng)NFC添加量為10%時,紙張抗張強度為0.78 N/mm,相比空白樣增加了447.6%；紙張介電強度為8.45 kV/mm,相比空白樣增加了6.3%。

3.2 超聲波處理NFC的工藝條件為：超聲波功率為1000 W,處理時間為15 min,纖維素初始濃度為1.5%時,NFC-芳綸云母紙的性能最優(yōu)。相比于添加未經(jīng)超聲波處理的NFC,紙張的抗張強度增加了197.2%,介電強度增加了26.9%。

3.3 NFC的加入,主要填充芳綸云母紙表面及內(nèi)部的空隙,超聲波處理NFC之后,NFC可在芳綸纖維和云母表面交織成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),進一步填充紙張的空隙,提高了NFC-芳綸云母紙的介電性能及機械性能。同時,在一定程度上減少了芳綸纖維的用量。

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(責(zé)任編輯：常 青)

Enhancement of the Performances of Aramid-mica Paper by Adding NFC

DANG Wan-bin1LU Zhao-qing1,*WANG La-mei1HU Wen-jing1DING Wei2

(1.CollegeofBioresourcesChemicalandMaterialsEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,ShaanxiProvinceofKeyLabofPaperTechnologyandSpecialtyPaper,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021;2.ZhejiangXianheCo.,Ltd.,Quzhou,ZhejiangProvince, 324022)

In order to improve the performance of aramid-mica paper, the effect of adding NFC on aramid-mica paper properties was studied.At the same time, optimized process including the amount of NFC and the treatment condition of ultrasonic treated NFC was determined by using single factor control method.Finally, the mechanism of NFC enhancing aramid-mica paper was discussed.The study showed that when the adding amount of 10% NFC (NFC∶aramid∶mica=1∶2∶7), the mechanical and electrical properties of aramid-mica paper were increased 447.6% and 6.3% respectively compared with the control sample.At the same time using ultrasonic treated NFC as substitute of the untreated one, the tensile strength and electrical strength of the composite paper increased by 197.2% and 26.9% respectively compared with the paper using untreated NFC.The condition of ultrasonic treatment of NFC were as followed: power of ultrasonic 1000 W, treatment time 15 min, NFC consistency of 1.5%.Finally, the addition of NFC not only filled paper surface and internal space, but to a certain extent, improved the overall performance of aramid-mica paper．

NFC； aramid fiber； mica composite paper； ultrasonic

黨婉斌女士,在讀碩士研究生；主要從事高性能纖維及其紙基功能材料方面的研究。

2017- 02- 07(修改稿)

TS761;TQ34+.7

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.05.004

*通信作者：陸趙情,博士，教授；研究方向：高性能纖維及其紙基功能材料。