間位芳綸纖維配比對(duì)泡沫成形體系中泡沫性質(zhì)及紙張性能的影響

甄曉麗 張美云 宋順喜 王珮瑤

摘要：采用泡沫成形方法抄造間位芳綸紙，研究了泡沫成形體系下芳綸沉析纖維與短切纖維配比對(duì)泡沫性質(zhì)及紙張性能的影響。結(jié)果表明，與水相成形方法相比，采用泡沫成形方法可使壓榨后紙幅干度提高3個(gè)百分點(diǎn)。提高短切纖維含量，有利于提高濕紙幅于度、體系的起泡性能和泡沫穩(wěn)定性。與水相成形相比，采用泡沫成形方法有利于分散長(zhǎng)纖維，同時(shí)提高成形濃度。當(dāng)達(dá)到相同的勻度指數(shù)時(shí)，采用泡沫成形方法可使抄紙成形濃度提高8倍;當(dāng)成形濃度為0.4%時(shí)，泡沫成形制備的芳綸紙抗張指數(shù)與水相成形相比可提高35.4%，且擊穿強(qiáng)度基本不受影響;因此，泡沫成形方法對(duì)于提高芳綸紙成形濃度、節(jié)約干燥能耗、改善紙張性能方面具有突出優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：間位芳綸纖維;配比;成形濃度;泡沫成形;紙張性質(zhì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TS722

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10. 11980/j.issn.0254-508X.2019. 12. 004

芳綸纖維紙基復(fù)合材料由于其優(yōu)異的絕緣性能、耐熱性能和強(qiáng)度性能，廣泛應(yīng)用于電氣絕緣、軌道交通和航空航天等領(lǐng)域[1]。但由于芳綸纖維表面光滑、缺少活性官能團(tuán)、長(zhǎng)度較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，在成紙過(guò)程中極易發(fā)生絮聚[2]，導(dǎo)致成紙勻度較差，影響芳綸紙綜合性能。為了改善芳綸纖維的分散性，常用的方法包括：①減小纖維長(zhǎng)度，增加纖維粗度;②加入高效分散劑;③對(duì)纖維進(jìn)行改性;④降低成形濃度[3]。其中，降低成形濃度是最簡(jiǎn)單也是最有效的改善芳綸纖維分散性方法。一般采用植物纖維造紙，漿料上網(wǎng)濃度通常小于1%，而采用芳綸纖維時(shí)，為了保證纖維的均勻分散，上網(wǎng)濃度會(huì)低至0.005%～0.05%[4]，導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中用水量巨大。因此，提高芳綸紙成形濃度的同時(shí)保證芳綸紙性能是該領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。

泡沫成形技術(shù)的出現(xiàn)為上述問(wèn)題的解決提供了新思路。20世紀(jì)70年代，Radvan等人[5]提出泡沫成形技術(shù)，是指以泡沫代替水作為介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)纖維分散和紙張成形。泡沫成形不僅可以提高長(zhǎng)纖維的分散效果，而且可以提高成形濃度，降低造紙用水量[6]。目前，芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心（VTT）在泡沫成形領(lǐng)域做了大量的研究工作，主要集中在泡沫成形過(guò)程泡沫的表征、表面活性劑對(duì)植物纖維分散與成紙性能的影響，以及利用泡沫成形方法制備纖維素基的功能材料等方面[7-11]。2019年4月，VTT和芬蘭科學(xué)院共同投資300萬(wàn)歐元在VTT位于Jyvaskyla的工廠建設(shè)中試生產(chǎn)線，采用泡沫成形技術(shù)生產(chǎn)多孔材料、絕緣制品及非織造布等產(chǎn)品。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)于泡沫成形技術(shù)的研究相對(duì)較少，且主要集中在植物纖維上[12]，在合成纖維的研究方面鮮有報(bào)道。

本研究主要是將泡沫成形技術(shù)應(yīng)用于間位芳綸紙的成形，重點(diǎn)研究了芳綸沉析纖維與短切纖維配比對(duì)泡沫性質(zhì)與芳綸紙性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原料

間位芳綸沉析纖維，平均長(zhǎng)度0.8 mm，打漿度35.5°SR;間位芳綸短切纖維，平均長(zhǎng)度6 mm。十二烷基硫酸鈉（SDS），分析純，購(gòu)自天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開(kāi)發(fā)有限公司。十二烷基苯磺酸鈉，分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。聚氧化乙烯（PEO），購(gòu)自阿拉丁試劑（上海）有限公司。

1.2儀器

IKA EUROSTAR 20攪拌器（德國(guó)IKA）;AQJ1-B-Ⅱ紙樣抄取器（陜西科技大學(xué)造紙機(jī)械廠）;TD11-H紙頁(yè)壓榨機(jī)（咸陽(yáng)通達(dá)輕工設(shè)備有限公司）;LAD07紙張塵埃勻度儀（加拿大）;062抗張強(qiáng)度儀（瑞典L&W）;CS2672CX耐壓測(cè)試儀（南京長(zhǎng)盛公司）。

1.3實(shí)驗(yàn)方法1. 3.1芳綸紙的抄造

采用十二烷基苯磺酸鈉對(duì)芳綸纖維進(jìn)行預(yù)處理[13]，以去除纖維表面油劑。采用泡沫成形方法抄造芳綸紙時(shí)，其成形過(guò)程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)抄造的芳綸紙定量為63 g/m2，將沉析纖維與短切纖維按照1：9、3：7、6：4、7：3、9：1比例混合，加入0.4 g/L的SDS，調(diào)節(jié)纖維質(zhì)量濃度為0.4%。設(shè)定攪拌器轉(zhuǎn)速3000 r/min，攪拌漿料20 min后，迅速倒入抄片器成形，經(jīng)壓榨、干燥后制得間位芳綸紙。采用水相成形時(shí)，芳綸沉析與短切纖維比例為6：4，PEO用量為絕干纖維量的0.12%[14]。紙張成形之后，對(duì)芳綸紙熱壓處理，其條件為溫度250℃，壓力100 kN，速度為3 m/min。

1.3.2芳綸紙干度的測(cè)定

芳綸紙成形后，剪成3 cmx7 cm的紙片，稱(chēng)量得到壓榨前紙張質(zhì)量m2;將紙張壓榨4 min后，再次稱(chēng)量得到壓榨后紙張質(zhì)量m3。最后將此紙張剪碎成約1 cmx1 cm的紙片并置于已經(jīng)恒質(zhì)量的稱(chēng)量瓶（m1）中，再恒質(zhì)量4h，取出并放于干燥器中冷卻至室溫，記錄稱(chēng)量瓶和紙樣質(zhì)量為m4。壓榨前后紙張干度的計(jì)算按照式（1）和式（2）進(jìn)行。

壓榨前干度=1-m2-（m4-m1）/m2×100%（1）

壓榨后干度=1-m3-（m4-m1）/m3×100%（2）

1.3.3纖維保水值測(cè)定

稱(chēng)取約0.5 g的絕干漿料，置于離心管內(nèi)，以3000 g的離心力離心30 min后，取出漿料稱(chēng)量，置于恒質(zhì)量的稱(chēng)量瓶稱(chēng)量，然后放入烘箱中干燥至恒質(zhì)量。保水值的計(jì)算如式（3）所示。

保水值=n1-n2/n1×100%

（3）

式中，n1表示離心后濕漿質(zhì)量，g;n2表示絕干漿質(zhì)量，g。

1.3.4泡沫性質(zhì)表征

采用起泡性、濾水體積和泡沫大小及分布表征泡沫性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)配制不同配比的芳綸沉析/短切纖維懸浮液，加入0.4 g/L的SDS，攪拌轉(zhuǎn)速為3000 r/min，每隔2 min記錄一次體系泡沫高度，連續(xù)攪拌20 min后記錄最終高度。通常用濾水體積達(dá)到50%初始液體體積所用的時(shí)間來(lái)表征泡沫的穩(wěn)定性[15]。采用顯微鏡獲取泡沫圖片，通過(guò)圖像統(tǒng)計(jì)法計(jì)算泡沫平均尺寸及尺寸分布。

1.3.5芳綸紙性能檢測(cè)

對(duì)所制備的芳綸紙恒溫恒濕處理24 h后進(jìn)行物理性能檢測(cè)?？箯堉笖?shù)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12914-2018進(jìn)行計(jì)算。擊穿電壓采用耐壓測(cè)試儀測(cè)定，擊穿強(qiáng)度為擊穿電壓與厚度的比值。

2結(jié)果與討論

2.1泡沫成形對(duì)芳綸紙干度的影響

圖2為泡沫成形體系下芳綸纖維配比對(duì)芳綸紙干度的影響。與水相成形相比，當(dāng)沉析與短切纖維配比為6：4時(shí)，泡沫成形制備的芳綸紙壓榨前干度提高了5個(gè)百分點(diǎn)，壓榨后芳綸紙干度提高了3個(gè)百分點(diǎn)。干度的提高有利于降低干燥能耗[16]。此外，隨著沉析纖維含量的增多，芳綸紙的干度有所下降，主要是由于沉析纖維保水值高（沉析纖維保水值為220.8%，短切纖維的保水值為15.3%）所致。

2.2泡沫性質(zhì)分析

泡沫體系下芳綸纖維配比對(duì)泡沫體系起泡性能的影響如圖3所示。由圖3可知，相比于純泡沫（無(wú)纖維）體系，纖維的加入會(huì)降低起泡高度。隨著沉析纖維含量的增加，起泡高度逐漸降低。這主要是因?yàn)槔w維的加入會(huì)阻隔表面活性劑在氣液界面上的動(dòng)態(tài)吸附與釋放，對(duì)泡沫的生成產(chǎn)生抑制作用。當(dāng)表面活性劑用量與能量輸入一定時(shí)，由于纖維的阻隔作用，體系中傾向于產(chǎn)生更小的泡沫。

泡沫成形體系中，泡沫的穩(wěn)定性直接關(guān)系到漿料輸送過(guò)程中纖維分散狀態(tài)的穩(wěn)定性。圖4為芳綸纖維配比對(duì)泡沫體系穩(wěn)定性的影響。由圖4可知，與純泡沫（無(wú)纖維）體系相比，加入纖維后的濾水速度有所降低，且穩(wěn)定性隨短切纖維含量的增加而增強(qiáng)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，水從泡沫中濾到底部需經(jīng)過(guò)泡沫間的柏拉圖通道[17]。由于纖維存在于泡沫與泡沫之間的柏拉圖通道內(nèi)，阻隔了水的濾出，因此加入纖維后，泡沫體系的穩(wěn)定性有所提高。間位芳綸短切纖維由于長(zhǎng)度更長(zhǎng)，所以對(duì)水的阻隔作用更強(qiáng)，有利于減緩泡沫的演化，因此在泡沫體系中提高短切纖維含量可提高泡沫的穩(wěn)定性。此外，由圖4（b）可知，當(dāng)沉析纖維與短切纖維配比為7：3時(shí)，泡沫平均尺寸由110 um增加至140 um，致使泡沫之間的柏拉圖通道尺寸增加，因而水更容易濾出，穩(wěn)定性更差。因此，體系穩(wěn)定性隨短切纖維含量的增加而增加。

2.3芳綸纖維配比對(duì)芳綸紙性能的影響

2. 3.1勻度指數(shù)

圖5為泡沫成形體系下芳綸纖維配比對(duì)芳綸紙勻度指數(shù)的影響。由圖5可以看出，在水相體系下，降低成形濃度可有效改善芳綸紙的勻度。當(dāng)成形濃度為0.4%時(shí)，采用泡沫成形方法制備的芳綸紙具有更佳的勻度，且與水相體系0.05%成形濃度下制備的芳綸紙勻度指數(shù)接近。當(dāng)芳綸紙勻度指數(shù)相近（39）時(shí)，采用泡沫成形技術(shù)可以使纖維成形濃度從0.05%提高到0.4%，成形濃度提高8倍。

2.3.2擊穿強(qiáng)度

圖6為泡沫成形下芳綸纖維配比對(duì)芳綸紙擊穿強(qiáng)度的影響。由圖6可知，泡沫成形體系中，隨著沉析纖維含量的增多，芳綸紙擊穿強(qiáng)度增大。當(dāng)成形濃度為0.4%時(shí)，兩種成形方法制備的芳綸紙擊穿強(qiáng)度相當(dāng)，而當(dāng)水相成形濃度為0.05%時(shí)，擊穿強(qiáng)度卻稍低于泡沫成形體系所抄芳綸紙的。這是因?yàn)楫?dāng)水相成形濃度為0.4%時(shí)，由于在芳綸紙內(nèi)部纖維分布極不均勻，僅能測(cè)出沉析纖維集中的區(qū)域，導(dǎo)致測(cè)量值偏高。而當(dāng)成形濃度為0.05%時(shí)，在芳綸紙內(nèi)部短切纖維與沉析纖維分布較為均勻，數(shù)據(jù)具有一定的可比性。由此可知，采用泡沫成形方法制備的芳綸紙由于纖維分散性得到改善，在較高的成形濃度下也可獲得較高的擊穿強(qiáng)度。

2.3.3抗張指數(shù)

圖7為泡沫成形體系下芳綸纖維配比對(duì)芳綸紙抗張指數(shù)的影響。由圖7可知，隨著沉析纖維含量的增多，抗張指數(shù)呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，并在芳綸纖維配比為6：4處達(dá)到最大，與水相成形趨勢(shì)一致[15]。成形濃度為0.4%時(shí)，與水相成形方法相比，泡沫成形方法制備的芳綸紙抗張指數(shù)提高35.4%。降低水相成形濃度，芳綸紙抗張指數(shù)逐漸提高，主要是由于成形濃度的降低提高了纖維的分散性，纖維結(jié)合得到改善所致。

3結(jié)論

以間位芳綸沉析纖維與短切纖維為原料，采用泡沫成形方法研究了間位芳綸沉析與短切纖維配比對(duì)泡沫性質(zhì)與芳綸紙性能的影響。

3.1泡沫成形體系下，芳綸紙干度隨短切纖維配比的增大而增大;當(dāng)沉析纖維與短切纖維配比為6：4時(shí)，泡沫成形可使壓榨后芳綸紙干度提高3個(gè)百分點(diǎn)，有利于后續(xù)干燥能耗的節(jié)約。

3.2泡沫成形體系下，隨著短切纖維含量的增多，起泡性和泡沫穩(wěn)定性均增加，泡沫尺寸變小。

3.3與水相成形方法相比，當(dāng)芳綸紙勻度指數(shù)接近39時(shí)，泡沫成形可大幅提高成形濃度，且對(duì)芳綸紙的擊穿強(qiáng)度影響不大;在相同的成形濃度（0.4%）下，泡沫成形制備的芳綸紙抗張指數(shù)比水相成形的芳綸紙?zhí)岣?5.4%。

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（責(zé)任編輯：董風(fēng)霞）