熱壓對芳綸纖維紙性能的影響

楊 兵，惠嵐峰，劉 倩，韓 旭

(天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457)

芳綸纖維是一種強度高、模量大，耐熱性好的具有良好絕緣性能的新型合成纖維材料[1].依據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，主要分為對位芳酰胺纖維和間位芳酰胺纖維.對位芳酰胺纖維的化學(xué)名稱是聚對苯二甲酰對苯二胺纖維(PPTA)，其中酰胺基團(tuán)連接位是1 號位和4 號位，故將其也稱作芳綸1414.它是采用高分子液晶紡絲工藝生產(chǎn)的，具有強度高、模量大、密度較小、耐高溫的性能，其主要的纖維形態(tài)是芳綸短切纖維和芳綸漿粕纖維.間位芳酰胺纖維的化學(xué)名稱是聚間苯二甲酰間苯二胺纖維(PMIA)，其中酰胺基團(tuán)連接位是1 號位和3 號位，故將其也稱作芳綸1313.它是間苯二甲酰氯和間苯二胺經(jīng)縮聚后采用濕法紡絲而成的，具有良好的耐熱性能和難燃性能，其主要的纖維形態(tài)是沉析纖維[2-3].

芳綸纖維紙是對位芳酰胺纖維通過濕法抄造成型工藝制備而成，具有比強度大、比剛度大、密度輕、抗沖擊、自熄性好、高溫穩(wěn)定性良好等特點，廣泛應(yīng)用于高溫絕緣材料領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域和高性能電子器材領(lǐng)域等[4].

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，芳綸纖維紙的需求越來越大，熱壓過程是制備芳綸纖維紙的重要工藝.在熱壓過程中，熱壓壓力、熱壓溫度以及熱壓時間都會對熱壓效果有影響.有研究[5]發(fā)現(xiàn)，在一定的溫度和壓力下，聚合物纖維的結(jié)晶度和取向度會增加，其中對結(jié)晶度貢獻(xiàn)最大的是溫度，對取向度貢獻(xiàn)最大的是壓力.采用一定的溫度和壓力的熱壓條件，才能夠使芳綸纖維紙成紙獲得較為優(yōu)異的性能.但熱壓條件并非越高越好，如果熱壓條件過高會導(dǎo)致成紙的緊度過高，外觀也會受到影響，甚至出現(xiàn)芳綸纖維紙粘熱壓板，不易揭紙等現(xiàn)象.本實驗先對芳綸短切纖維原料進(jìn)行預(yù)處理，然后選取預(yù)處理效果適宜的芳綸短切纖維，采用平板硫化機(jī)探究最佳的熱壓工藝條件.

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

芳綸短切纖維(長度為 3～5 mm，直徑約為23μm)和芳綸漿粕纖維(長度為0.2～3 mm，直徑約為37μm，打漿度為15 °SR)，深圳市特力新材料科技有限公司；十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)，分析純，上海笛柏生物科技有限公司.

RK-ZA-KWT 型標(biāo)準(zhǔn)紙頁成型器，奧地利PTI公司；1304027 型Valley 打漿機(jī)，日本KRK 株式會社；17D-45473 型肖伯爾打漿度儀，德國 Estanit GmbH 公司；Fiber Tester912 型纖維測試分析儀、970154 型漿料疏解機(jī)、991739 型抗張強度測定儀、051970243 型標(biāo)準(zhǔn)厚度儀，瑞典L&W 公司；HY-65 THL 型平板硫化機(jī)，上海恒馭儀器有限公司；JSM-6380 LV 型掃描電子顯微鏡，日本電子公司.

1.2 實驗方法

1.2.1 芳綸短切纖維的預(yù)處理方法

本實驗采用4 種預(yù)處理方法.①熱水浸漬處理：將芳綸短切纖維浸漬在90 ℃的蒸餾水中，用攪拌棒攪拌30 min，攪拌棒轉(zhuǎn)速為150 r/min.②乙醇浸漬處理：將芳綸短切纖維在體積分?jǐn)?shù)為20%的乙醇溶液中充分浸漬30 min.③SDBS熱溶液浸漬處理：將SDBS 粉末溶于 60 ℃的熱水當(dāng)中配制成濃度為1.2×10-3mol/L(臨界膠束濃度)的溶液，將芳綸短切纖維浸入其中，并用攪拌棒攪拌30 min[6]，攪拌棒的轉(zhuǎn)速為150 r/min.④堿液浸漬處理：將芳綸短切纖維在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH 溶液中浸漬30 min.4種預(yù)處理芳綸短切纖維的處理濃度皆為0.4%，預(yù)處理后將原料用清水沖洗干凈.通過分散性能的表征，選擇最優(yōu)的預(yù)處理方法，將此方法處理后的芳綸短切纖維作為抄紙原料.

1.2.2 分散性能的表征

芳綸短切纖維的浸漬結(jié)果用掃描電鏡圖和分散度進(jìn)行表征.掃描電鏡圖是指將浸漬處理前后的樣品分別通過導(dǎo)電膠固定在觀測臺上，按國標(biāo)要求制樣后置于掃描式電子顯微鏡中觀察；分散度表征是指將上述浸漬前后的芳綸短切纖維置于500 mL 的量筒中，靜置24 h，計算其分散度.分散度的大小是和分散效果好壞成正比[7].

式中：f 為分散度；V1為纖維開始沉降時懸浮液的體積，mL；V2為24 h 后上清液的體積，mL.

1.2.3 芳綸漿粕纖維的打漿處理

芳綸漿粕纖維打漿的主要作用是在盡量不降低纖維平均長度的條件下，疏解纖維使纖維細(xì)纖狀組織適當(dāng)舒展和進(jìn)一步把纖維沿縱向撕裂，使纖維產(chǎn)生更大的比表面積和更細(xì)長的纖維形態(tài)，并均勻分散，從而有利于與芳綸短切纖維更好地接觸，最終有利于紙張的勻度、表面平滑度和物理強度的提高.本研究選用Valley 打漿機(jī)處理的芳綸漿粕纖維，其打漿度為47 °SR.

1.2.4 芳綸纖維紙的抄造

芳綸纖維紙是以芳綸短切纖維和芳綸漿粕纖維為原料，通過造紙濕法成型的技術(shù)進(jìn)行抄造，后經(jīng)過熱壓成型制得的片狀復(fù)合材料[8].在芳綸纖維紙中，芳綸短切纖維是骨架，芳綸漿粕纖維填充其中；熱壓時，芳綸纖維軟化形變，從而芳綸短切纖維與芳綸漿粕纖維形成一種“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”[9-10].其抄造工藝流程圖如圖1 所示.

圖1 芳綸纖維紙的濕法抄造工藝流程圖Flg.1 Flow chart of wet process for special aramid paper

本實驗按芳綸漿粕纖維和芳綸短切纖維7∶3 的質(zhì)量比用標(biāo)準(zhǔn)紙頁成型器進(jìn)行配抄.配抄過程中先將芳綸短切纖維置于漿料疏解機(jī)中疏解10 000 r，再加入芳綸漿粕纖維，繼續(xù)疏解5 000 r 后抄造定量為70 g/cm2的紙張.

1.2.5 芳綸纖維紙的熱壓工藝

將標(biāo)準(zhǔn)紙頁成型器抄得的芳綸纖維紙，置于平板硫化機(jī)中進(jìn)行熱壓處理.選取不同的熱壓溫度(220、240、260、280 ℃)、不同的熱壓壓力(12、14、16、18 MPa)、不同的熱壓次數(shù)(1、2、3、4)以及不同的熱壓時間(15、30、45、60 s)進(jìn)行正交實驗設(shè)計，因素水平表見表1.

表1 芳綸纖維紙熱壓工藝的正交實驗因素水平表Tab.1 Orthogonal experimental factors of aramid paper hot pressing process

1.2.6 紙頁性能測定

將熱壓處理后的紙樣置于相對溫度(23±1)℃和濕度(50±2)%的條件下處理至少4 h 后，按照GB/T 451.3—2002《紙和紙板厚度的測定》測定芳綸纖維紙的緊度，按照GB/T 12914—2018《紙和紙板抗張強度的測定·恒速拉伸法(20 mm/min)》測定芳綸纖維紙的抗張強度.

2 結(jié)果與討論

2.1 芳綸短切纖維的預(yù)處理

芳綸短切纖維是紡絲制備而成的，在制備過程中需加入大量的凝固劑、溶劑及一些其他的有機(jī)試劑，導(dǎo)致在成品芳綸短切纖維的表面會存在少量的非纖維化學(xué)有機(jī)油劑.這些有機(jī)油劑大多都是憎水性的物質(zhì)，它們使得纖維不易浸潤在水介質(zhì)中，增加了芳綸短切纖維的憎水性.水的密度比芳綸短切纖維的小，芳綸短切纖維在水中應(yīng)該下沉，但由于表面有機(jī)油劑的存在，使得纖維在攪拌過程中，其表面極易吸附小氣泡導(dǎo)致其上浮，使得纖維的分散相對不易，所以必須除去這些有機(jī)油劑[11].

不同方法預(yù)處理前后芳綸短切纖維的掃描電鏡圖如圖2 所示.從圖2 可以看出：不同的處理浸漬條件下處理過的芳綸短切纖維都較未處理的芳綸短切纖維表面的有機(jī)油劑少，其中SDBS 熱溶液浸漬處理后的纖維表面最為光滑；這說明不同的浸漬條件都使得芳綸短切纖維表面的有機(jī)油劑減少，用SDBS 熱溶液浸漬處理后，芳綸短切纖維表面有機(jī)油劑減少的最多.

圖2 預(yù)處理前后芳綸短切纖維的SEM圖Flg.2 SEM images of aramid fiber before and after pretreatment

不同方法預(yù)處理前后芳綸短切纖維的分散度如圖3 所示.

圖3 預(yù)處理前后芳綸短切纖維的分散度Flg.3 Dispersion of chopped aramid fiber before and after pretreatment

由圖3 可知：浸漬處理的分散度較未處理的都有所提高，其中乙醇浸漬處理的分散度增幅為6.5%；熱水浸漬處理的分散度增幅為32.3%；SDBS 熱溶液浸漬處理的分散度增幅為45.2%；堿液浸漬處理的分散度增幅為29.0%.分散度提高最大的是用SDBS 熱溶液條件處理的樣品，說明用SDBS 熱溶液預(yù)處理芳綸短切纖維可較多地洗去其表面的有機(jī)油劑.

2.2 熱壓工藝正交實驗結(jié)果

為了尋求芳綸纖維紙的最佳熱壓工藝，進(jìn)行4 因素4 水平正交實驗，結(jié)果見表2.

表2 芳綸纖維紙熱壓工藝的正交實驗檢測結(jié)果Tab.2 Orthogonal experimental test results of aramid paper hot pressing process

芳綸纖維紙的緊度大小可以反映熱壓的效果，間接反映芳綸短切纖維和芳綸漿粕纖維間的結(jié)合情況.實驗過程中選擇了緊度和抗張指數(shù)兩個因素指標(biāo)，從表2 可以看出：在16 組實驗中，緊度的差別很小，不能僅僅將緊度作為對比各組實驗熱壓效果好壞的重要因素，因此需要結(jié)合抗張指數(shù)分析各組實驗的熱壓效果.在16 組實驗中，第12 組實驗的緊度是0.686 g/cm3，抗張指數(shù)達(dá)到6.08 N·m/g，效果相較于其他是最好的.為進(jìn)一步確定最優(yōu)的實驗條件，針對緊度和抗張指數(shù)這兩個因素進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表3、表4.

從表3 可以看出：對緊度的影響主次是A＞B＞C＞D，即熱壓溫度＞熱壓壓力＞熱壓次數(shù)＞每次熱壓的時間，最優(yōu)方案是A3B4C3D3；從表4 可以看出：對抗張指數(shù)的影響主次是A＞C＞D＞B，即熱壓溫度＞熱壓次數(shù)＞每次熱壓時間＞熱壓壓力，最優(yōu)方案是A3C2D1B4.分析影響緊度和抗張指數(shù)的主次因素，可以看出熱壓溫度既是影響緊度的主要因素又是影響抗張指數(shù)的主要因素，所以選擇A3；熱壓壓力對緊度的影響排第二位，熱壓壓力對抗張指數(shù)的影響排在第四位，但均為B4最優(yōu)，所以選擇B4；熱壓次數(shù)對抗張指數(shù)的影響排第二位，對緊度的影響排在第三位，顯然C2對抗張指數(shù)的影響大于C3對緊度的影響，所以選擇C2；熱壓時間對抗張指數(shù)的影響排第三位，對緊度的影響排第四位，顯然D1對抗張指數(shù)的影響大于D3對緊度的影響，所以選擇D1.故選擇最適宜的實驗條件是A3B4C2D1.即最佳熱壓溫度為260 ℃，最佳熱壓壓力是18 MPa，最佳熱壓次數(shù)是2次，每次熱壓時間是15 s.此結(jié)果與實驗12 的條件吻合.

表3 緊度的正交實驗結(jié)果分析Tab.3 Analysis of orthogonal experiment results of compactness

表4 抗張指數(shù)的正交實驗結(jié)果分析Tab.4 Analysis of orthogonal experimental results of tensile exponent

將熱壓前后的紙張用電子顯微鏡觀察，其結(jié)果如圖4 所示.

圖4 熱壓前后芳綸纖維紙的SEM圖Flg.4 SEM image of aramid paper before and after hot pressing

從圖4 可以看出：芳綸纖維紙的表面結(jié)構(gòu)在熱壓前是非常松散的，芳綸纖維紙中鋼直狀的為芳綸短切纖維，芳綸短切纖維相互交織，芳綸漿粕纖維填充其中；熱壓后的芳綸纖維紙結(jié)構(gòu)致密，緊度明顯有所增加，勻度及光滑度得到改善.這主要是因為熱壓可以使芳綸短切纖維和芳綸漿粕纖維軟化，從而改善芳綸漿粕纖維與芳綸短切纖維間的結(jié)合.

3 結(jié)論

(1)SDBS 熱溶液可有效提高芳綸短切纖維的分散度，有效的去除芳綸短切纖維表面的有機(jī)油劑.

(2)熱壓可以提高芳綸纖維紙的緊度和抗張指數(shù)，其最優(yōu)熱壓工藝為：熱壓溫度260 ℃，熱壓壓力18 MPa，熱壓次數(shù)2 次，每次熱壓時間15 s.