對(duì)位芳綸沉析纖維對(duì)芳綸紙基材料結(jié)構(gòu)和性能的影響

陸趙情 江 明 張美云 宋順喜 楊 斌

(陜西科技大學(xué)陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021)

芳綸紙基材料是一種以對(duì)位芳綸沉析纖維和對(duì)位芳綸短切纖維為原料，利用現(xiàn)代造紙濕法抄造和熱壓成型技術(shù)制得的片狀復(fù)合材料。因其具有強(qiáng)韌的機(jī)械性能、良好的介電性能、理想的耐高溫性能以及靈活的可設(shè)計(jì)性，可作為絕緣材料、電子材料、結(jié)構(gòu)材料在航空航天、交通電力、國(guó)防軍事等特殊領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［1］。

在芳綸紙基材料中，對(duì)位芳綸沉析纖維作為填充和黏結(jié)纖維，在高溫高壓的熱壓過程中塑性變形，黏結(jié)自身和對(duì)位芳綸短切纖維，共同形成類似鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)，從而賦予紙基機(jī)械結(jié)構(gòu)和整體強(qiáng)度，因此，對(duì)位芳綸沉析纖維的形態(tài)特征及其在芳綸紙基材料結(jié)構(gòu)中的含量等均對(duì)芳綸紙基材料的結(jié)構(gòu)和性能有著直接的影響［2-3］。然而，由于對(duì)位芳綸沉析纖維是近年來新開發(fā)的差異化芳綸產(chǎn)品，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究較少，主要集中于纖維性能表征和成紙制備工藝方面［4-5］，關(guān)于這種新型纖維與其紙基材料結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系尚未見報(bào)道。這種現(xiàn)象嚴(yán)重限制了對(duì)位芳綸沉析纖維在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用，阻礙了芳綸紙基材料的進(jìn)一步發(fā)展。

為解析這種新型纖維與芳綸紙基材料結(jié)構(gòu)和性能之間的相關(guān)性，本研究首先分析了對(duì)位芳綸沉析纖維的表觀形貌和形態(tài)結(jié)構(gòu)，了解對(duì)位芳綸沉析纖維的抄造性能;其次測(cè)定芳綸紙基材料的孔徑、孔隙率、分形維數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)，定量分析對(duì)位芳綸沉析纖維對(duì)芳綸紙基材料孔隙結(jié)構(gòu)的影響;最后探討了對(duì)位芳綸沉析纖維對(duì)芳綸紙基材料機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

對(duì)位芳綸沉析纖維 (簡(jiǎn)稱沉析纖維)，國(guó)外某公司提供，游離度175 mL;對(duì)位芳綸短切纖維 (簡(jiǎn)稱短切纖維)，國(guó)內(nèi)某化學(xué)纖維公司提供，長(zhǎng)5～6 mm，直徑10 μm;聚氧化乙烯 (PEO)，日本助友精化株式會(huì)，相對(duì)分子質(zhì)量約為300萬(wàn)～400萬(wàn);十二烷基苯磺酸鈉 (LAS)，分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 纖維形貌觀察

將絕干纖維經(jīng)噴金處理后，在S-4800掃描電子顯微鏡 (SEM)上進(jìn)行觀察，采用二次電子成像模式，加速電壓為3.0 kV。

將絕干纖維在SPA400-SPI3800N原子力顯微鏡(AFM)上進(jìn)行觀察，掃描范圍為5 μm×5 μm，利用其自帶軟件計(jì)算纖維表面粗糙度并生成三維視圖。

1.2.2 纖維質(zhì)量分析

采用德國(guó)TECHPAP生產(chǎn)的FS-300纖維質(zhì)量分析儀 (Morfi Compact)測(cè)定沉析纖維的長(zhǎng)度、粗度、卷曲指數(shù)、扭結(jié)指數(shù)和細(xì)小纖維含量等形態(tài)參數(shù)。

其中，細(xì)小纖維含量FC的計(jì)算見式 (1)。

式中，Nf為纖維長(zhǎng)度小于200 μm的纖維數(shù)量;N為纖維總數(shù)。

扭結(jié)指數(shù)K采用Kibblewhite公式，即式 (2)計(jì)算。

式中，N為扭結(jié)數(shù)量;N的下標(biāo)為扭結(jié)角度的范圍;L為樣品纖維總長(zhǎng)度。

1.2.3 芳綸紙基材料的制備及性能檢測(cè)

采用LAS溶液預(yù)處理短切纖維，烘干后與沉析纖維按一定的質(zhì)量比混合，加入分散劑PEO，利用標(biāo)準(zhǔn)分散器進(jìn)行疏解分散后，在ERNSTHAAGEBBS-3抄片器上濕法成形，手抄片定量為45 g/m2。將手抄片原紙通過三輥式熱壓機(jī)熱壓成形，熱壓溫度控制在250℃，壓力14～16 MPa。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定芳綸紙基材料的各項(xiàng)性能:抗張指數(shù)、伸長(zhǎng)率用SEO64抗張強(qiáng)度儀測(cè)定，撕裂指數(shù)用ProTear撕裂強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)定，耐壓強(qiáng)度用CS2672D全數(shù)顯耐壓測(cè)試儀測(cè)定。

采用SEM觀察芳綸紙基材料的表面和截面，表面觀察時(shí)，樣品充分干燥后噴金處理，采用二次電子成像模式，加速電壓為3.0 kV。截面觀察時(shí)，樣品需進(jìn)行液氮冷凍和超薄切面，其加速電壓為15 kV。

采用美國(guó)Micromeritics公司的Auto PoreⅣ9500壓汞儀 (MIP)測(cè)試芳綸紙基材料的孔隙結(jié)構(gòu)，儀器測(cè)試參數(shù)為:低壓初始?jí)毫?.00 Psi(1 MPa=145 Psi)，低壓階段最高壓力30 Psi;高壓初始?jí)毫?0 Psi，最大壓力33000 Psi;由壓力對(duì)應(yīng)的孔徑測(cè)試范圍5.0 nm ～1000 μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉析纖維的形態(tài)特性

2.1.1 沉析纖維的表觀形貌

沉析纖維通過在芳綸聚合體的低溫縮聚溶液中添加沉析劑，經(jīng)高速離心剪切而制得，特殊的制備工藝決定了其獨(dú)特的表觀形貌，如圖1所示。

圖1 沉析纖維的表觀形貌

由圖1(a)可知，沉析纖維呈非剛性的薄膜狀褶皺結(jié)構(gòu)，分絲帚化現(xiàn)象明顯，纖維形態(tài)細(xì)小，柔軟性好，類似一張微型的黃色手帕，其長(zhǎng)度為0.2～1.0 mm，比表面積為7～8 m2/g。由圖1(b)可知，沉析纖維表面粗糙，具有大量的片狀微纖，可能是晶體結(jié)構(gòu)和無定形材料的共同體［6-7］。通過軟件分析，沉析纖維表面粗糙度 (Ra)為10.89 nm，結(jié)合圖1(b)表面高度分析可以看出，微纖結(jié)構(gòu)引起的表面皺褶最高達(dá)54.78 nm，與SEM觀察到的纖維形貌一致。

沉析纖維的表面粗糙度和形態(tài)柔順性，保證了沉析纖維具備較大的比表面積和較好的分散效果，增加了纖維間的接觸點(diǎn)和結(jié)合力，為其在濕法成形過程中形成良好勻度和強(qiáng)度的片狀材料提供了有利條件［8］。

2.1.2 沉析纖維的形態(tài)參數(shù)

外語(yǔ)學(xué)習(xí)者常常會(huì)出現(xiàn)交際現(xiàn)場(chǎng)的望而卻步，想嘗試卻又羞于開口或是不敢開口說。這種時(shí)候并不是他們真的缺乏口語(yǔ)表達(dá)的能力，而是迫于不能承受因萬(wàn)一失誤而出錯(cuò)就會(huì)在他人面前丟了面子的心理壓力。這種不自信，一方面是由于對(duì)自己外語(yǔ)語(yǔ)言能力的不確定；另一方面還是因?yàn)槠綍r(shí)應(yīng)用該語(yǔ)言的機(jī)會(huì)太少，無論是語(yǔ)言的熟練度還是心理的承受力都需要相當(dāng)一段時(shí)間的適應(yīng)。消極的心理暗示若不及時(shí)阻止就會(huì)極大地阻礙口語(yǔ)輸出的順利進(jìn)行。而最有效的心理疏導(dǎo)方式就是讓外語(yǔ)學(xué)習(xí)者多接觸純正的目的語(yǔ)應(yīng)用語(yǔ)境，讓他們?cè)谡鎸?shí)的語(yǔ)言環(huán)境中慢慢放下戒備和恐懼，自然而然地融入交流的過程，從嘗試表達(dá)到能無拘無束地自由暢談。

沉析纖維在制備和處理過程中難以避免地會(huì)發(fā)生一定程度的切斷和壓潰，纖維潤(rùn)脹和細(xì)纖維化現(xiàn)象明顯，纖維形態(tài)呈現(xiàn)多分散性，因此，沉析纖維的形態(tài)特征對(duì)其抄造性能和成紙性能有著重要影響，其形態(tài)參數(shù)如表1所示。

由表1可知，沉析纖維的數(shù)均長(zhǎng)度為0.394 mm，質(zhì)均長(zhǎng)度為0.479 mm，兩者相差不大，說明纖維分布集中，均一性好［9］，這種形態(tài)特征使其在濕法抄造時(shí)能與短切纖維形成更好的結(jié)合，利于成紙強(qiáng)度。Morfi Compact測(cè)試過程中，細(xì)小纖維指長(zhǎng)度小于0.2 mm的纖維。由表1可知，沉析纖維中細(xì)小纖維含量為71.9%，表明沉析纖維細(xì)碎化程度較高，比表面積較大，胺基含量較多，因而能與纖維、樹脂等形成很好的親和性，增強(qiáng)紙基材料的復(fù)合效果。

卷曲是指纖維逐漸連續(xù)的彎曲，由表1可知，沉析纖維卷曲指數(shù)較小 (21.8%)，說明其細(xì)小柔順，在抄造時(shí)能包裹在短切纖維周圍，為形成良好的接觸創(chuàng)造條件。扭結(jié)指數(shù)是指纖維曲率的急劇變化，可間接反映纖維的強(qiáng)韌度。扭結(jié)指數(shù)越小，纖維越強(qiáng)韌，其紙基材料的增強(qiáng)效果越顯著［10］。

2.2 沉析纖維對(duì)芳綸紙基材料結(jié)構(gòu)的影響

芳綸紙基材料是由沉析纖維和短切纖維組成，其中短切纖維作為骨架材料，均勻貫穿分布在芳綸紙基材料的三維結(jié)構(gòu)中，部分短切纖維因高溫高壓而產(chǎn)生變形，增大了纖維間的接觸面積，利于纖維間結(jié)合力的形成。沉析纖維作為填充和黏結(jié)材料，分布均勻，緊緊圍繞在短切纖維周圍，這主要是由其形態(tài)特征所決定。熱壓過程中沉析纖維產(chǎn)生塑性變形，像黏合劑一樣將短切纖維鑲嵌固著在其里面，從而形成一種類似鋼筋混凝土的緊湊結(jié)構(gòu)［11］，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 沉析纖維質(zhì)量分析結(jié)果

圖2 芳綸紙基材料的表面和截面形貌

與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)芳綸紙基材料的內(nèi)部存在較多孔隙 (見圖2)。其原因是沉析纖維熱學(xué)性能穩(wěn)定，在熱壓過程中不能熔融，進(jìn)而導(dǎo)致纖維間難以完全結(jié)合，因此，芳綸紙基材料中沉析纖維的含量對(duì)其結(jié)構(gòu)有著直接的影響。采用全自動(dòng)壓汞儀測(cè)量不同沉析纖維含量的紙基材料，計(jì)算得出其孔徑、比表面積、孔隙率和分形維數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)，其結(jié)果如表2所示。其中，分形維數(shù)是分形理論與材料學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，也是綜合評(píng)價(jià)復(fù)合材料孔結(jié)構(gòu)特性的重要參量，能夠反映出材料孔隙結(jié)構(gòu)的規(guī)整程度。分形維數(shù)值越小，說明材料的孔隙結(jié)構(gòu)越規(guī)整和優(yōu)化［12-13］。

表2 沉析纖維含量對(duì)芳綸紙基材料結(jié)構(gòu)的影響

由表2可知，隨著沉析纖維含量的增加，芳綸紙基材料的孔徑、比表面積、孔隙率和分形維數(shù)均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)槌廖隼w維的形態(tài)柔順、尺寸細(xì)小，且在芳綸紙基材料中主要充當(dāng)?shù)氖翘畛浜宛そY(jié)材料，因此其配抄含量越大，越有利于纖維間的黏附結(jié)合，從而使芳綸紙基材料結(jié)構(gòu)緊湊，孔隙的空間分布情況得到改善，最終使芳綸紙基材料的強(qiáng)度增加。然而這種趨勢(shì)也在逐漸減緩，由表2還可知，沉析纖維雖然能夠顯著改善芳綸紙基材料的結(jié)構(gòu)，但改善的程度隨纖維含量的增加而逐漸降低。

2.3 沉析纖維對(duì)芳綸紙基材料性能的影響

2.3.1 沉析纖維對(duì)芳綸紙基材料機(jī)械強(qiáng)度的影響

沉析纖維在芳綸紙基材料中充當(dāng)填充和黏結(jié)材料。當(dāng)芳綸紙基材料發(fā)生機(jī)械作用時(shí)，首先發(fā)生破壞的是沉析纖維與短切纖維的結(jié)合部分，若沒有沉析纖維，芳綸紙基材料就失去機(jī)械強(qiáng)度，因此，沉析纖維含量是芳綸紙基材料機(jī)械強(qiáng)度的主要控制因素。圖4為沉析纖維含量對(duì)芳綸紙基材料機(jī)械強(qiáng)度的影響。

圖3 沉析纖維含量對(duì)芳綸紙基材料機(jī)械強(qiáng)度的影響

由圖3可知，芳綸紙基材料的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。當(dāng)沉析纖維的含量為70%時(shí)，芳綸紙基材料的機(jī)械性能最佳，其抗張指數(shù)為39.4 N·m/g，撕裂指數(shù)為19.1 mN·m2/g。這主要是因?yàn)槌廖隼w維獨(dú)特的形態(tài)特征，使其能夠顯著改善芳綸紙基材料的結(jié)構(gòu)，隨著沉析纖維含量的增加，芳綸紙基材料的結(jié)構(gòu)逐漸緊湊，纖維間結(jié)合力增加，從而引起芳綸紙基材料整體強(qiáng)度提高。但是隨著沉析纖維的進(jìn)一步增加，沉析纖維對(duì)芳綸紙基材料結(jié)構(gòu)的改善能力降低，同時(shí)芳綸紙基材料中沉析纖維平均長(zhǎng)度減小，最終導(dǎo)致其機(jī)械性能下降。

2.3.2 沉析纖維對(duì)芳綸紙基材料絕緣性能的影響

芳綸紙基材料的絕緣性能主要是通過測(cè)定其耐壓強(qiáng)度來進(jìn)行表征。而耐壓強(qiáng)度的大小與材料的孔隙結(jié)構(gòu)存在直接的關(guān)系。由于芳綸纖維的電阻率大于空氣的電阻率，芳綸紙基材料的孔隙越少，纖維間結(jié)合越好，包含的空氣量越少，其耐壓強(qiáng)度就越大［14］。由表2可知，沉析纖維含量對(duì)芳綸紙基材料的孔隙結(jié)構(gòu)具有顯著的改善作用。圖4為沉析纖維含量對(duì)芳綸紙基材料絕緣性能的影響。

圖4 沉析纖維含量對(duì)芳綸紙基材料絕緣性能的影響

由圖4可知，芳綸紙基材料的耐壓強(qiáng)度隨沉析纖維含量的增加呈現(xiàn)逐步上升趨勢(shì)。當(dāng)沉析纖維含量為70%時(shí)，芳綸耐壓強(qiáng)度為22.2 kV/mm，而實(shí)驗(yàn)同時(shí)測(cè)得純沉析纖維成紙的耐壓強(qiáng)度高達(dá)29.7 kV/mm。其主要原因是沉析纖維和短切纖維都具有良好的絕緣性能，但由于沉析纖維形態(tài)柔順細(xì)小，其含量越高，纖維組分黏合程度和紙基勻度越大，從而紙基的絕緣性能也就越好。

由以上分析可知，沉析纖維的含量對(duì)芳綸紙基材料的性能存在直接的影響。當(dāng)沉析纖維含量為70%時(shí)，芳綸紙基材料的機(jī)械性能和絕緣性能能夠得到很好的兼顧，此時(shí)，其抗張指數(shù)為39.4 N·m/g，撕裂指數(shù)為19.1 mN·m2/g，耐壓強(qiáng)度為22.2 kV/mm。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)分析了對(duì)位芳綸沉析纖維與芳綸紙基材料(對(duì)位芳綸沉析纖維和對(duì)位芳綸短切纖維組成)結(jié)構(gòu)和性能之間的相關(guān)性。

3.1 對(duì)位芳綸沉析纖維的形貌表征表明，沉析纖維呈薄膜褶皺狀，表面粗糙度 (Ra)為10.89 nm，其形態(tài)柔順，尺寸細(xì)小，分絲帚化現(xiàn)象明顯，且易于分散，為纖維之間提供了更多的接觸點(diǎn)和更大的結(jié)合力，利于成紙勻度和強(qiáng)度的提高。

3.2 對(duì)位芳綸沉析纖維的形態(tài)分析表明，沉析纖維的質(zhì)均長(zhǎng)度為0.479 mm，細(xì)小纖維含量為71.9%，纖維尺寸分布集中，均一性好，細(xì)碎化程度高，這使得沉析纖維具有較大的比表面積和較高的表面活性，利于增強(qiáng)芳綸紙基材料的復(fù)合效果。

3.3 對(duì)位芳綸沉析纖維能夠在芳綸紙基材料中均勻分布，其含量與芳綸紙基材料的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在密切的關(guān)系，沉析纖維含量越高，芳綸紙基材料的孔徑、比表面積、孔隙率和分形維數(shù)均越小，表明芳綸紙基材料的結(jié)構(gòu)越緊湊，纖維間結(jié)合越好;綜合考慮芳綸紙基材料的機(jī)械性能和絕緣性能，沉析纖維的最佳含量應(yīng)為70%左右。

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