芳綸短切纖維-芳綸漿粕增強(qiáng)云母紙性能的研究

王臘梅 陸趙情,* 張美娟 丁 威 魏 寧 郝 楊

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院,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；2.浙江仙鶴特種紙有限公司,浙江衢州,324022)

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·云母紙·

芳綸短切纖維-芳綸漿粕增強(qiáng)云母紙性能的研究

王臘梅1陸趙情1,*張美娟2丁 威2魏 寧1郝 楊1

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院,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；2.浙江仙鶴特種紙有限公司,浙江衢州,324022)

為了提高云母紙性能,研究了在CPAM改性劑作用下添加芳綸短切纖維和芳綸漿粕對云母紙性能的影響。采用單因素實(shí)驗(yàn)確定了芳綸纖維用量及配比、CPAM改性條件以及丁苯膠乳用量對云母紙性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,芳綸短切纖維和芳綸漿粕在總用量7%、配比為2∶5時(shí),可改善云母紙的機(jī)械性能和電氣性能；使用CPAM對云母鱗片進(jìn)行改性,當(dāng)改性時(shí)間30 min、改性濃度12%、改性劑CPAM用量1%時(shí),芳綸云母復(fù)合紙的抗張強(qiáng)度較純云母紙?zhí)岣吡?15.8%,介電強(qiáng)度提高45.6%；丁苯膠乳用量為5%時(shí),芳綸云母復(fù)合紙的抗張強(qiáng)度較CPAM改性芳綸云母復(fù)合紙的增加了123.9%,對其電氣性能沒有影響。

芳綸纖維；云母紙；CPAM；丁苯膠乳

(*E-mail： luzhaoqing@sust.edu.cn)

云母是一種天然生成的層狀硅酸鹽類礦物,具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性能。云母紙是一種利用碎云母資源,通過濕法抄造而形成的紙張,保持了云母優(yōu)良的電氣性能,是高級(jí)安全電纜、家電、航空航天等領(lǐng)域不可缺少的絕緣材料[1-2]。純云母紙抄造成形主要依靠鱗片間的靜電引力和范德華力,紙張強(qiáng)度低，不能直接應(yīng)用,一般需加入膠黏劑或樹脂,但過多的添加劑會(huì)降低云母紙優(yōu)異的電氣性能,少膠或無膠云母紙逐漸成為云母紙發(fā)展的方向[3- 6]。芳綸纖維是一種由苯環(huán)和酚胺鍵構(gòu)成主鏈的有機(jī)化合物,具有優(yōu)良的物理強(qiáng)度性能和電氣絕緣性能,可作為云母紙基材料優(yōu)良的增強(qiáng)纖維[7-10]。當(dāng)前,國內(nèi)對芳綸云母紙相關(guān)的研究較少,尚沒有相關(guān)的產(chǎn)品,而國外已經(jīng)開發(fā)出性能優(yōu)異的芳綸云母復(fù)合紙,應(yīng)用于有較高要求的電氣絕緣領(lǐng)域[6]。因此芳綸纖維與云母鱗片通過合適的工藝進(jìn)行復(fù)合，以提高云母紙材料的強(qiáng)度是新興研究的熱點(diǎn)。

本研究主要通過測試不同條件下抄造的芳綸云母復(fù)合紙的機(jī)械性能和電氣性能,從而確定云母紙中芳綸短切纖維和芳綸漿粕的用量及其配比,陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)改性劑濃度、改性時(shí)間和用量,以及丁苯膠乳用量的最佳工藝參數(shù),獲得性能優(yōu)良的芳綸云母復(fù)合紙,從而在保證云母紙優(yōu)良的絕緣性能前提下提高紙張的機(jī)械強(qiáng)度,以延長材料的使用壽命和穩(wěn)定性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

1.1.1 云母原料及實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)采用的是白云母,無色透明呈淺色,表面平整光滑,徑厚比大,有良好的解理面,表面活性基團(tuán)多，云母鱗片由東方電機(jī)有限公司提供的廢云母紙疏解分散制得。

聚氧化乙烯(PEO)、CPAM、丁苯膠乳,均由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司生產(chǎn)。

1.1.2 芳綸纖維

芳綸1414短切纖維,主要性能指標(biāo)：平均直徑12 μm,長度6 mm,玻璃化溫度約270℃,相對分子質(zhì)量約2.7萬；芳綸1414漿粕,主要性能指標(biāo)：纖維平均長度介于0.644～0.869 mm之間,纖維比表面積為7～9 m2/g。均由河北硅谷化工有限公司提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 芳綸云母復(fù)合紙的成形

芳綸云母復(fù)合紙定量115 g/m2。先將芳綸短切纖維放入纖維疏解機(jī)中,用量0.5%的PEO為分散劑,疏解20000轉(zhuǎn)后加入打漿度為35°SR的芳綸漿粕,疏解3000轉(zhuǎn)后加入廢云母紙,混合疏解2000轉(zhuǎn)后，立刻加入紙頁成型器中抄造手抄片。經(jīng)104℃干燥器進(jìn)行干燥,干燥時(shí)間為10 min。

1.2.2 CPAM改性云母鱗片

配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的CPAM溶液,在芳綸短切纖維和芳綸漿粕添加配比為2∶5、分散劑PEO用量0.5%條件下,研究改性濃度、改性劑CPAM用量及改性時(shí)間對芳綸云母復(fù)合紙性能的影響。CPAM改性過程在轉(zhuǎn)速為200 r/min的攪拌下完成。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

S260纖維疏解機(jī),TD10-200紙頁成型器,CS2672D全數(shù)顯耐壓測試儀,DC-HJY03電腦測控厚度緊度儀,062/969921抗張強(qiáng)度測試儀,S- 4800掃描電子顯微鏡(SEM)。

2 結(jié)果與討論

2.1 芳綸短切纖維和芳綸漿粕配比對芳綸云母復(fù)合紙性能的影響

實(shí)驗(yàn)中芳綸纖維總用量為5%～8%,改變芳綸短切纖維和芳綸漿粕的配比,與云母混合抄造獲得芳綸云母復(fù)合紙。

圖1為云母紙及芳綸云母復(fù)合紙的SEM圖。由圖1可以看出,純云母紙是依靠鱗片之間相互疊加而成形,鱗片之間結(jié)合力差,形成的孔隙多,導(dǎo)致云母紙力學(xué)性能低,難以直接應(yīng)用。而芳綸云母復(fù)合紙利用芳綸短切纖維自身細(xì)又長的特點(diǎn)將云母鱗片與芳綸漿粕連在一起,為紙張?zhí)峁┕羌茏饔?；同時(shí)芳綸漿粕比較柔軟,易纏繞,附在云母鱗片表面及形成的孔隙之中,兩種芳綸纖維的共同作用提高了云母紙的整體性能。

圖1 云母紙及芳綸云母復(fù)合紙的SEM圖

圖2為芳綸短切纖維與芳綸漿粕配比對芳綸云母復(fù)合紙性能的影響。由圖2可以看出,隨著芳綸纖維總用量的增加,芳綸云母復(fù)合紙的介電性能和抗張強(qiáng)度都所提高,同時(shí),云母紙性能的變化有些波動(dòng),主要表現(xiàn)為芳綸短切纖維和芳綸漿粕配比小于1∶1時(shí),芳綸云母復(fù)合紙性能較好,同時(shí)因?yàn)樘砑臃季]短切纖維和芳綸漿粕,芳綸短切纖維比較長、強(qiáng)度高,可作芳綸云母復(fù)合紙的骨架物質(zhì),芳綸漿粕比較柔軟,表面分絲帚化,將芳綸短切纖維和云母鱗片交聯(lián)成整體使其結(jié)合更加緊密,兩種纖維共同作用提高芳綸云母復(fù)合紙的整體性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，芳綸纖維最佳用量為7%,芳綸短切纖維與芳綸漿粕最佳配比為2∶5。

圖2 芳綸纖維配比對云母復(fù)合紙性能影響

2.2 CPAM改性云母

實(shí)驗(yàn)研究了改性劑CPAM對芳綸云母復(fù)合紙的影響,主要采用單因素控制法研究了CPAM用量、改性濃度和改性時(shí)間這3個(gè)因素對芳綸云母復(fù)合紙性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 CPAM改性時(shí)間、CPAM用量、改性濃度對芳綸云母復(fù)合紙性能的影響

芳綸纖維屬于有機(jī)合成纖維,其表面結(jié)晶度高,疏水能力強(qiáng),同時(shí)云母屬于無機(jī)硅酸鹽類礦,鱗片表面光滑、疏水,兩者復(fù)合時(shí)難以結(jié)合[11-13]。因此選用CPAM對云母鱗片表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男?其分子鏈可以固定在云母鱗片表面,在云母顆粒和纖維之間形成有機(jī)高分子鏈橋,有效地將云母鱗片和芳綸纖維連接在一起,提高復(fù)合材料的整體性,消除因?yàn)榻缑娼Y(jié)合孔隙造成的復(fù)合材料缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在CPAM改性時(shí)間為30 min、改性濃度為12%、CPAM用量為1.0%時(shí),芳綸云母復(fù)合紙性能最優(yōu),抗張強(qiáng)度相對于純云母紙?zhí)岣吡?15.8%,介電強(qiáng)度提高了45.6%。

2.3 添加丁苯膠乳

丁苯膠乳外觀為白色乳狀液,顆粒細(xì)小,耐堿性和耐水性良好,能生成強(qiáng)而韌的膜,且成膜的光澤度和平滑度較好,具有高黏合性,與紙基的結(jié)合力強(qiáng),表面強(qiáng)度好,且丁苯膠乳有更好的膠體穩(wěn)定性和保水性。

在CPAM最佳改性條件下獲得改性云母鱗片，并以最佳配比的芳綸纖維形成混合漿料,分別添加用量1%、3%、5%、7%的丁苯膠乳黏結(jié)劑，實(shí)驗(yàn)研究丁苯膠乳用量對芳綸云母復(fù)合紙性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 丁苯膠乳用量對芳綸云母復(fù)合紙性能的影響

圖4結(jié)果表明，丁苯膠乳的加入可以提高芳綸云母復(fù)合紙的抗張強(qiáng)度，當(dāng)丁苯膠乳用量為5%時(shí)，芳綸云母復(fù)合紙的抗張強(qiáng)度較CPAM改性芳綸云母復(fù)合紙的提高了123.9%,同時(shí)在一定用量內(nèi)紙張的介電強(qiáng)度沒有受到影響。丁苯膠乳通過黏結(jié)特性[14]將芳綸纖維和云母鱗片緊緊連接在一起,填補(bǔ)了云母鱗片與纖維之間的孔隙,使得芳綸云母復(fù)合紙結(jié)合得更加緊密,從而增強(qiáng)了紙張的表面強(qiáng)度,消除了紙張掉毛掉粉現(xiàn)象,但過量丁苯膠乳的加入,會(huì)影響到紙張的介電強(qiáng)度。所以丁苯膠乳的最佳用量為5%。

3 結(jié) 論

3.1 實(shí)驗(yàn)研究了添加芳綸纖維對云母紙性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，芳綸短切纖維和芳綸漿粕的加入可以提高芳綸云母復(fù)合紙的強(qiáng)度性能。當(dāng)芳綸短切纖維與芳綸漿粕總用量為7%，且兩者配比為2∶5時(shí),芳綸云母復(fù)合紙的整體性能最佳。

3.2 利用陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)改性云母鱗片,以提高云母與芳綸纖維之間的界面結(jié)合力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CPAM改性時(shí)間為30 min、改性濃度為12%、CPAM用量為1.0%時(shí),芳綸云母復(fù)合紙性能最優(yōu),抗張強(qiáng)度相對純云母紙?zhí)岣吡?15.8%,介電強(qiáng)度提高45.6%。

3.3 為了提高芳綸云母復(fù)合紙的表面結(jié)合力,添加具有膠黏作用的丁苯膠乳。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，丁苯膠乳用量為5%時(shí),芳綸云母復(fù)合紙的抗張強(qiáng)度較CPAM改性芳綸云母復(fù)合紙的提高了123.9%,而電氣性能沒有受到影響。

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(責(zé)任編輯：劉振華)

Improvement of Mica Paper Properties by Using Aramid Fibers

WANG La-mei1LU Zhao-qing1，*ZHANG Mei-juan2DING Wei2WEI Ning1HAO Yang1

(1.CollegeofLightIndustryandEnergy，ShaanxiUniversityofScience&Technology，ShaanxiProvinceofKeyLabofPaperTechnologyandSpecialtyPaper，Xi’an,ShaanxiProvince， 710021；2.ZhejiangXianheSpecialPaperCo.,Ltd.,Quzhou,ZhejiangProvince, 324022)

In order to improve the performance of mica paper, the effect of adding aramid fibers and modifing mica on the properties of the mica paper was studied. Using the method of controlling single-factor to determine the optimal process parameters such as the amount of aramid fiber and dosages of CPAM and SBR.The study results showed that when aramid fibers amount was 7% and the ratio of chopped aramid fibers and pulp fibers was 2%∶5%, the mechanical and electrical properties of the mica paper were improved; when mica flakes were modified with CPAM for 30min at the concentration of 12% and CPAM content of 1.0%, the tensile strength of the mica paper increased 315.8%. On the other hand, when styrene-butadiene latex amount was 5%, the tensile strength of the composite sheet increased 123.9% compared with that of the papers using modifed mica. Meanwhile, there was no effect on electrical properties.

aramid fiber； mica； CPAM； SBR

王臘梅女士,在讀碩士研究生；主要研究方向：高性能紙基功能材料。

2015-10-29(修改稿)

陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目(15JF012)；陜西省科技廳科技新星專項(xiàng)(2015KJXX-34)；陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(12JS018)。

陸趙情先生,E-mail：luzhaoqing@sust.edu.cn。

TS761.2

A DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.04.007