PBO纖維濕法非織造材料熱壓工藝

李志剛,張 星,朱佳慧

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

高性能纖維是指具有高強(qiáng)度、耐高溫性、耐化學(xué)藥品性等優(yōu)異性能的新型化學(xué)纖維[1]。高性能纖維中的聚對(duì)苯撐苯并二噁唑(PBO)纖維分子結(jié)構(gòu)主要是苯環(huán)及芳雜環(huán)分子[2-3]。PBO纖維分子結(jié)構(gòu)的取向度高度一致[4-5],耐沖擊性好;其極限氧指數(shù)為68%,具有良好的阻燃性和耐熱性[6-7]。PBO纖維材料因其優(yōu)異性能被廣泛應(yīng)用于防彈復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱材料等方面[8-9]。

濕法非織造加工工藝具有加工原料種類多、生產(chǎn)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)[10]。采用濕法非織造加工工藝可以制得用于阻燃隔熱、摩擦等領(lǐng)域的PBO纖維濕法非織造布。然而,濕法成網(wǎng)制得的PBO纖網(wǎng)中的纖維短,纖維纏結(jié)度差,力學(xué)性能差,在使用中容易破裂,影響產(chǎn)品可靠性。因此必須要提高PBO濕法纖網(wǎng)力學(xué)性能,滿足最終產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用需求。目前,有將2種不同纖維混合在一起,熔點(diǎn)低的纖維為熱熔纖維,在熱壓加工過(guò)程中熔融流動(dòng),加固纖網(wǎng)。例如,FAGES等對(duì)亞麻聚丙烯濕法非織造布進(jìn)行熱壓,并以聚丙烯纖維為黏合纖維,提高亞麻聚丙烯濕法非織造布的力學(xué)性能,但聚丙烯基體與纖維增強(qiáng)的相互作用很差[11]。也有采用一種纖維與ES纖維混合后通過(guò)濕法成網(wǎng)初步成型,再采用熱壓加工使ES纖維熔融并在纖網(wǎng)中流動(dòng),通過(guò)纖維與纖維間黏結(jié),再冷卻固化達(dá)到加固纖網(wǎng)的效果。例如,WANG等采用熱壓加工工藝對(duì)ES-PPTA濕法非織造布進(jìn)行加工制備MH-Ni電池隔膜,其熱壓后隔膜具有良好的抗拉強(qiáng)度[12]。張旭等制備了ES-PET濕法非織造布,并以滌綸含量、熱軋溫度、熱軋時(shí)間為因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),得出熱軋溫度對(duì)試樣強(qiáng)力的影響最大[13]。張丙旭等以ES纖維與PP纖維為原料,通過(guò)濕法成型和熱壓工藝制得堿性電池隔膜,得出隔膜成型的最優(yōu)熱壓壓力和溫度,但溫度過(guò)高影響成膜質(zhì)量[14]。還有采用同類但熔點(diǎn)不同的纖維進(jìn)行加工,在熱壓過(guò)程中低熔點(diǎn)的纖維會(huì)熔融流動(dòng),冷卻后加固纖網(wǎng)。例如,石磊等使用海島超細(xì)纖維分散液和PET-UDPET分散液分別通過(guò)濕法加工工藝成網(wǎng)、然后再將兩張纖維網(wǎng)相疊、烘燥、熱壓制得用于分離膜支撐體的濕法非織造材料,將該材料用于超濾膜支撐體可提高膜的過(guò)濾效率和成型性能[15]。鄭幃等以熱壓溫度、熱壓壓力以及熱壓時(shí)間為自變量進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),得出滌綸濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力最佳的熱壓工藝參數(shù)[16]。XU等使用濕法成網(wǎng)和熱壓加固技術(shù)制得用于耐高溫分離膜支架的滌綸非織造布,研究了熱壓參數(shù)對(duì)滌綸非織造布性能的影響[17]。XIA等利用LPET-180纖維和PET-260纖維,在一定工藝下制得用于分離膜支撐體的滌綸非織造布,并采用響應(yīng)面法對(duì)滌綸非織造布的透氣性和力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化[18]。江曉玲等認(rèn)為適當(dāng)提高熱處理溫度或時(shí)間均會(huì)提高PBO纖維的強(qiáng)度[19]。以上研究均是對(duì)濕法成網(wǎng)后得到的纖網(wǎng)加熱,使纖網(wǎng)中熔點(diǎn)低的纖維熔融流動(dòng),冷卻后加固得到產(chǎn)品。如果在溫度較高的使用環(huán)境中,纖維會(huì)發(fā)生軟化熔融使得纖網(wǎng)變形,限制了產(chǎn)品的耐溫性。為此,本文將濕法成網(wǎng)后的PBO纖維在熱固性聚酰胺酸樹(shù)脂中浸漬后熱壓成型,在一定熱壓溫度下,熱固性聚酰胺酸樹(shù)脂在纖網(wǎng)內(nèi)流動(dòng),樹(shù)脂相互交聯(lián)、固化,以此來(lái)提高PBO纖維濕法非織造材料的強(qiáng)力。同時(shí)探討最優(yōu)熱壓工藝參數(shù),為制備具有良好力學(xué)性能及耐溫性的濕法非織造產(chǎn)品提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

PBO濕法纖維網(wǎng)(面密度72.75 g/m2,自制);熱固性聚酰胺酸樹(shù)脂(杭州塑盟特科技股份有限公司);N,N-二甲基乙酰胺(成都市科隆化學(xué)品有限公司)。

1.1.2 儀器

熱壓機(jī)BL-61(寶輪精密檢測(cè)儀器有限公司);烘箱202-3A(中國(guó)萊州市電子儀器有限公司);電子織物強(qiáng)力機(jī)YG(B)026D-1000(溫州方圓儀器有限公司);孔徑測(cè)定儀PSM-165(德國(guó)Topas公司);浸漬槽。

1.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

對(duì)PBO濕法纖網(wǎng)浸漬熱固性聚酰胺酸樹(shù)脂后實(shí)施熱壓加固增強(qiáng),在熱壓進(jìn)行過(guò)程中,熱壓的溫度、壓力、時(shí)間會(huì)直接影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。經(jīng)大量預(yù)實(shí)驗(yàn),確定了Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中心點(diǎn),即熱壓溫度(A)為240 ℃,熱壓壓力(B)為8 MPa,熱壓時(shí)間(C)為9 min,并以此A、B、C 3個(gè)因素為自變量,以PBO纖維濕法非織造材料的斷裂強(qiáng)力為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)因素和水平編碼見(jiàn)表1。

表 1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案

1.3 試樣制備

以N,N-二甲基乙酰胺為溶劑對(duì)熱固性聚酰胺酸樹(shù)脂進(jìn)行稀釋,制備固含量為10%的樹(shù)脂;將PBO濕法纖維網(wǎng)樣品完全浸漬在固含量為10%的熱固性聚酰胺酸樹(shù)脂溶液的浸漬槽中10 min,然后用軋輥除去多余的樹(shù)脂溶液,在100 ℃烘箱中烘燥1 h后再通過(guò)熱壓機(jī)進(jìn)行熱壓成型加工,最終得到PBO纖維濕法非織造材料。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面模型建立與顯著性分析

采用Design-expert 13.0中的Box-Behnken組合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行PBO濕法非織造產(chǎn)品的斷裂強(qiáng)力優(yōu)化,優(yōu)化組合共有17組,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析見(jiàn)表3。

表 2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用Design-expert 13.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合,最終得到斷裂強(qiáng)力(y)與熱壓溫度(A)、熱壓壓力(B)、熱壓時(shí)間(C)之間的實(shí)際方程為

y=11.823 19A+125.506 94B+42.319 44C+

0.006 944AB+0.005 556AC-0.022 222BC-

0.024 292A2-7.573 61B2-

2.343 06C2-1 780.231 94

表 3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析結(jié)果

F值越大,實(shí)驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響程度越大。由表3可以看出,影響熱壓加固的PBO濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力因素的主次順序?yàn)闊釅簤毫?熱壓溫度>熱壓時(shí)間。

2.2 因素交互作用對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響

通過(guò)Design-expert 13.0軟件分析熱壓溫度、壓力、時(shí)間兩兩交互因素對(duì)響應(yīng)值斷裂強(qiáng)力的影響。

2.2.1 熱壓溫度和熱壓壓力對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響

圖1為熱壓溫度和熱壓壓力對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響結(jié)果。

圖 1 熱壓溫度和壓力對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響Fig.1 Effect of hot pressing temperature and pressure on breaking strength

可以看出,PBO濕法非織造材料熱壓后的斷裂強(qiáng)力隨著熱壓溫度和熱壓壓力的增加先增加后減小,熱壓壓力對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響曲線弧度比熱壓溫度對(duì)斷裂強(qiáng)度的影響曲線弧度大。這也說(shuō)明了在熱壓過(guò)程中熱壓壓力對(duì)PBO濕法非織造材料的強(qiáng)力具有顯著影響,熱壓溫度相比影響較小,這與方差分析的結(jié)果一致。當(dāng)熱壓溫度升高時(shí),樹(shù)脂在壓力的作用下與纖維緊密接觸,樹(shù)脂在纖網(wǎng)中的流動(dòng)性、固化程度和交聯(lián)度增強(qiáng),使PBO纖網(wǎng)中的孔隙減小,結(jié)構(gòu)更緊密,導(dǎo)致PBO纖網(wǎng)強(qiáng)力增加。當(dāng)熱壓溫度過(guò)高時(shí), PBO濕法纖網(wǎng)表面溫度與熱壓機(jī)接觸的區(qū)域溫度過(guò)高,可能會(huì)導(dǎo)致局部樹(shù)脂發(fā)生過(guò)度交聯(lián),降低其流動(dòng)性,使部分已固化的熱固性聚酰胺酸樹(shù)脂未能充分填充到PBO纖網(wǎng), PBO纖網(wǎng)的孔隙增加,結(jié)構(gòu)松散并且殘余應(yīng)力產(chǎn)生,從而使得強(qiáng)力降低。

2.2.2 熱壓溫度和熱壓時(shí)間對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響

圖2為熱壓溫度和熱壓時(shí)間對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響結(jié)果。

圖 2 熱壓溫度和時(shí)間對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響Fig.2 Effect of hot pressing temperature and time on breaking strength

可以看出,PBO濕法非織造材料熱壓后的斷裂強(qiáng)力隨著熱壓溫度和熱壓時(shí)間的增加先增加后減小,兩者對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響曲線弧度差距不大,這與方差分析中兩者F值的差值較小相一致。隨著熱壓時(shí)間的增加,樹(shù)脂固化程度增加,樹(shù)脂與纖網(wǎng)的結(jié)合程度也增加,纖網(wǎng)的緊密性增加,從而使纖網(wǎng)斷裂強(qiáng)力增加。但是熱壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致纖網(wǎng)中的樹(shù)脂過(guò)度固化,纖維間結(jié)合力變?nèi)?纖網(wǎng)中的孔隙變大,結(jié)構(gòu)緊密性變差,使得斷裂強(qiáng)力減小。

2.2.3 熱壓壓力和熱壓時(shí)間對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響

圖3為熱壓壓力和熱壓時(shí)間對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響結(jié)果。

圖 3 熱壓壓力和時(shí)間對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響Fig.3 Effect of hot pressing pressureand time on breaking strength

可以看出,PBO濕法非織造材料熱壓后的斷裂強(qiáng)力隨著熱壓時(shí)間和熱壓壓力的增加先增加后減小,熱壓時(shí)間對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響曲線弧度比熱壓壓力對(duì)斷裂強(qiáng)度的影響曲線弧度小很多,這也說(shuō)明了熱壓時(shí)間對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響比熱壓壓力對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響小。當(dāng)熱壓壓力增加時(shí),纖網(wǎng)變得更加緊密,孔隙變小,適當(dāng)?shù)臒釅簤毫τ欣跇?shù)脂在纖網(wǎng)中均勻地流動(dòng),增加了樹(shù)脂與纖維的結(jié)合性,提高了PBO濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力。但過(guò)大的熱壓壓力會(huì)導(dǎo)致纖網(wǎng)中的樹(shù)脂交聯(lián)反應(yīng)速度增快,纖網(wǎng)內(nèi)部樹(shù)脂被大量擠出,影響樹(shù)脂與纖維的結(jié)合界面,纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)遭受破壞,斷裂強(qiáng)力反而降低。

2.3 最佳工藝參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)Design-expert 13.0軟件分析可得,PBO濕法非織造材料熱壓加固工藝的最佳工藝參數(shù)為熱壓溫度245.6 ℃,熱壓壓力8.4 MPa,熱壓時(shí)間9.3 min。在此條件下,重復(fù)5次實(shí)驗(yàn),測(cè)定PBO濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力平均值為393.9 N,與預(yù)測(cè)值394.4 N相差不大,這表明通過(guò)該模型得出的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況擬合良好。

2.4 孔徑測(cè)試與分析

對(duì)最優(yōu)熱壓工藝參數(shù)下制得的PBO濕法非織造材料進(jìn)行孔徑測(cè)試,結(jié)果如圖4所示。

圖 4 PBO濕法非織造材料的孔徑大小及分布Fig.4 The pore size and distribution of PBO wet -laid nonwoven materials

從圖4可以看出,最優(yōu)熱壓工藝參數(shù)下所制得的PBO濕法非織造材料孔徑分布較為集中和均勻,樹(shù)脂流動(dòng)填充纖維之間的孔隙,影響材料的孔徑大小。但經(jīng)熱壓后材料的孔徑依然存在,說(shuō)明樹(shù)脂未完全填滿纖維孔隙。

3 結(jié) 論

1) 采用響應(yīng)面法,以熱壓溫度、熱壓壓力和熱壓時(shí)間3個(gè)因素為自變量,以PBO濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力為響應(yīng)值,建立的回歸模型擬合性良好。

2) 熱壓工藝中影響PBO濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力的因素依次為:熱壓壓力>熱壓溫度>熱壓時(shí)間。

3) 在最佳熱壓工藝條件,即熱壓溫度245.6 ℃,熱壓壓力8.4 MPa,熱壓時(shí)間9.3 min,制得的PBO纖維濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力相對(duì)最好。