芳綸Ⅲ/聚苯硫醚漿粕懸浮液分散性及成紙初探

王煦怡 姚松俊 熊思維 楊詩(shī)文 王 樺,3 王羅新,3

1. 中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司,四川 成都 610041;2. 武漢紡織大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430200;3. 湖北省紡織新材料與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430200;4. 高技術(shù)有機(jī)纖維四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041

目前,芳綸紙的制備主要以芳綸短切纖維和芳綸漿粕/芳綸沉析纖維為原料,通過濕法抄造制備而成。芳綸紙具有優(yōu)異的力學(xué)性能和絕緣強(qiáng)度,被廣泛應(yīng)用于航空航天和國(guó)防軍工領(lǐng)域[1-3]。然而在濕法抄造過程中,芳綸纖維的絮聚纏結(jié)對(duì)于制備高性能芳綸紙基材料而言一直是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。芳綸懸浮液的分散性會(huì)影響紙張的勻度。紙張勻度不僅影響紙基材料的外觀,而且對(duì)芳綸紙的力學(xué)性能和絕緣性具有重要意義[4-7]。

聚苯硫醚(PPS)是一種高性能的熱塑性樹脂,具有優(yōu)良的力學(xué)性能和阻燃性能,并且耐高溫、耐腐蝕[8-10]。PPS超細(xì)纖維非織造布是通過熔噴技術(shù)制備的,不僅繼承了PPS樹脂的所有優(yōu)點(diǎn),還在可加工性方面顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如,Huang等[11]以PPS超細(xì)纖維非織造布為原料,通過機(jī)械磨漿的方式制備了PPS纖維漿粕,然后通過濕法抄造和熱壓工藝制備了高性能的芳綸復(fù)合紙,并對(duì)復(fù)合紙的材料配比以及熱壓工藝進(jìn)行了細(xì)致研究。

纖維在分散介質(zhì)中的分散性是制備高性能特種芳綸紙的關(guān)鍵要素。本文以不同纖維直徑的PPS非織造布為原料,通過濕法磨漿的方式制備PPS漿粕纖維,探究了不同纖維直徑的PPS漿粕及打漿程度對(duì)芳綸Ⅲ/PPS懸浮液分散性的影響,并對(duì)芳綸Ⅲ短切纖維和PPS漿粕的成紙性進(jìn)行了初步研究,以期為制備高性能特種芳綸Ⅲ/PPS復(fù)合紙?zhí)峁├碚摶A(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

芳綸Ⅲ纖維(長(zhǎng)6 mm,中藍(lán)晨光化工研究院);3種PPS漿粕(A種纖維直徑為18～25 μm、B種纖維直徑為6～10 μm、C種纖維直徑為2～5 μm,自制);聚氧化乙烯(PEO,重均相對(duì)分子質(zhì)量為2×106,上海鍇源化工科技有限公司);陰離子型聚丙烯酰胺(APAM,重均相對(duì)分子質(zhì)量為3×106,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);有機(jī)硅消泡劑(中國(guó)綠森化學(xué)有限公司)。

1.2 芳綸Ⅲ/PPS復(fù)合紙的制備流程

釆用瓦力打漿機(jī)將實(shí)驗(yàn)室自制的3種不同規(guī)格的PPS纖維制成漿粕,以PEO和APAM作為分散助劑。通過纖維解離器將一定質(zhì)量配比的芳綸Ⅲ纖維和PPS漿粕解離分散。在解離完成的芳綸Ⅲ/PPS漿粕懸浮液中加入PEO/APAM復(fù)配分散助劑,攪拌均勻后加入有機(jī)硅消泡劑,得到芳綸Ⅲ/PPS的均勻分散漿液,最后通過濕法抄造和熱壓工藝得到芳綸Ⅲ/PPS復(fù)合紙。其中熱壓溫度為270 ℃,壓力為30 MPa,熱壓時(shí)間為5 min。

1.3 結(jié)構(gòu)與性能表征

使用3D顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)芳綸Ⅲ/PPS復(fù)合紙的表面形貌進(jìn)行觀測(cè)。采用哈克旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)不同纖維直徑的PPS漿粕的流變性能進(jìn)行測(cè)試。利用萬能拉力測(cè)試機(jī)對(duì)一系列樣品的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,其中樣條尺寸(長(zhǎng)×寬)為50 mm×4 mm,夾具的運(yùn)行速率為5 mm/min,測(cè)試結(jié)果取8塊試樣的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 PPS漿粕纖維的直徑對(duì)芳綸Ⅲ/PPS懸浮液體系分散性的影響

圖1a)為3種PPS漿粕在水中的分散性及其在顯微鏡下的形態(tài)。從圖1a)可以看出,A、B兩種PPS漿粕在水中能夠?qū)崿F(xiàn)良好的分散效果,而C種PPS漿粕在水中容易絮聚成團(tuán),分散效果較差。這是因?yàn)镃種PPS漿粕中纖維較細(xì),在熔噴過程中纖維聚成一團(tuán),濕法磨漿過程無法將其打散,最終造成C種PPS漿粕在水中分散效果較差。為進(jìn)一步驗(yàn)證該現(xiàn)象,進(jìn)行沉降試驗(yàn),結(jié)果如圖1b)所示,其中3種漿粕均取自攪拌均勻后的溶液。從圖1b)可以看出,3種漿粕在沉降20 min后,A、B兩種漿粕的沉降深度幾乎一致,而C種PPS漿粕的沉降深度遠(yuǎn)低于A、B兩種漿粕,此外可以明顯看到C種PPS漿粕的聚集。圖1c)展示了3種PPS漿粕對(duì)芳綸Ⅲ懸浮液體系分散性的影響。其中:C種PPS漿粕對(duì)芳綸Ⅲ懸浮液的分散性較差,大塊的芳綸Ⅲ/PPS混合纖維團(tuán)聚在一起,難以在水中分散;A種和B種PPS漿粕對(duì)芳綸Ⅲ懸浮液的分散性較好。

圖1 不同纖維直徑的PPS漿粕對(duì)芳綸Ⅲ/ PPS懸浮液體系分散性的影響Fig. 1 Effect of PPS pulp with different fiber diameters on the dispersibility of aramid Ⅲ/PPS suspension system

2.2 PPS漿粕纖維的打漿程度對(duì)芳綸Ⅲ/PPS懸浮液體系分散性的影響

以B漿粕纖維為原料,探究打漿程度對(duì)PPS漿粕纖維在水中的分散性及芳綸Ⅲ/PPS混合懸浮液分散性的影響(參數(shù)見表1),結(jié)果如圖2所示。PPS漿粕纖維在水中的分散性結(jié)果[圖2a)]顯示,打漿程度為I時(shí),PPS漿粕纖維在水中的分散性較差,PPS纖維絮聚纏結(jié)嚴(yán)重,表明許多PPS纖維還未被分散成單根纖維狀態(tài)。打漿程度為Ⅱ和Ⅲ時(shí),PPS漿粕纖維在水中分散得較為均勻,其中,打漿程度為Ⅱ的PPS漿粕纖維已經(jīng)被分散成單根纖維,而打漿程度為Ⅲ的PPS漿粕纖維分散得更為細(xì)碎化。由圖2b)可知:打漿程度為Ⅰ時(shí),PPS漿粕纖維對(duì)應(yīng)的芳綸Ⅲ/PPS混合懸浮液的分散性較差,這是由于PPS漿粕纖維的集聚導(dǎo)致芳綸Ⅲ與PPS之間嚴(yán)重纏結(jié),無法分散。打漿程度為Ⅱ和Ⅲ時(shí),芳綸Ⅲ/PPS混合懸浮液能夠?qū)崿F(xiàn)良好的分散,打漿程度為Ⅱ時(shí),單根分散的PPS漿粕纖維可以纏繞在芳綸Ⅲ上,而打漿程度為Ⅲ時(shí),PPS漿粕容易從芳綸Ⅲ上掉落。

表1 PPS漿粕的纖維打漿程度Tab. 1 Beating degree of PPS pulp fibers

圖2 不同打漿程度的PPS漿粕形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)芳綸Ⅲ/ PPS懸浮液體系分散性的影響Fig. 2 Effect of different pulping degree of PPS pulp on the dispersibility of aramid Ⅲ/PPS suspension system

2.3 芳綸Ⅲ/PPS漿粕的纖維成紙性

圖3為濕法抄造過后的芳綸Ⅲ/PPS原紙的表面形貌。在圖3a)中,由于未對(duì)PPS漿粕纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,導(dǎo)致芳綸Ⅲ/PPS混合漿液的分散不均勻,因此濕法抄造后表面出現(xiàn)纖維集聚的“橋梁”。圖3b)則是對(duì)PPS漿粕纖維的直徑及打漿程度進(jìn)行優(yōu)化后經(jīng)濕法抄造制備的原紙,其表面平整光滑,表明所制備的復(fù)合紙較為均勻。因此,PPS漿粕纖維的形態(tài)對(duì)復(fù)合紙的均勻性至關(guān)重要。

圖3 PPS漿粕纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)芳綸Ⅲ/ PPS原紙表面形貌的影響Fig. 3 Morphological structure of PPS pulp fiber on the surface morphology of aramid Ⅲ/PPS raw paper

2.4 芳綸Ⅲ/PPS復(fù)合紙的力學(xué)性能

圖4為PPS漿粕纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)芳綸Ⅲ/PPS復(fù)合紙力學(xué)強(qiáng)度的影響。由圖4a)可知,不同直徑的PPS漿粕纖維所對(duì)應(yīng)的芳綸Ⅲ/PPS復(fù)合紙的力學(xué)強(qiáng)度存在較大差異。A種PPS漿粕纖維由于纖維較粗,缺乏柔韌性,無法對(duì)芳綸Ⅲ進(jìn)行纏結(jié),這導(dǎo)致制備的復(fù)合紙的拉伸強(qiáng)度僅為75 MPa左右。C種PPS漿粕纖維最細(xì),柔韌性最好,但容易導(dǎo)致自身的纏結(jié),這在一定程度上影響了芳綸Ⅲ/PPS混合懸浮液的分散性,但其在成紙過程中幾乎沒有損失PPS,由其制備的復(fù)合紙的拉伸強(qiáng)度約為106 MPa。B種PPS漿粕既具有良好的柔性,能夠纏結(jié)芳綸Ⅲ,又具有優(yōu)異的分散性,使得芳綸Ⅲ/PPS混合懸浮液的分散性非常好。由其制備的復(fù)合紙的拉伸強(qiáng)度為128 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于A和C兩種漿粕所對(duì)應(yīng)的復(fù)合紙的拉伸強(qiáng)度。

圖4 PPS漿粕纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)芳綸Ⅲ/PPS復(fù)合紙力學(xué)強(qiáng)度的影響Fig. 4 Effect of morphological structure of PPS pulp fibers on mechanical strength of aramid Ⅲ/PPS composite paper

圖4b)為3種打漿程度所對(duì)應(yīng)的復(fù)合紙的拉伸性能。由圖4b)可知,打漿程度為I時(shí),PPS漿粕纖維所對(duì)應(yīng)的芳綸Ⅲ/PPS復(fù)合紙的拉伸強(qiáng)度(18 MPa)最低。一方面,這是由于其所對(duì)應(yīng)的芳綸Ⅲ/PPS混合懸浮液分散不均勻;另一方面,這是因?yàn)镻PS漿粕纖維集聚在一起,在高溫?zé)釅簳r(shí)PPS集聚體相比單根纖維難以熔融浸潤(rùn)芳綸Ⅲ。打漿程度為Ⅱ和Ⅲ時(shí),PPS漿粕纖維在水中分散良好。但打漿程度為Ⅲ時(shí)PPS漿粕纖維對(duì)應(yīng)的復(fù)合紙的拉伸強(qiáng)度(55 MPa)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于打漿程度為Ⅱ時(shí)的拉伸強(qiáng)度(123 MPa)。這主要是因?yàn)镻PS的打漿程度與纖維的長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān),打漿程度為Ⅲ時(shí)PPS漿粕纖維的細(xì)碎化程度高于打漿程度為Ⅱ時(shí),此時(shí)纖維長(zhǎng)度過短,導(dǎo)致在濕法抄造過程中纖維容易流失,從而拉伸強(qiáng)度非常低。

3 結(jié)語(yǔ)

在濕法抄造過程中,PPS漿粕纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)芳綸Ⅲ/PPS混合漿液的分散性具有重要影響。PPS漿粕纖維的直徑為18～25 μm時(shí),纖維本身剛性過大,無法對(duì)芳綸Ⅲ進(jìn)行纏結(jié),導(dǎo)致成紙強(qiáng)度較差;PPS漿粕纖維直徑為3～5 μm時(shí),纖維本身自纏結(jié),導(dǎo)致芳綸Ⅲ/PPS混合漿液分散性較差;PPS纖維直徑為6～10 μm時(shí),既不會(huì)出現(xiàn)成紙強(qiáng)度低的情況,也不會(huì)導(dǎo)致混合漿液的分散性過差。打漿程度較小時(shí),PPS漿粕纖維過長(zhǎng),造成芳綸Ⅲ/PPS混合漿液分散性較差;打漿程度過大時(shí),抄紙過程中PPS漿粕纖維部分流失,導(dǎo)致成紙強(qiáng)度較低;打漿程度為Ⅱ時(shí),PPS漿粕纖維的打漿效果最好,既不會(huì)造成混合懸浮液的分散性差,又可使PPS漿粕纖維纏結(jié)芳綸Ⅲ從而防止PPS的流失。影響芳綸Ⅲ/PPS漿粕纖維成紙的因素非常多,原料配比以及熱壓溫度、壓力、時(shí)間等均會(huì)對(duì)紙張的性能產(chǎn)生顯著影響,需要進(jìn)一步深入研究。