高强高模聚乙烯纤维功能纸基材料制备及应用研究

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我国高强高模聚乙烯纤维(UHMWPE)的原料合成与纺丝成型技术已经取得实质性进展并达到国际先进水平,该种纤维推广应用也逐渐受到广泛关注。作为长丝纤维,UHMWPE纤维凭其强度高、模量高以及耐酸碱腐蚀性能好等优异的性能已在航天航空、军用及民用三大领域中开展了许多应用。因此,如何丰富和拓宽UHMWPE短纤维的应用是我们想要达成的目标。本文首先探究UHMWPE短纤维与针叶木浆配抄制备UHMWPE纤维纸基复合材料工艺及其性能,以深入掌握影响UHMWPE短纤维湿法非织造法制备纸张的主要因素及其作用机制。根据以上UHMWPE纤维湿法成纸研究成果,然后以UHMWPE纤维为基础原料,分别依据其优异的化学稳定性、较好的热稳定性以及良好的绝缘性等性能采用湿法非织造技术制备锂离子电池隔膜,依据其强度高、化学稳定性好等性能采用湿法非织造技术制备分离膜支撑体,分别对这两种功能纸基材料的成形影响因素及作用机理进行探讨和分析,并对其性能进行表征。研究总结如下:以UHMWPE短纤维和针叶木浆为原料,通过湿法抄造工艺制备UHMWPE纤维纸基复合材料。探究UHMWPE纤维与针叶木浆纤维质量配比、针叶木浆打浆度、定量以及不同UHMWPE纤维长度对UHMWPE纤维纸基复合材料强度、孔径分布和孔隙率等影响。结果表明:当针叶木浆打浆度逐步提高时,针叶木浆纤维发生润胀和细纤维化程度逐渐加深,从而使针叶木浆纤维的比表面积快速增加,更多的化学基团被释放出来,促进了纤维间化学键的结合,使纤维间结合作用不断加强,UHMWPE纤维纸基复合材料的抗张指数和撕裂指数呈现出增大的趋势,紧度不断增大,透气度和孔隙率呈现下降趋势,孔径分布更加集中且孔径变小;当针叶木浆质量配比逐渐增大时,极性基团数量不断增多,使UHMWPE纤维纸基复合材料的紧度、抗张指数、撕裂指数逐渐增大,孔径分布更加集中且孔径变小,透气度和孔隙率不断下降;当定量不断增加时,UHMWPE纤维纸基材料的紧度和抗张指数呈现先增大后减小的趋势,撕裂指数逐渐增大,孔径分布更加集中且孔径变小,透气度和孔隙率不断减小;与6 mm UHMWPE纤维所制备的UHMWPE纤维纸基复合材料相比,3 mm UHMWPE纤维纸基复合材料的紧度、抗张指数更大,透气度、撕裂指数、孔隙率以及孔径更小,且孔径分布更加集中。将UHMWPE短纤维和针叶木浆配抄制备UHMWPE纤维纸基隔膜,研究了纤维质量配比和针叶木浆打浆度对湿法抄造UHMWPE纤维纸基隔膜原纸性能的影响。由于湿法抄造工艺制备的纸基孔径较大,难以满足锂离子电池隔膜的要求,故采用添加纳米纤维素(NFC)和聚乙烯醇/二氧化硅(PVA/Si O2)涂布的方法改善UHMWPE纤维纸基隔膜的孔径大小以及其他性能。结果表明:在定量为30 g/m~2,UHMWPE纤维与针叶木浆质量配比为5:5,针叶木浆纤维打浆度为93°SR,NFC添加量为12%(相对于绝干纤维),并采用质量分数为6%的PVA/Si O2涂布液对UHMWPE纤维纸基原纸进行涂布的试验条件下,与UHMWPE纤维纸基隔膜原纸相比,UHMWPE纤维纸基隔膜力学性能提高了约4.5倍,孔径变得更小,孔隙率和吸液率分别提高了7.01%和4.69%,热稳定性能变得更好。与商用Celgard 2500相比,UHMWPE纤维纸基隔膜具有稳定的电化学窗口,较高的吸液率和孔隙率,较好的热稳定性,较高的离子电导率(1.059 m S·cm-1)以及较低的界面阻抗值(140Ω)。由于UHMWPE纤维具有耐溶剂性好及强度高等优异性能,故将UHMWPE短纤维和低熔点PVA纤维进行配抄,并结合湿法抄纸和热压工艺制备湿法非织造UHMWPE纤维支撑体。结果表明:当UHMWPE纤维与PVA纤维质量比为6:4、分散剂PEO的用量为0.9%、增强剂CPAM的用量为0.6%(均相对于绝干纤维)时,所制备的湿法非织造UHMWPE纤维分离膜支撑体性能较佳;采用热压工艺可以明显提高非织造支撑体的机械性能、孔径结构以及平滑度,当热压时间6 min、热压压力20 MPa、热压温度110℃时,此时性能最佳。此外,通过数据对比,所制备的湿法非织造UHMWPE纤维分离膜支撑体和商用分离膜支撑体在机械性能、孔隙率以及孔径大小等性能方面相差不大,能够满足实际应用要求。
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