对位芳纶浆粕性能结构表征及成纸性能研究

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对位芳纶纤维是一种高强度、高模量、耐高温性能优异的新型合成纤维材料。由对位芳纶纤维通过湿法造纸工艺制备的对位芳纶纸,具有比重轻、比强度大、比刚度高、耐高温等特点,广泛应用于高温绝缘材料、航空航天和高性能电子器材等领域。对位芳纶浆粕纤维对芳纶纸的成形和纸张质量至关重要。目前国内尚无湿法造纸适用的对位芳纶浆粕纤维,也缺乏对其造纸性能的有效评价标准,导致国产纸缺陷较多,而国外不同公司其产品标准也不一致。造纸适用的对位芳纶浆粕应具有什么性能指标?如何表征其性能指标已成为提高国产对位芳纶纸质量亟待解决的关键问题。此外,与间位芳纶纸相比,蜂窝用对位芳纶纸在强度、耐高温性等方面有更高的要求,因此也需要深入探讨浆粕纤维与成纸性能的相关性,从而进一步改善对位芳纶纸的各项性能。课题借鉴植物纤维的表征方法,采用现代材料学分析手段,分别研究了对位芳纶浆粕纤维的形态特性、结构特性、抄造特性和浆料体系混合分散特性等,并结合成纸性能,提出了造纸用对位芳纶浆粕结构性能的表征方法,初步构建了一套对位芳纶浆粕的表征体系,为浆粕的制造和品质控制提供技术参数;同时研究了对位芳纶浆粕性能结构与成纸性能相关性,优化了短切纤维和浆粕纤维在纸页三维结构中的分布从而避免纸页在热压过程中产生的负面现象,进一步优化了对位芳纶纸的各项性能,为国产芳纶纸的质量优化做出一定的贡献。对位芳纶浆粕纤维利用槽式打浆机进行原纤化处理,使纤维产生更加明显的微纤化结构,增大其比表面积并使其均匀分散,有利于改善成纸性能。芳纶浆粕纤维的原纤化处理,应该在保证其比表面积尽可能大的的情况下,避免纤维过多的被切断,同时要适当提高其滤水性能,保证浆料合理的脱水速度,避免芳纶纤维在成形过程中发生纤维絮聚、分散困难等现象。当芳纶浆粕纤维原纤化程度在40~45°SR,成纸各项性能达到最佳。三种浆粕纤维的化学结构基本类似,主要差别在于纤维结晶态结构和大分子链间氢键化程度不同,这主要与纤维在生产过程中原纤化处理方式、原纤化程度等有关。芳纶浆粕纤维的耐热性能与其分子质量大小及其结晶结构等密切相关。影响纯浆粕纤维成纸强度、短切与浆粕纤维配抄成纸强度的主要因素是浆粕纤维的比表面积,即浆粕纤维对于使浆粕纤维之间、浆粕纤维与短切纤维之间产生有效结合所做出的贡献程度。芳纶浆粕纤维含量在70%时,成纸强度达最佳值,此时浆粕纤维对成纸强度性能贡献最大。影响对位芳纶浆粕/短切纤维共混体系分散性的主要因素有:芳纶纤维本身的化学结构和特性、短切纤维长度、纤维的表面润湿状态和纸页成形浓度。在抄造过程中,可以通过纤维预处理、提高浆粕纤维原纤化程度、控制短切纤维长度、采用超低浓成形和加入分散剂等方式改善纤维共混体系的分散性,从而可以优化纤维在纸页三维结构中的分布,改善成纸匀度,使得纤维之间的结合状态更加紧密,从而避免了热压过程中纸页产生纵向褶子或皲裂等负面现象。利用MATLAB软件得到纸页图像的灰度直方图和均方差,可以用于评价成纸匀度的好坏,并且此方法得到的结论与实际抄纸过程中观察到的现象一致。利用添加间位沉析纤维和聚酰亚胺树脂浸渍纸页都能明显改善成纸的机械强度,并且后者可以显著提升其耐温性能。
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