吳雪丹,趙會芳,林盈盈,聶勝麗

(浙江科技學院輕工學院,杭州 310023)

芳綸1313纖維是由間苯二酰氯和間苯二甲胺2種單體縮聚而成的,根據(jù)合成工藝不同,它以2種不同的物理形態(tài)存在:一種呈長纖維狀,表面光滑且富有光澤;另一種呈漿粕狀,表面毛羽豐富,比表面積較大[1]。芳綸1313纖維具有高模量、高強度、極好的耐熱性、杰出的化學穩(wěn)定性和電絕緣性。由芳綸1313纖維和芳綸1313漿粕以一定的比例混合,通過濕法抄造和熱壓處理而制成的芳綸紙,具有優(yōu)異的機械性能和耐高溫絕緣性能,是一種高附加值的特種纖維絕緣紙和結構材料紙[2-4]。而未熱壓處理的芳綸原紙密度較低,其電氣及機械性能比熱壓紙較低,用于電動機相絕緣及變壓器線圈端絕緣之類要求高厚度和適應性的用途。不同的纖維形態(tài)決定了在芳綸原紙中這兩種纖維的作用不同,芳綸短切纖維提供紙張的機械強度,而芳綸漿粕提供紙張的介電質(zhì)強度并作為纖維之間的黏結材料[5]。芳綸紙實質(zhì)上是由化學結構相同而物理形態(tài)相異的兩種合成纖維形成的一種復合材料紙,其中芳綸短切纖維相當于復合材料中的增強纖維,而芳綸漿粕相當于基體。影響芳綸原紙中芳綸短切纖維強度轉化率的因素有芳綸漿粕的性質(zhì)、芳綸漿粕所占的比例、芳綸短切纖維的表面狀態(tài)及芳綸短切纖維與漿粕的分散程度[6]等。本實驗研究了芳綸1313漿粕的性質(zhì)、不同芳綸纖維與漿粕配比、不同分散劑用量及成形方式對芳綸原紙強度的影響,探討了提高芳綸原紙強度的工藝方法。

1 實 驗

1.1 實驗原料

芳綸1313短切纖維:平均長度6.22 mm,平均寬度14.90μm,長寬比417;芳綸1313漿粕A:打漿度25°SR,平均長度 1.94 mm,平均寬度 34.17 μm,長寬比 57;芳綸 1313 漿粕 B:打漿度 58°SR,平均長度0.60 mm,平均寬度13.13μm,長寬比46;分散劑PEO。實驗所用原料均由國內(nèi)生產(chǎn)廠家提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 芳綸短切纖維與芳綸漿粕配比的確定

芳綸1313短切纖維分別與來源不同的芳綸漿粕A和B以1∶1.0,1∶1.2,1∶1.5,1∶1.8及1∶2.0的質(zhì)量比進行混合,按照GB 7981—87《紙漿實驗室紙頁的制備常規(guī)紙頁成型器法》用實驗室抄片器抄造定量為64 g/m2的芳綸紙,依據(jù)GB/T 451.2—2002《紙和紙板定量的測定》、GB/T 451.3—2002《紙和紙板厚度的測定》、GB/T 453—2002《紙和紙板抗張強度的測定(恒速加荷法)》和GB/T 455—2002《紙和紙板撕裂度的測定》規(guī)定的方法,分別測定不同配比的芳綸原紙的定量、緊度、抗張指數(shù)和撕裂指數(shù),進行比較,得出最佳配比。

1.2.2 分散劑PEO的使用

以優(yōu)化的配比和漿粕打漿度將芳綸1313短切纖維和漿粕進行混合,加入不同質(zhì)量分數(shù)的分散劑PEO后抄紙,比較芳綸原紙的物理強度,優(yōu)化分散劑的用量。

1.2.3 成形方式的比較

以優(yōu)化的纖維配比及分散劑用量將漿料混合,采用一次成形和二次成形再復合的方式抄造芳綸紙,測定不同成形方式下芳綸原紙的物理強度,確定最佳芳綸紙成形工藝。

2 實驗結果分析

2.1 芳綸漿粕種類及用量對芳綸原紙強度的影響

以芳綸1313短切纖維和來源不同的2種芳綸漿粕A和B以1∶1.0,1∶1.2,1∶1.5,1∶1.8及1∶2.0的質(zhì)量比進行混合抄紙,測定不同配比的芳綸紙的物理強度。其中芳綸漿粕A的打漿度為25°SR,芳綸漿粕B的打漿度為58°SR。芳綸漿粕A與芳綸1313纖維配抄紙的物理指標如表1所示,芳綸漿粕B與芳綸1313纖維配抄紙的物理指標如表2所示。

由表1和表2可知,無論是漿粕A還是漿粕B,當芳綸漿粕與短切纖維的質(zhì)量比為1.5∶1時,芳綸原紙的抗張指數(shù)最高,而撕裂強度最大值出現(xiàn)在芳綸漿粕與短切纖維的質(zhì)量比為1∶1時。由于芳綸是合成纖維,其短切纖維本身光滑挺硬,無結合力,純短切纖維無法抄造成紙,只有與漿粕以合適的比例混合抄造才能成形,漿粕在成紙過程中起到黏合的作用。當漿粕比例較低時,短切纖維不能很好地分散在漿粕中,成紙勻度不好,交織力較差,故其抗張指數(shù)較低,但由于短切纖維較長,其本身強度很大,所以其成紙撕裂度較好。但當漿粕比例過高時,盡管漿粕與短切纖維間的結合力較強,緊度較大,但由于纖維平均長度下降了,故抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)均較低。綜合考慮,抄造芳綸原紙時芳綸漿粕與短切纖維的最佳質(zhì)量比為1.5∶1。

對比表1和表2可知,同樣的漿粕與短切質(zhì)量比抄造芳綸原紙時,漿粕B配抄的芳綸原紙強度高于漿粕A配抄的芳綸原紙。這是由于漿粕B的打漿度遠遠高于漿粕A的打漿度,漿粕B表面起毛程度較大,黏性更大,有利于提高與短切纖維之間的交織力。

2.2 PEO質(zhì)量分數(shù)對芳綸原紙強度的影響

由于芳綸短切纖維較長,在濕法抄紙過程中容易互相交織在一起,影響成紙的勻度,從而影響其強度,因此在分散過程中加入了分散劑PEO,以提高芳綸纖維在水溶液中的懸浮性和分散性。以漿粕 A和短切纖維為原料,以1.5∶1的質(zhì)量比抄芳綸原紙,不同分散劑質(zhì)量分數(shù)對芳綸原紙強度的影響如表3所示。

由表3可知,添加少量分散劑PEO可提高芳綸原紙的強度。在實驗條件下,當分散劑PEO質(zhì)量分數(shù)為0.15%(對絕干漿量)時,芳綸原紙的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)最高。當PEO質(zhì)量分數(shù)超過0.15%時,反而引起芳綸紙強度的下降。這是因為紙頁的抗張強度和撕裂度均隨著紙頁勻度的改善而提高,如果紙張中纖維分布不均勻,在定量過低的部位纖維分布較少,使紙頁局部強度過低,從而容易產(chǎn)生局部斷裂,影響其整體強度。添加PEO后,懸浮液的黏度上升,纖維的運動速度下降,減少了纖維之間的碰撞,降低了纖維之間的纏結,紙頁中纖維的分布勻度提高。但當PEO的質(zhì)量分數(shù)超過0.15%后,漿料的黏度過大,濾水性下降,漿料中細小組分的留著率提高,細小組分過多的存在使沉析纖維圍繞短切纖維產(chǎn)生了許多微小的絮聚體,紙頁勻度又開始下降[7]。未添加分散劑的紙頁及添加0.15%PEO的紙頁纖維分布如圖1所示?？梢?未添加分散劑PEO時,紙頁中纖維絮聚嚴重,紙頁勻度較差,而添加PEO大大改善了紙頁的勻度。

表1 芳綸漿粕A與芳綸短切纖維配抄芳綸原紙的物理指標Table1 Physical indexes of aramid base sheet made of aramid fibrid A together with chopped aramid fiber

表2 芳綸漿粕B與芳綸短切纖維配抄芳綸原紙的物理指標Table2 Physical indexes of aramid base sheet made of aramid fibrid B together with chopped aramid fiber

表3 不同分散劑質(zhì)量分數(shù)的芳綸原紙的物理指標Table 3 Physical indexes of aramid base sheet with different disperser quantities

2.3 成形方式對芳綸原紙強度的影響

同一定量的紙張,一次成形與分層抄造再復合成形,由于其上網(wǎng)濃度不同,所形成的紙頁勻度不同,纖維分布情況不同,故對其強度也有一定影響[8]。以漿粕 A和短切纖維為原料,以1.5∶1的質(zhì)量比配抄芳綸原紙,分散劑質(zhì)量分數(shù)0.15%,一次成形和分層抄造再復合而制成的芳綸原紙的物理強度如表4所示。

圖1 PEO分散劑對芳綸紙纖維分布的影響Fig.1 Effect of PEO dispersant on fiber distribution of aramid sheet

由表4可知,對于64 g/m2定量的紙頁,采用二次成形,每次抄造32 g/m2定量的紙頁,然后將2張濕紙頁復合,所形成的紙頁比一次成形64 g/m2定量的紙頁強度有所提高。實驗室抄造定量為32 g/m2的紙頁時,漿料上網(wǎng)質(zhì)量分數(shù)約為0.01%,而抄造64 g/m2定量的紙頁時漿料上網(wǎng)質(zhì)量分數(shù)約0.02%,分二次成形使得每次上網(wǎng)漿料質(zhì)量分數(shù)下降,紙頁勻度有所提高,使得疊合而成的紙頁總體勻度提高,纖維分布均勻,從而提高了紙頁的整體強度。

表4 不同成形方式芳綸原紙的物理指標Table 4 Physical indexes of aramid base sheet with different forming styles

3 結 語

1)在采用芳綸漿粕與芳綸短切纖

維配比濕法抄造芳綸原紙時,當漿粕與短切纖維的質(zhì)量比為1.5∶1時,所得芳綸原紙強度較高,且漿粕的性質(zhì)對原紙強度有較大的影響。打漿度高、表面起毛程度大的漿粕有利于提高漿粕與短切纖維之間的結合力,從而提高芳綸原紙的強度。

2)添加適量的分散劑PEO有利于提高芳綸漿粕與芳綸短切纖維的分散性,減少絮聚,從而提高芳綸原紙的勻度和機械強度,較合適的PEO分散劑質(zhì)量分數(shù)為0.15%。

3)對于抄造定量較大的芳綸原紙時,采用分層成形再復合的抄造方法,有利于提高芳綸原紙的勻度和強度。

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