提高芳綸原紙強(qiáng)度的工藝研究

吳雪丹,趙會(huì)芳,林盈盈,聶勝麗

(浙江科技學(xué)院輕工學(xué)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(qiáng)度、極好的耐熱性、杰出的化學(xué)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(jī)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(jié)構(gòu)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(jī)械性能比熱壓紙較低,用于電動(dòng)機(jī)相絕緣及變壓器線圈端絕緣之類要求高厚度和適應(yīng)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(jī)械強(qiáng)度,而芳綸漿粕提供紙張的介電質(zhì)強(qiáng)度并作為纖維之間的黏結(jié)材料[5]。芳綸紙實(shí)質(zhì)上是由化學(xué)結(jié)構(gòu)相同而物理形態(tài)相異的兩種合成纖維形成的一種復(fù)合材料紙,其中芳綸短切纖維相當(dāng)于復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維,而芳綸漿粕相當(dāng)于基體。影響芳綸原紙中芳綸短切纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)度的影響,探討了提高芳綸原紙強(qiáng)度的工藝方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所用原料均由國內(nèi)生產(chǎn)廠家提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(jìn)行混合,按照GB 7981—87《紙漿實(shí)驗(yàn)室紙頁的制備常規(guī)紙頁成型器法》用實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)行混合,加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分散劑PEO后抄紙,比較芳綸原紙的物理強(qiáng)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(fù)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(qiáng)度,確定最佳芳綸紙成形工藝。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 芳綸漿粕種類及用量對芳綸原紙強(qiáng)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(jìn)行混合抄紙,測定不同配比的芳綸紙的物理強(qiáng)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(biāo)如表1所示,芳綸漿粕B與芳綸1313纖維配抄紙的物理指標(biāo)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(dāng)芳綸漿粕與短切纖維的質(zhì)量比為1.5∶1時(shí),芳綸原紙的抗張指數(shù)最高,而撕裂強(qiáng)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(shí)。由于芳綸是合成纖維,其短切纖維本身光滑挺硬,無結(jié)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(dāng)漿粕比例較低時(shí),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(qiáng)度很大,所以其成紙撕裂度較好。但當(dāng)漿粕比例過高時(shí),盡管漿粕與短切纖維間的結(jié)合力較強(qiáng),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(shí)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(shí),漿粕B配抄的芳綸原紙強(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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?jǐn)?shù)對芳綸原紙強(qiáng)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(qiáng)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?jǐn)?shù)對芳綸原紙強(qiáng)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(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)分散劑PEO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%(對絕干漿量)時(shí),芳綸原紙的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)最高。當(dāng)PEO質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.15%時(shí),反而引起芳綸紙強(qiáng)度的下降。這是因?yàn)榧堩摰目箯垙?qiáng)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(qiáng)度過低,從而容易產(chǎn)生局部斷裂,影響其整體強(qiáng)度。添加PEO后,懸浮液的黏度上升,纖維的運(yùn)動(dòng)速度下降,減少了纖維之間的碰撞,降低了纖維之間的纏結(jié),紙頁中纖維的分布勻度提高。但當(dāng)PEO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.15%后,漿料的黏度過大,濾水性下降,漿料中細(xì)小組分的留著率提高,細(xì)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(shí),紙頁中纖維絮聚嚴(yán)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(biāo)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(biāo)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?jǐn)?shù)的芳綸原紙的物理指標(biāo)Table 3 Physical indexes of aramid base sheet with different disperser quantities

2.3 成形方式對芳綸原紙強(qiáng)度的影響

同一定量的紙張,一次成形與分層抄造再復(fù)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(qiáng)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?jǐn)?shù)0.15%,一次成形和分層抄造再復(fù)合而制成的芳綸原紙的物理強(qiáng)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(fù)合,所形成的紙頁比一次成形64 g/m2定量的紙頁強(qiáng)度有所提高。實(shí)驗(yàn)室抄造定量為32 g/m2的紙頁時(shí),漿料上網(wǎng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.01%,而抄造64 g/m2定量的紙頁時(shí)漿料上網(wǎng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.02%,分二次成形使得每次上網(wǎng)漿料質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng)度。

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

3 結(jié) 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(shí),當(dāng)漿粕與短切纖維的質(zhì)量比為1.5∶1時(shí),所得芳綸原紙強(qiáng)度較高,且漿粕的性質(zhì)對原紙強(qiáng)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(jié)合力,從而提高芳綸原紙的強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度,較合適的PEO分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%。

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

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