对位芳纶沉析纤维及其纸基材料性能的研究_江明

and the fibrids as well as the properties of the papers made of the pulp fibers and fibrids by scanning electron microscopy，surface area analyzer，fiber morphology analyzer，Xray diffraction and other modern instruments． It was found that compared with the pulp fibers，fibrid was nongranular and smaller in size，it had the shape like a slice or wrinkled membrane，with large surface area，to 7. 35 m2 / g，and high surface activity； fibrid crushing a high degree of uniformity，with good length distribution，softness，and high strength and toughness； fibrid with small grain size， it had fine silk crystal structure and it was conducive to the formation and strength of the pacrystallinity was 28. 55% ， per； the mechanical strength and the electrical properties of fibrid paper was higher than PPTA pulp paper． Key words： para aramid； pulp； fibrids； properties of fibers； properties of paper
基苯磺酸钠 （ LAS） ，分析纯。 1. 2 实验仪器 S-4800 扫 描 电 子 显 微 镜 （ SEM ） ， 日 本 Hitachi 2000BETM 比 表 面 积 仪 （ BET ） ， 贝 公司生 产； 3H士德仪器科技 （ 北京 ） 有限公司生产； SE003 标准 300 纤维形态 纤维疏解机，瑞典 L＆W 公司生产； FS分析仪 （ Morfi Compact ） ， 德 国 Techpap 公 司 生 产； D / max2200PC X 射线衍射仪 （ XＲD ） ，日本理学株式 会社生产。 实验方法 1. 3. 1 SEM 分析 1. 3 绝干纤维原料经喷金处理后， 采用 SEM 进行观 察，采用二次电子成像模式，加速电压为 3. 0 kV。 1. 3. 2 比表面积测定 采用 BET 分别测定浆粕纤维、 沉析纤维和短切
作用力，从而提高了对位芳纶纸的强度、硬度、形变 性、耐热性以及耐腐蚀性等性能，但是结晶过度又会 使分子链段过于敛集，难以移动，减弱了分子链的柔 韧性，从而降低了对位芳纶纸的弹性、伸长率和抗冲 击性，甚至产生脆性断裂。 浆粕纤维和沉析纤维的 XＲD 曲线如图 3 所示。
Morfi Compact 测试过程中， 细小纤维指 长 度 小 于 0. 2 mm 的纤维。表 1 中沉析纤维的细小纤维含量 高达 70. 7% ，浆粕纤维为 58. 6% ， 说明沉析纤维的 细碎程度较高，比表面积大，胺基含量多，从而能更 好地与酰胺类树脂形成氢键，增强复合效果。浆粕纤 维和沉析纤维的长度分布如图 2 所示。 由图 2 可知， 沉析纤维比浆粕纤维的分布更加集中， 均一性更好， 结合力更强，有利于片状纸基材料的成形，保证了成 纸的匀度、强度和电气性能。
Vol. 33 ，No. 3 ， 2014
研究论文
1 1. 1
实
验
成型，热压温度控制在 240℃ 以上，压力 12 ～ 16 MPa。 对位芳纶纸经恒温恒湿处理后，按照国家标准检测方 法及行业标准测定抗张指数、撕裂指数及耐压强度。 2 2. 1 对位芳纶纤维性能分析 对位芳纶纤维微观形貌
实验原料 浆粕纤维、沉析纤维均为国外某公司提供； 短切 纤维，国内某化学纤维公司提供，长度 4 ～ 5 mm，直 径 10 μm； 分散剂聚氧化乙烯 （ PEO ） ， 日本助友精 化株式会社，相对分子质量 300 万 ～ 400 万； 十二烷
Study on the Properties of Para Aramid Fibrid and PPTA Paper JIANG Ming * ZHANG Meiyun LU Zhaoqing LIU Junhua YANG Bin
（ Shaanxi University of Science ＆ Technology，Shaanxi Province Key Lab of Papermaking Technology and Specialty Paper， Xi'an，Shaanxi Province， 710021 ） （ * Email： jiangmingv5@ 163． com） Abstract ： This article analyzed and compared the morphology，crystal structure and morphological parameters of the para aramid pulp fibers
对位芳纶纤维的微观形貌主要由制备方法和生产 工艺所决定，浆粕纤维、 沉析纤维的 SEM 扫描图如 图 1 所示。 目前造纸用商品浆粕纤维的制造方法是经低温缩 聚液晶溶液干喷湿纺法获得芳纶长丝后机械切断 ，并 进行机械打浆制得，纤维被撕裂而分丝帚化，表面呈 毛绒 状， 微 纤 丛 生， 毛 羽 丰 富
2 ［2 ～ 3 ］
Hale Waihona Puke Baidu
，比 表 面 积 达
6. 88 m / g，浆粕纤维 SEM 图如图 1 （ a） 所示。沉析 纤维制备工艺比较特殊，是通过往低温缩聚溶液中添 加沉析剂直接沉析而得到的纤维 ，类似于工业上间位 芳纶沉析 纤 维 的 生 产 方 法。 图 1 （ b ） 为 沉 析 纤 维 SEM 图。由图 1 （ b ） 可知， 沉析纤维为非粒状且尺 寸较小，微观组织呈皱膜状或薄片状，类似于长度和 宽度都仅为几百微米的黄色手帕， 分丝帚化现象明
图3 浆粕纤维和沉析纤维 XＲD 图
利用计算机软件 MDI Jade5. 0 分别拟合计算浆粕 纤维和沉析纤维的结晶度、 晶粒尺寸 （ 最强峰处 ） ， 结果如表 2 所示。由图 3 可知，浆粕纤维有两个比较 突出的结晶衍射峰， 并在 22. 7° 处衍射强度达到 最 大，但衍射强度不高，且衍射峰较宽，说明浆粕纤维 属于半结晶晶态结构，这与其生产过程中原纤化处理 程度有很大关系； 而沉析纤维只在 2 θ 为 21. 8° 处存 在一个较为明显的结晶衍射峰，曲线呈现锯齿状，衍 射 强 度 偏 低， 且 晶 粒 尺 寸 较 小， 结 晶 度 仅 为 28. 55% ，说明沉析纤维的晶相不完整， 属于非晶态
对位芳纶纸基材料是指将对位芳纶短切纤维 （ 简称短切纤维） 和对位芳纶浆粕纤维 （ 简称浆粕纤 维） 或对位芳纶沉析纤维 （ 简称沉析纤维 ） 按照造 纸湿法成形的原理抄造成纸，再经热压成型制得的复 合材料。这种以高性能芳香酰胺纤维制备的纸基复合 材料具有强韧的机械性能、优良的介电性能和灵活的 加工性能，可作为绝缘材料、结构材料、电子材料广 ［1 ］ 泛应用于电力、交通、电子等重要高科技行业 。 目前，国内对于芳纶纤维的研究主要集中于浆粕 纤维，对位芳纶纸基材料是由浆粕纤维与短切纤维混 合配抄而成，而对沉析纤维这种新型化学纤维的性能 研究报道较少。因此，本实验结合对位芳纶纤维性能
图1
浆粕纤维和沉析纤维的 SEM 图 （ × 5000 ） · 23·
《中国造纸》 2014 年第 33 卷第 3 期
研究论文
［4-6 ］ 。 两种 形态表征及成纸性能分析有着重要的意义 对位芳纶纤维的 Morfi Compact 分析结果如表 1 所示。 ［10 ］ 度、耐热性能存在很大关系 。 结晶使对位芳纶纤 维高分子链段排列规整，堆砌紧密，增强了分子链间
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的表征技术和对位芳纶纸制备的关键技术 ，采用扫描 电子显微镜 （ SEM ） 、 比 表 面 积 仪 （ BET ） 、 纤 维 形 态分析仪 （ Morfi Compact ） 、 X 射线衍射仪 （ XＲD ） 等仪器分析了沉析纤维与浆粕纤维的微观形貌 、 形 态参数和结晶结构 ， 并比较了两种对位芳纶纤维成 纸性能的差异 ， 为研究新一代高性能对位芳纶纸基 材料奠定基础 。
2 分散后抄纸，定量为 55 g / m 。将手抄片先进 行预热处理，然后在一定温度和压力下热压
综上所述，对比这两种对位芳纶纤维可知，沉析 纤维的比表面积较大，表面活性较高，从而使其更容 易与水、纤维、酰胺类复合树脂间产生氢键，表现为 在水相介质中的分散效果、在抄造过程中的成形质量 以及在实际应用中的复合性能均优于浆粕纤维 。 2. 2 对位芳纶纤维形态参数 对位芳纶纤维的形态参数是影响其成浆质量和成 纸性能的重要指标之一。由于浆粕纤维和沉析纤维在 制备和处理过程中不可避免地会发生一定程度的切断 和压溃，纤维润胀和细纤维化现象明显，纤维形态呈 现多分散性，因此， 测定对位芳纶纤维的质均长度、 宽度、弯曲指数、扭结指数以及细小纤维含量对纤维
2 显，纤维柔软性好，比表面积大，达到 7. 35 m / g。
纤维的比表面积。 测定条件： 在氮气环境，150℃ 下 吹扫 120 min，以彻底清洁样品表面； 再在 30℃ 下用 氮气吸附，测定样品的比表面积。 纤维形态分析 称取 0. 3 g 绝干纤维于标准纤维疏解机中加水至 1000 mL 后疏解 20000 转，取 10 mL 纤维悬浮液稀释 1. 3. 3 至 1000 mL 放入测量容器中， 采用 Morfi Compact 进 行分析观测， 测定 5000 根以上纤维， 从而得出纤维 的质均长度、宽度、弯曲指数、扭结指数和细小纤维 含量等参数。 1. 3. 4 XＲD 分析 采用 XＲD 对对位芳纶纤维样品进行分 析。测试 条 件： Cu Ka 辐 射， 管 压 40 kV， 管流40 mA，扫描速度为 8° / min，所得样品 的 X 射线衍射曲线用分峰拟合法计算结 晶度。 1. 3. 5 对位芳纶纸的抄造、 热压及物理性 能检测 将浆粕纤维或沉析纤维与短切纤维按一 定的质量比混合，利用标准分散器进行疏解
收稿日期： 2013-08-06 （ 修改稿） 基金项目： 国家高技术研究发展计划 （ 863 ） 重大项目 （ 2012AA03A208 ） ； 陕西省科技统 筹创新 工程计 划项目 （ 2011ktcg0119 ） ； 陕西省工业攻关项目 （ 2011K08-08 ） 。
China Pulp ＆ Paper
研究论文
· 芳纶纤维 ·
对位芳纶沉析纤维及其纸基 材料性能的研究
江 明 张美云 陆赵情 刘俊华 杨 斌
（ 陕西科技大学，陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安，710021 ） 作者 简 介： 江 明先
摘 要： 采用扫描电子显微镜、比表面积仪、纤维形态分析仪、 X 射线衍射仪等对比分析了对位芳
生，在读硕士研究生； 主要 从 事 高 性 能 纸 基 功能材料的研发。
纶沉析纤维和对位芳纶浆粕纤维的微观形貌、 形态参数、 结晶结构以及成纸性能。 实验表明，与对 位芳纶浆粕纤维相比，对位芳纶沉析纤维呈非粒状且尺寸较小，外形上既像皱膜又像薄片，表面活 性高，比表面积大，达到 7. 35 m2 / g； 纤维细碎化程度高，长度均一性好，柔软性好，强韧性高； 结 晶度为 28. 55% ，具备细微丝晶结构，有利于成纸的匀度和强度； 配抄成纸机械强度和电气性能均高 于对位芳纶浆粕纤维配抄的纸。 关键词： 对位芳纶； 沉析纤维； 浆粕纤维； 纤维特性； 成纸性能 中图分类号： TS722 文献标识码： A 文章编号： 0254-508X（ 2014 ） 03-0022-04
表1
纤维类型 浆粕纤维 沉析纤维
浆粕纤维和沉析纤维 Morfi Compact 分析结果
质均长度 / mm 0. 894 0. 554 宽度 / μm 32. 7 35. 3 弯曲指数 /% 15. 7 17. 3 扭结指数 /% 42. 5 36. 2 细小纤维 含量 / % 58. 6 70. 7