聚芳酰胺纤维合成纸的研制

制浆配套系统。 及其热油炉系统。 套系统。 43 .3 #
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实验
原料 本生产试验采用 #$$9 的合成纤维，主体纤维
为芳纶纤维，包括聚对苯二甲酰对苯二胺 ! 芳纶 #-#- & 和聚间苯二甲酰间苯二胺 ! 芳纶 #.#. & 及其浆 粕制品。 两种芳纶纤维长度为 " : "3 8))。 表 # 列出 #$%&’ $() #$%&’ *$+,(./0 1223 ./4 !
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5
前
言
了 芳 纶 #-#- 和 芳 纶 #.#. 的 性 能指标。 将上述芳纶 #-#- 、芳纶 #.#. 两种长丝切断 后，在水中分散
表 5 芳 纶 5353 纤 维 和 芳 纶 5656 纤维的主要性能指标 7 5 8
聚芳酰胺纤维合成纸 ! 以下称芳纶纤维合成 纸 & 是采用聚芳酰胺纤维为基料制成的一种具有高 强度、 低变形、 耐高温、 耐化学腐蚀、 阻燃和优良的 电绝缘性能的新型材料， 运用于电绝缘 ! 变压器、 电 机槽、 磁线圈、 电磁线圈等 & ； 制成蜂窝板用于制造 飞机机翼， 航空仪表板， 飞机、 舰船、 汽车、 掩体、 军 用工程设施等防火隔舱， 导弹翼， 飞机行李架、 行李 舱， 雷达天线， 雷达屏蔽罩， 直升机旋翼等， 多以军 事用途为主。 芳纶纤维合成纸最先由美国杜邦公司开发成 因其所使用的粘合剂 ! 包 功， 商品名为 ’()*+ 纸，
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进行打浆和研磨，纤维被撕裂而微纤化，表面产生 微纤状， 最后脱水干燥即得芳纶浆粕。 生产试验所采用的粘接纤维为聚对苯二甲酰 具有较高的机械强度。聚 胺乙二醇酯 ! 聚酯 & 纤维， 酯 纤 维 的 弹 性 模 量 .3 28 ;<=。 软 化 点 4.8 : 熔点 4%% : 4"$> ， 长度 % : %3 %))。 4-$> ， !" ! 43 43 # 43 43 4 43 43 . !" $ 生产设备 抄造设备： 试验采用 #$74 圆网造纸机及其 热轧设备： !-$$ ? # #$$ 双辊热油热轧机 压光设备： @A"$ — #-$ " 型压光机及其配 拟采取的技术路线 技术路线之一 芳纶主体纤维，高温聚酯纤维作粘接纤维，经 造纸机一次抄造成形，过热轧机，在聚酯的熔融温 度下芳纶纸被定形， 经压光机整饰。 43 .3 4 技术路线之二
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： 合成纤维抄
纸影响匀度的主要因 素一是纤维长度与纤 维直径比，另外是纤维 不规则的切断，如产生 图! 芳纶 !"!" 纤维的微纤化
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结果与讨论
工艺流程
星状断面。若从纤维长度与纤度来考虑，纤维因受 外力在水中起回转运动，单根纤维不是以纤维长度 为直径进行球形的自由运动，而是纤维进行相互接 触， 反复进行凝聚运动与凝聚破坏运动， 而凝聚与分 散则是以纤维的长度和粗度来比较，当纤维长度与 则易絮聚， 反之在机械作用下 粗度之比大于 122 时， 易分散。 我们造纸用的芳纶纤维， 无论是 !)!) 纤维， 还是 !"!" 纤维，均采用长 3 4 3( 566# 直径约为 长度与粗度之比远大于 122 ， 因此纤维在 2( 2!66，
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芳纶 #!#! 、 芳纶 #%#% 纤维原料的疏解工艺 一般来说芳纶纤维比较好疏解， 但疏解程度的
水中絮聚非常严重。 )( )( ’ 选择分散剂 如何解决芳纶纤维在水中的絮聚， 是提高成纸 匀度的关键。本研究从常规造纸的分散剂方法着 手，同时考虑合成纤维憎水性强、水中分散困难的 特点， 筛选出多组分分散剂。选用分散剂基于这么 几点原则：一是能对芳纶纤维具有涂覆润滑作用 7 二是能对分散介质起增稠作用； 三是具有悬浮合成 纤维的能力； 四是溶解方便快速。 试验中， 我们比较 了 ) 种分散剂 89、 溶液粘 :% 、 8%。在相同浓度下， 在溶解速 度上 :%;89;8%。 最终选 度 89;8%;:%。 定 89 分散剂， 通过 89 的加入， 芳纶纤维在浆液中 分散均匀， 抄造出的纸页匀度达到满意的效果。 !" % 芳纶纤维纸的粘合 芳纶短纤维自身不具有结合力； 同时芳纶短纤 维无明显的熔融温度，也不可能通过热轧方式，将 其轧制在一起而形成纸页。经过大量的试验探索， 确定以聚酯纤维做粘接纤维和浆内添加沉析纤维 两种方式来达到将芳纶纤维粘接到一起的目的。 )( "( ! 聚酯纤维 以芳纶纤维作主体纤维， 按一定比例加入熔点 较低的聚酯纤维抄造成纸， 当加有聚酯纤维的芳纶 纤维纸在接近聚酯纤维熔点温度时轧压， 已软化熔 融的粘接纤维在压力下， 将不熔的芳纶纤维粘合在 一起， 达到定型成纸的目的。 )( "( !( ! 聚酯纤维本身具有较高的机械强度和较 好的电绝缘性能，耐腐蚀性也较好，可在较复杂的 第 & 期 《纸和造纸 》
差异和疏解设备的不同， 对后期纸的成形和毛胚纸 - 未热轧纸 . 的松厚度带来一定的影响。 大多数合成 纤维不能通过打浆产生微纤维化，但通过对芳纶 !"!" 纤维的疏解看，芳纶 !"!" 纤维具有较好的微 适当 纤化效果， 纤维的比表面积可以增加 - 见图 ! . 。 的微纤化， 可增加纤维的柔韧性， 对纤维的分散、 成 纸匀度以及增大与粘接纤维的接触面积， 进而提高 轧后纸强度都有好处，且毛胚纸强度也会得到提 高。 反之， 为追求较高的微纤化效果， 则将加剧纤维 间的缠绕， 进而影响到纸页成纸匀度和强度。芳纶 !)!) 纤维较难微纤化。 为解决芳纶 !)!) 纤维较难微纤化和芳纶 !"!" 纤维微纤化过度的问题， 使成纸具有较高的致密度 和挺度， 在成形过程中， 可配加部分浆粕。 以芳纶长 纤维作骨架，浆粕填充于长纤维之间，长短纤维交 织均匀，提高了纤维表面积和纤维交叉密度，同时 也能改善成纸匀度。浆粕的配加量不宜太多， 试生 产发现，一定范围内，纸抗张强度随浆粕用量的增 加而增加， 撕裂度随浆粕用量的增加而降低。 !" ! )( )( ! 芳纶纤维的分散工艺 芳纶纤维的絮聚 芳纶纤维具有极强的疏水性， 在水中极难被分 散，造纸时芳纶纤维因在水的作用下被搅拌而缠 结， 形成云朵状浆团。一方面吸附有空气泡的浆团 漂浮于浆液面上，加重纤维间的絮聚，另一方面纤
括沉析技术 & 一直是其奈以垄断世界市场的商业机 密。 #778 年 7 月我们开始新型芳纶纤维合成纸的开 发研究， 今天已发展创新了一种完全不同于杜邦公 司 ’()*+ , 纸的工艺技术。 所制的芳纶纤维合成纸， 无论是在各项关键技术性能指标上， 还是在制造成 本上都极大地优于杜邦公司的同类产品。
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#""$ 年 %% 月
产品天地
环境中使用。 !" #" $" % 因制造工艺的不同，聚酯纤维种类也非 常多， 可针对不同绝缘纸 & ’ 级、 ( 级 ) 的使用温度要 求， 选用不同熔融温度的聚酯纤维。 !" #" $" ! 利用聚酯纤维受热熔融的特性 & 熔点较 芳纶纤维分解点低得多 ) ，在其近熔点下，较好地 将芳纶纤维粘接起来，形成了芳纶纸的初始强 度。 !" #" $" # 受热轧后芳纶纸的强度与聚酯纤维配用 量有直接关系，用量过低纸页强度不足，一般来说 随聚酯纤维用量增加，芳纶纸的强度增加，但过高 同时也 的用量则使纸页某些强度下降 & 如撕裂度 ) ， 使纸页收缩变形加剧。 !" #" $" * 因聚酯纤维热熔收缩 & 这是化学纤维的 共性 ) ， 造成纸的热收缩， 与此同时， 纸中原聚酯纤 维所在位置因聚酯纤维收缩而形成了空隙和针眼， 增加了纸的多孔性， 纸绝缘强度下降。若该纸用于 绝缘， 可考虑表面处理方式覆盖孔眼。另外用该纸 作为制造绝缘复合材料的基材， 与聚酯薄膜或聚酰 或制造 亚胺薄膜复合制造出 ’、 ( 级耐高温绝缘纸， 蜂窝板材料， 其优点在于空隙和针眼能更好地吸附 定型树脂或胶粘剂。 !+ #+ % 沉析纤维 采用浆内添加沉析纤维的方式抄造芳纶 $!$! 纤维纸。 参照杜邦 ,-./0 1 纸的工艺特点， 将沉析纤 维和芳纶 $!$! 纤维混合抄造成纸，然后经过高温 热轧塑化，使纸张具有良好的机械性能和电气性 能。 沉析纤维的制备是分别将一定粘度的聚间苯 二甲酰胺溶液和沉析剂送入沉析机中， 在高速剪切 作用下混合，析出二维细小的薄膜条状的纤维，最 后经过水洗， 打浆精制后， 得到沉析纤维浆料。 沉析 纤维浆料按一定比例与芳纶 $!$! 纤维混合，赋予 合成纤维类似于植物纤维的成纸特性， 比芳纶 $#$# 纤维、 聚酯纤维分散性更好， 更容易成形， 同时也使 未热轧的毛胚纸具有较高的初始强度。 影响沉析纤维性能的因素有：芳纶 $!$! 树脂 纯度和粘度，沉析剂成分，树脂和沉析剂混合比例 以及沉析机的剪切线速度等。因控制的因素较多， 要制得质量非常好的沉析纤维无论从技术和设备 的精度上均有一定的难度， 为此本研究新发明了一 套有别于杜邦沉析技术的方法， 制造出的二维沉析 细小碎片， 同样取得了与上述沉析技术制造出的沉 析纤维有着相同的成形效果和成纸质量。 !" & 芳纶 $%$% 纤维和聚酯纤维合成纸的微结构 基于有限元方法， 即以数个单独的力学结构元 素构成的组合结构， 而每个单独的元素对于应力和 应变的响应将取决于其设计的几何形状性质。 这些 几何方式的选择设计将保证元素单元间通过点 & 称 在此有限元数学研究中， 针对芳 为节点 ) 理想连接。 纶 $#$# 纤维和聚酯纤维合成纸中的纤维结构，建 立了三种不同的数学模型， 以模拟负荷从一根纤维 传递到另一平行的纤维的效果。 !" 2" $ 低模量材料连续网模型 & 聚酯模量取 延主纤维纵向的理想联结。 !+ 34567 ) ， 力学传导机理 !" # 分析 对合成纤维而言，热传导与金属不同，不存在 自由电子，因此在受热或高温下，热能在合成纤维 纸内部的传导主要是分子的热震动。 由于合成纤维 纸中的芳纶 $#$# 纤维和聚酯纤维的分子量非常接 近， 其合成纸的复合导热系数及比热等与单一纤维 材料的数值很相近，因此两物质间的热阻力将很 小， 即热量很容易在合成纸内传递。其直接观察结 果是， 由于合成纤维纸的导热系数等随温度的增高 而升高， 其耐热能力及耐温能力为两种材料的热力 性能的综合结果。 因此可以认为： 芳纶 $#$# 纤维虽 然和低融化温度的聚酯纤维混合， 但理论上其复合 物应当可以保持较高的融化温度。 其理论根据在于 聚合物的热力学参数特性很接近，这有利于不同聚 合物间的复合。复合后的热力学参数随温度升高而 增加， 又对吸收传导热能起促进作用， 从而减缓温度 继续升高，结果使合成纸的融化温度介于两者之间， 而不是保持聚酯纤维的低融化温度特性。芳纶 $#$# 纤维加入百分比与合成纸融化温度关系见图 % 。 芳纶 $%$% 纤维和聚酯纤维合成纸的热力学
源自文库
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芳纶主体纤维# 另制备沉析纤维，将两种纤维 分别制浆，混合抄造成形，轧机热轧后，再经 $%& 表面处理技术处理和压光机整饰。 ’( )( ) 技术路线之三 芳纶主体纤维# 另制备沉析纤维，高温聚酯纤 维作粘接纤维，将 ) 种纤维分别制浆，混合抄造成 形， 再经轧机热轧后， 经 *+, 表面处理技术处理和 压光机整饰。 维团沉淀于水中影响 分散，两种现象均严重 影响到纸的匀度。有研 究认为
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聚芳酰胺纤维合成纸的研制
陶世毅， 王丽萍 "衡沛之，
! 四川对外经济贸易公司， "#$$#% &
摘要： 本文介绍了芳纶纤维的分散、 抄造成形、 热轧、 表面处理、 压光等工艺过程， 重点讨论了纤维的微纤化处理工艺、 沉析纤维的制造工艺、 纤维的配比、 粘合剂选择、 芳纶纤维的分散、 芳纶纤维纸成形设备的改进、 芳纶纤维纸热轧工艺 及压光工艺， 开发了一种全新的工艺技术。利用此技术制造出的芳纶纤维合成纸， 各项关键技术性能指标以及制造成 本均优于杜邦公司的同类产品。同时， 本项目在研制的过程中也摸索出了类似于 ’()*+ 纸的生产技术。 关键词： 芳纶 #-#- 纤维； 芳纶 #.#. 纤维； 聚酯纤维； 沉析纤维； 絮聚； 湿法成形 / 分散； 有限元理论； 热轧； 表面处理； 绝 缘强度 中图分类号： 012"#3 4 文献标识码： 5 文章编号： #$$# 6 ".$7 ! 4$$- & $" 6 $$"7 6 $%