CN107326723B - 一种聚芳酰胺纤维纸及其制备方法 - Google Patents

一种聚芳酰胺纤维纸及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种聚芳酰胺纤维纸及其制备方法，先向聚芳酰胺纤维悬浮液中加入聚芳酰胺浆粕疏解均匀，得到浆液A；向浆液A中加入聚氧化乙烯树脂溶液，疏解均匀得到浆液B；其中，聚芳酰胺纤维和聚芳酰胺浆粕的总质量为T，聚芳酰胺纤维的质量占20～50％T，聚氧化乙烯树脂的添加量是0.5～1.0％T；对浆液B进行抄纸和干燥，得到干燥纸，在干燥纸的两侧对称加上若干块传热板，然后进行热压，得到聚芳酰胺纤维纸。本发明中PEO树脂具有无毒、用量少及分散性能好且兼有助留、助滤等优点；通过传热板叠加于纸张表面，构造传递给纸的不同热流密度，提高聚芳酰胺纤维纸的性能。

Description

一种聚芳酰胺纤维纸及其制备方法
技术领域
本发明属于造纸技术领域，具体涉及一种聚芳酰胺纤维纸及其制备方法。
背景技术
以间位芳纶(PMIA)、芳砜纶(PSA)、聚酰亚胺(PI)为代表的高性能聚芳酰胺纤维纸基复合材料(聚芳酰胺纸)，具有优异的力学、耐高温和耐辐射性能，是目前全球公认的先进轻质高强结构材料。纯的聚芳酰胺原纸由该类短切纤维分别与其相应的浆粕(微纳纤维)通过湿法造纸技术成网，然后经高温热压获得性能提升。然而，传统的热塑性材料热压工艺和方法难以达到纸的各项性能指标，目前除芳纶纸外，PSA纸、PI纸的商业化进程都非常缓慢。同时，高端芳纶纸产品如间位Nomex纸和对位Korex纸，因美国杜邦公司深厚的专利壁垒也成为重要的战略性物资材料。
耐高温聚芳酰胺纸热压成型中多孔结构内的热输运是影响纸张网络结构和综合性能的关键过程。目前大量研究仅仅基于原料优化和选择、湿法造纸技术、热压工艺及设备调整和纸张性能分析层面，还没有研究涉及到热压过程中热流密度的设计和控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种聚芳酰胺纤维纸及其制备方法，通过不同热流密度下制备聚芳酰胺纤维纸，制得的纤维纸紧度和强度较好。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
包括以下步骤：
(1)向聚芳酰胺纤维悬浮液中加入聚芳酰胺浆粕疏解均匀，得到浆液A；
(2)向浆液A中加入聚氧化乙烯树脂溶液，疏解均匀得到浆液B；其中，聚芳酰胺纤维和聚芳酰胺浆粕的总质量为T，聚芳酰胺纤维的质量占20～50％T，聚氧化乙烯树脂的添加量是0.5～1.0％T；
(3)对浆液B进行抄纸和干燥，得到干燥纸，在干燥纸的两侧对称加上若干块传热板，然后进行热压，得到高性能聚芳酰胺纤维纸。
进一步地，步骤(1)中聚芳酰胺纤维悬浮液的质量浓度为0.01～0.05％。
进一步地，聚芳酰胺纤维的长度为3～5mm，直径为10～30微米。
进一步地，步骤(2)中聚氧化乙烯树脂溶液的质量浓度为0.1～1.0％。
进一步地，步骤(3)中的干燥是在100～105℃下干燥10～20min。
进一步地，步骤(3)中的传热板采用钢板和耐高温聚酯膜中的一种或两种，其中，采用两种时，耐高温聚酯膜和钢板在干燥纸两侧从内向外依次设置。
进一步地，钢板和耐高温聚酯膜的厚度均在0.3～0.5mm。
进一步地，聚芳酰胺纤维和聚芳酰胺浆粕中的聚芳酰胺均为PMIA、PSA或PI。
进一步地，聚芳酰胺为PMIA或PSA时，热压温度在260～290℃，热压时间5～10min，热压压力5～10MPa；聚芳酰胺为PI时，热压温度在200～260℃，热压时间2～6min，热压压力10～20MPa。
一种利用如上所述制备方法制得的聚芳酰胺纤维纸。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明将高性能聚芳酰胺纤维和浆粕在纤维疏解机中疏解，后加入一定量的PEO树脂溶液继续疏解，将浆料进行抄片、干燥和热压，其中PEO树脂具有无毒、用量少及分散性能好且兼有助留、助滤等优点；本发明通过传热板阶梯式叠加于纸张表面，构造传递给纸的不同热流密度，提高聚芳酰胺纤维纸的性能，本发明制得的聚芳酰胺纤维纸性能较传统聚芳酰胺纤维纸提高10～25％。
进一步地，本发明通过借助钢板、耐高温聚酯膜两种材料不同的传热性能，控制不同的热压机热流密度，利于提高纸张性能。
本发明制得的聚芳酰胺纤维纸中，PMIA纸的抗张指数可达98N·m·g-1，伸长率可达8.6％，耐压强度可达16.3Kv·mm-1；紧度可达0.73g·cm-3。PSA纸抗张指数可达82N·m·g-1，伸长率可达8.3％；耐压强度可达17Kv·mm-1；紧度可达0.75g·cm-3。PI纸的抗张指数可达44.2N·m·g-1，伸长率可达7.2％；耐压强度可达23.6Kv·mm-1；紧度可达0.76g·cm-3。
附图说明
图1是强热流密度(钢板)下纸张热输运速率示意图。
图2是弱热流密度(钢板+隔热膜)下纸张热输运速率示意图。
图3(a)是热压温度对PMIA-纸抗张性能的影响；图3(b)是热压温度对PMIA-纸耐压性能的影响。
图4(a)是热压温度对PSA-纸抗张性能的影响；图4(b)是热压温度对PSA-纸耐压性能的影响。
图5(a)是热压温度对PI纸抗张性能的影响；图5(b)是热压温度对PI纸耐压性能的影响。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明一种制备高性能聚芳酰胺纤维纸，具体包括以下步骤：
步骤1，先将一定量细丝状的高性能聚芳酰胺纤维加入水中，再倒入纤维疏解机中，疏解至分散均匀，得到质量浓度为0.01～0.05％的高性能聚芳酰胺纤维悬浮液；高性能聚芳酰胺纤维采用的是高性能聚芳酰胺短切纤维，纤维长度3～5mm，纤维直径10～30微米；
步骤2，向步骤1中的高性能聚芳酰胺纤维悬浮液中加入一定量同源高性能聚芳酰胺浆粕继续疏解，具体的配制过程如下：
其中聚芳酰胺浆粕为固体粉末状，成分为PMIA、PSA或PI；加入步骤1的纤维悬浮液中继续疏解至分散均匀，得到浆液A。
步骤3，配制聚氧化乙烯树脂溶液；配制的聚氧化乙烯树脂溶液的质量浓度为0.1～1.0％。
步骤4，将步骤3所配制的聚氧化乙烯树脂溶液加入到步骤2所得的浆液A中，并在纤维疏解机继续疏解均匀得到浆液B。
其中，高性能聚芳酰胺纤维和绝干聚芳酰胺浆粕的总质量为T，聚芳酰胺纤维的质量占20～50％T，聚氧化乙烯树脂的添加量是0.5～1.0％T。
步骤5，将步骤4所得的浆液B，在纸页成型器中抄纸，得到湿纸页。
步骤6，步骤5中湿纸页在真空干燥器中于100～105℃下干燥10～20min。
步骤7，将步骤6所得纸张进行热压条件温度、时间、压力范围值。纤维原料，热压时，控制不同的热流密度，分别借助钢板、耐高温聚酯膜两个不同材料的隔热性能，阶梯式叠加于纸张表面，构造传递给纸的不同热流密度，见图1和图2，开展不同热流密度对纸张热输运速率和成型的影响对比实验；并进行物理性能检测，物理性能检测有纸张抗张指数、撕裂指数和厚度等。得到不同热流密度下的高性能聚芳酰胺纤维纸。热压处理时，通过直接在加热板和纸张之间加钢板和耐高温聚酯膜，对纸张进行快速压平定型和迅速热冲击作用，对纸张进行热压。其中，钢板和耐高温聚酯膜的厚度均在0.3～0.5mm，耐高温聚酯膜可以采用聚四氟乙烯膜PTFE。
其中PMIA纸和PSA纸的热压温度在260～290℃，热压时间5～10min，热压压力5～10MPa；PI纸的热压温度在200～260℃，热压时间2～6min，热压压力10～20MPa。
实施例1
称取一定量的PMIA纤维和一定量的PMIA浆粕，总质量为T；纤维与浆粕的质量比例为1:1，即聚芳酰胺纤维的质量占50％T，将PMIA纤维加入水中形成质量浓度为0.01％的悬浮液，将PMIA浆粕加入悬浮液中；按PEO树脂的添加量为0.5％T，加入浓度为0.1％的PEO树脂溶液，后加入纸页抄片器中，将湿纸页在105℃的干燥器中干燥10min，后在平板硫化机上进行热压，热压时在纸张上下表面分别加一层0.5mm的耐高温聚酯膜，实现热压过程中的强热流，如图1所示，热压温度在260℃，热压时间10min，热压压力10MPa；即得到一种不同热流密度下制备高性能聚芳酰胺纤维纸。
实施例2
热压时在纸张上下表面分别加一层钢板和一层隔热膜，实现热压过程中的弱热流，其它条件同实施例1。
对比例1
纸张上下表面不添加钢板或隔热膜，直接进行热压，其它条件同实施例1。
对实施例1-2和对比例1所得的纤维纸进行性能测试，如下表1所示。
表1不同热流密度下间位芳纶纸性能对比
由表1可知，本发明通过加热板对纸张进行快速压平定型和迅速热冲击作用，调节纸张的多样化热压环境，分别借助钢板、隔热膜两个不同材料的隔热性能，控制不同的热压机热流密度，阶梯式叠加于纸张表面，构造传递给纸的不同热流密度，得到不同热流密度下的高性能聚芳酰胺纤维纸，其中，弱热流环境下对间位芳纶纸性能的提升作用更明显，相对无膜的间位芳纶纸，加钢板及隔热膜的间位芳纶纸，紧度提高19.7％，抗张指数提高10％，伸长率提高21.9％，耐压强度至少提高18％。
实施例3
称取2g的PMIA纤维于水中，形成质量浓度为0.03％的悬浮液；称取2g的PMIA浆粕加入悬浮液中；PMIA纤维和PMIA浆粕的总质量为T，再按PEO树脂的添加量为0.8％T，加入浓度为0.6％的PEO树脂溶液，后加入纸页抄片器中，将湿纸页在105℃的干燥器中干燥10min，后在平板硫化机上进行热压，热压时在纸张上下表面分别加一层钢板和一层隔热膜，钢板和隔热膜的厚度均为0.4mm，实现热压过程中的弱热流，如图2所示，热压温度在240～290℃，热压时间8min，热压压力8MPa；即得到一种高性能聚芳酰胺纤维纸。
实施例4
将原料PMIA替换成PSA，其它条件同实施例3。
实施例5
将原料PMIA替换成PI，热压温度在180～260℃，热压时间5min，热压压力15MPa，其它条件同实施例3。
对实施例3至实施例5的成品纸分别进行测试，发现随热压温度升高，PMIA纸、PSA纸和PI纸的抗张指数、伸长率和耐压强度基本都是先升高后降低，紧度始终升高到一定程度后趋于稳定。
如图3(a)和图3(b)所示，PMIA纸的抗张指数、伸长率和耐压强度在260℃以下时较低，因此热压温度优选260～290℃；PMIA纸在280℃，抗张指数达到最大值98N·m·g-1，伸长率达到最大值8.6％，耐压强度达到最大值14.9Kv·mm-1；紧度在280℃之后逐渐趋于稳定，在290℃达到0.72g·cm-3。
如图4(a)和图4(b)所示，PSA纸的抗张指数、伸长率和耐压强度在260℃以下时较低，因此热压温度优选260～290℃；PSA纸在270℃，抗张指数达到最大值82N·m·g-1，伸长率达到最大值8.3％；耐压强度在280℃达到最大值17Kv·mm-1；紧度在280℃之后逐渐趋于稳定，在290℃达到0.75g·cm-3。
如图5(a)和图5(b)所示，PI纸的紧度和耐压强度在180℃时较低，因此热压温度优选200～260℃；同时，PI纸在220℃，抗张指数达到最大值44.2N·m·g-1，伸长率达到最大值7.2％；耐压强度达到最大值23.6Kv·mm-1；紧度在260℃之后逐渐趋于稳定，达到0.76g·cm-3。
实施例6
称取2g的PSA纤维于水中，形成质量浓度为0.05％的悬浮液；称取8g的PSA浆粕加入悬浮液中；PSA纤维和PSA浆粕的总质量为T，PSA纤维占20％T；再按PEO树脂的添加量为1％T，加入浓度为0.4％的PEO树脂溶液，后加入纸页抄片器中，将湿纸页在100℃的干燥器中干燥20min，后在平板硫化机上进行热压，热压时在纸张上下表面分别加一层钢板和一层隔热膜，钢板和隔热膜的厚度均为0.3mm，实现热压过程中的弱热流，热压温度在290℃，热压时间5min，热压压力5MPa；即得到一种高性能聚芳酰胺纤维纸。
实施例7
称取3g的PI纤维于水中，形成质量浓度为0.03％的悬浮液；称取7g的PI浆粕加入悬浮液中；PI纤维和PI浆粕的总质量为T，PI纤维占30％T；再按PEO树脂的添加量为0.6％T，加入浓度为1％的PEO树脂溶液，后加入纸页抄片器中，将湿纸页在102℃的干燥器中干燥15min，后在平板硫化机上进行热压，热压时在纸张上下表面分别加一层钢板和一层隔热膜，钢板和隔热膜的厚度均为0.3mm，实现热压过程中的弱热流，热压温度在240℃，热压时间2min，热压压力20MPa；即得到一种高性能聚芳酰胺纤维纸。
实施例8
称取4g的PI纤维于水中，形成质量浓度为0.02％的悬浮液；称取6g的PI浆粕加入悬浮液中；PI纤维和PI浆粕的总质量为T，PI纤维占40％T；再按PEO树脂的添加量为0.9％T，加入浓度为0.5％的PEO树脂溶液，后加入纸页抄片器中，将湿纸页在100℃的干燥器中干燥15min，后在平板硫化机上进行热压，热压时在纸张上下表面分别加一层钢板和一层隔热膜，钢板和隔热膜的厚度均为0.4mm，实现热压过程中的弱热流，热压温度在240℃，热压时间6min，热压压力10MPa；即得到一种高性能聚芳酰胺纤维纸。
本发明将聚芳酰胺纤维和浆粕在纤维疏解机中疏解，后加入一定量的PEO树脂溶液继续疏解，将浆料加入纸页抄片器中，后经干燥和在平板硫化机上进行热压过程，得到不同热流密度下制备的高性能聚芳酰胺纤维纸。本发明通过加热板对纸张进行快速压平定型和迅速热冲击作用，调节纸张的多样化热压环境，分别借助钢板、隔热膜两个不同材料的隔热性能，控制不同的热压机热流密度，阶梯式叠加于纸张表面，构造传递给纸的不同热流密度，得到不同热流密度下的高性能聚芳酰胺纤维纸，此种方法得到的聚芳酰胺纤维纸性能较传统聚芳酰胺纤维纸提高10～25％。

Claims (8)

1.一种聚芳酰胺纤维纸的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)向聚芳酰胺纤维悬浮液中加入聚芳酰胺浆粕疏解均匀，得到浆液A；
(2)向浆液A中加入聚氧化乙烯树脂溶液，疏解均匀得到浆液B；其中，聚芳酰胺纤维和聚芳酰胺浆粕的总质量为T，聚芳酰胺纤维的质量占20～50％T，聚氧化乙烯树脂的添加量是0.5～1.0％T；
(3)对浆液B进行抄纸和干燥，得到干燥纸，在干燥纸的两侧对称加上两块传热板，然后进行热压，得到聚芳酰胺纤维纸；
步骤(3)中的传热板采用钢板和耐高温聚酯膜，耐高温聚酯膜和钢板在干燥纸两侧从内向外依次设置；
钢板和耐高温聚酯膜的厚度均在0.3～0.5mm。
2.根据权利要求1所述的一种聚芳酰胺纤维纸的制备方法，其特征在于：步骤(1)中聚芳酰胺纤维悬浮液的质量浓度为0.01～0.05％。
3.根据权利要求1所述的一种聚芳酰胺纤维纸的制备方法，其特征在于：聚芳酰胺纤维的长度为3～5mm，直径为10～30微米。
4.根据权利要求1所述的一种聚芳酰胺纤维纸的制备方法，其特征在于：步骤(2)中聚氧化乙烯树脂溶液的质量浓度为0.1～1.0％。
5.根据权利要求1所述的一种聚芳酰胺纤维纸的制备方法，其特征在于：步骤(3)中的干燥是在100～105℃下干燥10～20min。
6.根据权利要求1所述的一种聚芳酰胺纤维纸的制备方法，其特征在于：聚芳酰胺纤维和聚芳酰胺浆粕中的聚芳酰胺均为PMIA、PSA或PI。
7.根据权利要求6所述的一种聚芳酰胺纤维纸的制备方法，其特征在于：聚芳酰胺为PMIA或PSA时，热压温度在260～290℃，热压时间5～10min，热压压力5～10MPa；聚芳酰胺为PI时，热压温度在200～260℃，热压时间2～6min，热压压力10～20MPa。
8.一种利用权利要求1所述制备方法制得的聚芳酰胺纤维纸。
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