CN108265566B - 一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸及其制备方法 - Google Patents

一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸及其制备方法，本发明利用具有特殊纳米结构、纤维直径小、长径比大、表面活性高、耐热性能优异等优点的对位芳纶纳米纤维作为对位芳纶纸的自增强材料，将芳纶短切、浆粕、沉析纤维和芳纶纳米纤维经过混合疏解分散制成均匀的悬浮液，抄造成形，压榨、干燥并进一步在热压机上进行热压得到芳纶纸。芳纶纳米纤维的引入，使得纳米级芳纶纤维及其形成的芳纶纳米膜起到了良好的界面填充、包覆与增强效果，为各组分间的结合提供更多的结合位点，同时减少了组分间的孔隙与空洞，显著改善了芳纶纸组分间的结合强度，大幅提升其机械性能和绝缘性能。

Description

一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸及其制备方法
技术领域
本发明属于聚合物纳米材料和造纸领域，具体涉及一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸及其制备方法。
背景技术
对位芳纶纤维(PPTA)是一种高强度、高模量、绝缘性和耐高温性能优异的高性能合成纤维，是防护和增强材料的理想原料。对位芳纶纸是利用对位芳纶短切纤维和对位芳纶浆粕纤维或对位芳纶沉析纤维为原料通过湿法造纸抄造成形并经过热压工艺制备而成。由于对位芳纶纤维分子链内部π-π共轭形成的刚性链状结构、分子链间氢键以及范德华等作用力使其形成的致密有序的二维网络状结构，虽然保证了纤维本身高强、高模、耐高温等特性，但同时这种结构特点也使得芳纶纤维表面光滑、活性基团少、化学惰性较强等缺陷，导致芳纶纤维在成纸过程中各组分间缺乏有效结合、界面结合力差、匀度差，原纸强度低等问题，不能充分发挥芳纶纤维本身优异的性能。
针对此问题，目前主要的解决思路是添加第三种黏结性纤维、树脂浸渍以及溶剂溶解法来增强芳纶纸。(1)专利申请号为200610022082.5的中国发明专利提出了“以热塑性纤维作黏合剂生产芳纶纸的制造方法”，通过添加第三种具有明显熔融温度的热塑性黏结纤维，如聚苯硫醚(PPS)、聚酯纤维(PET)等，在高温高压热压过程中，这种具有明显熔融温度的黏结纤维发生熔融，提升纤维间的结合力；(2)专利申请号为201210433947.2的中国发明专利提出了“一种聚酰亚胺树脂增强间位芳纶纸的制备方法”，采用聚酰亚胺树脂浸渍原纸后经过热压机热压来增强芳纶纸。(3)专利申请号为201610405271.4的中国发明专利提出了“一种高强度芳纶纸张及其溶解复压自增强的制备方法”，通过将原纸浸渍与氯化钙/氯化锂体系中，使得间位芳纶纤维发生自溶解来增加纤维之间的接触和粘合力。
但是，上述方法虽然能在一定程度上增强对位芳纶纸，但是引入第三种黏结性纤维则会导致最终成纸耐温性下降、热塑性纤维熔融后可能会造成纸张更大的空隙或孔洞，不利于绝缘性能的提高；通过聚酰亚胺树脂浸渍过程中，原纸对聚酰亚胺树脂的吸收率难以控制、制备工艺复杂，且经过树脂浸渍后纸张会变脆，不利于后续在绝缘、蜂窝芯材等领域的加工应用；通过溶剂溶解法只适用于间位芳纶纸，而对位芳纶纸无法溶解于氯化钙/氯化锂体系，只能溶解于浓硫酸中，因此该方法加工过程复杂，且对设备腐蚀严重，不利于工业化应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸及其制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明采用新工艺、新方法研发生产出综合性能优异的芳纶纸，避免了目前解决芳纶纸增强时采用的引入第三种热塑性黏结纤维或者通过树脂浸渍而导致的芳纶纸综合性能下降等问题，可以在电气绝缘领域作为高端绝缘材料或者在航空航天领域作为结构减重材料，应用前景广阔。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，以重量份数计，所述的对位芳纶纸制备原料包括：对位芳纶纤维：90～99份，芳纶纳米纤维：1～10份；所述的对位芳纶纤维为对位芳纶纤维X和对位芳纶纤维Y的混合体系，其中，对位芳纶纤维X和对位芳纶纤维Y的重量比为(3～4)﹕(6～7)，所述的对位芳纶纤维X为对位芳纶短切纤维；所述的对位芳纶纤维Y为对位芳纶沉析纤维和对位芳纶浆粕纤维中的一种或两种。
进一步地，所述芳纶纳米纤维由以下方法制备：
步骤(1)：将对位芳纶纤维A、氢氧化钾和二甲基亚砜置于容器中，在密封条件下搅拌，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；
步骤(2)：将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在搅拌作用下，向其高压注射去离子水，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；
步骤(3)：将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过200～500目尼龙滤膜真空抽滤，得到芳纶纳米纤维前驱体；
步骤(4)：将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维前驱体通过无水乙醇和去离子水反复洗涤，分散浓度为0.5～5mg/mL，得到胶体状芳纶纳米纤维；
步骤(5)：将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维在搅拌作用下分散于去离子水中，得到水分散的芳纶纳米纤维。
进一步地，步骤(1)中对位芳纶纤维A、氢氧化钾和二甲基亚砜比例为1g：1.5g：500ml，所述的对位芳纶纤维A是对位芳纶纱线纤维、对位芳纶短切纤维、对位芳纶浆粕纤维和对位芳纶沉析纤维中的一种。
进一步地，步骤(2)中所述的高压注射是利用不锈钢高压射流泵，射流压力为5～15MPa，射流速度为0.2～2.0mL/s；射流去离子水与对位芳纶纤维A的质量比为1:1～5:1。
进一步地，步骤(4)中洗涤用无水乙醇的体积与芳纶纳米纤维前驱体质量的比为1mL:5mg～1mL:2mg；所述洗涤用去离子水与芳纶纳米纤维前驱体的质量比为10:1～5:1。
进一步地，步骤(1)中搅拌是指在密封条件下，在30～50℃温度下搅拌5～8天；步骤(2)中搅拌转速为600～3000rpm；步骤(5)中搅拌转数为500～2500rpm，搅拌时间30～180min。
一种上述的对位芳纶纸的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将对位芳纶纤维X疏解分散，制得浆料悬浮液A；
步骤二：将对位芳纶纤维Y经过原纤化处理并添加到步骤一中得到的浆料悬浮液A，疏解分散制得浆料悬浮液B，原纤化处理程度具体为打浆度达到45～60°SR；
步骤三：将芳纶纳米纤维添加到步骤二中制得的浆料悬浮液B中，再疏解分散，制得浆料悬浮液C；
步骤四：将步骤三中得到的浆料悬浮液C抄造成形，压榨、干燥并进行热压得到芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸。
进一步地，步骤一中进行疏解时添加分子量为300～500万的聚氧化乙烯作为分散剂，用量为对位芳纶纤维X绝干质量的0.1～0.5％。
进一步地，步骤三中疏解时添加阳离子聚丙烯酰胺作为助留剂，用量为芳纶纳米纤维质量的0.01～0.05％。
进一步地，步骤一中疏解转数为10000～30000r，步骤二中疏解转数为10000～20000r，步骤三中疏解转数为5000～10000r。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明利用DMSO/KOH体系成功制备了对位芳纶纳米纤维，制得的芳纶纳米纤维不仅具有独特的纳米尺度结构、大的长径比和比表面积、同时又保留了芳纶宏观纤维优异的力学性能和耐温性能，为其带来常规化学纤维无法实现的机械性能、电性能，而且还可以分散于水相体系，解决了目前DMSO/KOH体系制备芳纶纳米纤维只能分散于KOH/DMSO体系中、无法均匀稳定地分散于水相体系中、不能长时间保存等问题，极大地拓展了其在造纸领域的应用。
最关键的是，本发明利用具有特殊纳米结构、纤维直径小、长径比大、表面活性高、耐热性能优异等优点的对位芳纶纳米纤维作为对位芳纶纸的自增强材料，一方面由于纳米级结构以及自相似相容性特性，使得芳纶纳米纤维在芳纶短切纤维、浆粕纤维等组分间形成氢键结合，起到了良好的界面填充与增强效果，减少了组分间的空隙；另一方面，由于芳纶纳米纤维具有很强的成膜性且成膜强度很高，因此，芳纶纳米纤维在与芳纶纸中的各组分在分散、成形过程中可以产生芳纶纳米膜，厚度仅为两百纳米左右，这种形成的芳纶纳米膜不仅可以为芳纶纸各组分间的结合提供更多的结合位点，而且可以填充包覆更大的孔洞，保证了组分间具有更高的结合强度，从而大幅提升其机械性能和绝缘性能。
本发明采用新工艺、新方法研发生产出综合性能优异的芳纶纸，创新性强，避免了目前解决芳纶纸增强时采用的引入第三种热塑性黏结纤维或者通过树脂浸渍而导致的芳纶纸综合性能下降等问题，可以在电气绝缘领域作为高端绝缘材料或者在航空航天领域作为结构减重材料，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明制备工艺流程图；
图2是本发明实施例6中对位芳纶纳米纤维形成的芳纶纳米填充结构SEM图；
图3是本发明实施例6中对位芳纶纳米纤维形成的芳纶纳米膜包覆结构SEM图。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，以重量份数计，所述的芳纶纸构成组分包括：对位芳纶纤维：90～99份、芳纶纳米纤维：1～10份，所述的芳纶纤维为芳纶纤维X和芳纶纤维Y的混合体系，其中，芳纶纤维X和芳纶纤维Y的重量比为(3～4)﹕(6～7)，所述的芳纶纤维X为对位芳纶短切纤维；所述的芳纶纤维Y为对位芳纶沉析纤维、对位芳纶浆粕纤维中的一种或两种；
其中，芳纶纳米纤维由以下制备步骤制得：
步骤(1)：将1g对位芳纶纤维A、1.5g氢氧化钾(KOH)和500ml二甲基亚砜(DMSO)置于容器中，在密封条件下，在30～50℃温度下搅拌5～8天，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；所述的对位芳纶纤维A是对位芳纶纱线、对位芳纶短切纤维、对位芳纶浆粕纤维和对位芳纶沉析纤维中的一种；
步骤(2)：将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在600～3000rpm搅拌作用下，利用不锈钢高压射流泵向其高压注射去离子水，射流压力为5～15MPa，射流速度为0.2～2.0ml/s，所述去离子水与对位芳纶纤维A的质量比为1:1～5:1，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；
步骤(3)：将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过200～500目尼龙滤膜真空抽滤，得到芳纶纳米纤维前驱体；
步骤(4)：将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维前驱体通过无水乙醇和去离子水反复洗涤，得到胶体状芳纶纳米纤维；所述洗涤用无水乙醇的体积与芳纶纤维质量的比为1ml:5mg～1ml:2mg，洗涤次数为3～5次；所述洗涤用去离子水与芳纶纤维的质量比为10:1～5:1；
步骤(5)：将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维转数为500～2500rpm的搅拌作用下搅拌30～180min，分散于去离子水中，分散浓度为0.5～5mg/ml，得到均一透明的水分散的芳纶纳米纤维。
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将芳纶纤维X，即对位芳纶短切纤维经过标准纤维疏解机疏解分散10000～30000r，制得浆料悬浮液A，所述疏解时还需添加分子量为300～500万的聚氧化乙烯作为分散剂，用量为芳纶纤维X绝干质量的0.1～0.5％；
步骤二：将芳纶纤维Y，即将对位芳纶沉析纤维和对位芳纶浆粕纤维中的一种或两种纤维经过原纤化处理并添加到步骤一中得到的浆料悬浮液A，利用标准纤维疏解机疏解分散10000～20000r制得浆料悬浮液B，所述原纤化处理程度是检测打浆度达到45～60°SR，所述浆料悬浮液B中芳纶纤维X与芳纶纤维Y质量比为(3～4)：(6～7)；
步骤三：将通过上述方法制备得到的水分散对位芳纶纳米纤维添加到步骤二中制得的浆料悬浮液B中，再利用标准纤维疏解机疏解分散5000～10000r，制得浆料悬浮液C，所述的对位芳纶纳米纤维在疏解分散的同时还需添加阳离子聚丙烯酰胺作为助留剂，用量为芳纶纳米纤维质量的0.01～0.05％，所述浆料悬浮液B和芳纶纳米纤维的绝干质量比为(90～99)：(1～10)；
步骤四：将步骤三中得到的浆料悬浮液C在斜网纸机上抄造成形，压榨、干燥并进一步在热压机上进行热压得到一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，以重量份数计，所述的芳纶纸构成组分包括：对位芳纶纤维：99份、芳纶纳米纤维：1份，所述的芳纶纤维为芳纶纤维X和芳纶纤维Y的混合体系，其中，芳纶纤维X和芳纶纤维Y的重量比为3﹕7，所述的芳纶纤维X为对位芳纶短切纤维；所述的芳纶纤维Y为对位芳纶沉析纤维；
其中，芳纶纳米纤维由以下制备步骤制得：
步骤(1)：将1.0g对位芳纶纱线纤维、1.5g氢氧化钾(KOH)和500ml二甲基亚砜(DMSO)置于容器中，在密封条件下，在30℃温度下搅拌8天，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；
步骤(2)：将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在转速为600rpm搅拌作用下，向其高压注射去离子水，去离子水与芳纶纤维的质量比为1:1，射流压力为5MPa，射流速度为0.2ml/s，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；
步骤(3)：将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过200目的尼龙滤膜真空抽滤，得到芳纶纳米纤维前驱体；
步骤(4)：将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维前驱体通过无水乙醇和去离子水分别反复洗涤3次，每次洗涤所需无水乙醇的体积与芳纶纤维质量的比为1ml:5mg，所需去离子水与芳纶纤维的质量比为10:1，得到胶体状芳纶纳米纤维；
步骤(5)：将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维在500rpm的搅拌作用下，搅拌150min分散于去离子水中，分散浓度控制在0.5mg/ml，得到均一透明的水分散的芳纶纳米纤维。
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将芳纶纤维X，即对位芳纶短切纤维经过标准纤维疏解机疏解分散10000r，制得浆料悬浮液A，所述疏解时还需添加分子量为300万的聚氧化乙烯作为分散剂，用量为芳纶纤维X绝干质量的0.1％；
步骤二：将芳纶纤维Y，即将对位芳纶沉析纤维经过原纤化处理并添加到步骤一中得到的浆料悬浮液A，利用标准纤维疏解机疏解分散10000r制得浆料悬浮液B，所述原纤化处理程度是检测打浆度达到45°SR，所述浆料悬浮液B中芳纶纤维X与芳纶纤维Y质量比为3﹕7；
步骤三：将通过上述方法制备得到的水分散对位芳纶纳米纤维添加到步骤二中制得的浆料悬浮液B中，再利用标准纤维疏解机疏解分散5000r，制得浆料悬浮液C，所述的对位芳纶纳米纤维在疏解分散时还需添加阳离子聚丙烯酰胺作为助留剂，用量为芳纶纳米纤维质量的0.01％，所述浆料悬浮液B和芳纶纳米纤维的绝干质量比为99：1；
步骤四：将步骤三中得到的浆料悬浮液C在斜网纸机上抄造成形，压榨、干燥并进一步在热压机上进行热压得到一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸。
实施例2
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，以重量份数计，所述的芳纶纸构成组分包括：对位芳纶纤维：97份、芳纶纳米纤维：3份，所述的芳纶纤维为芳纶纤维X和芳纶纤维Y的混合体系，其中，芳纶纤维X和芳纶纤维Y的重量比为3.5﹕6.5，所述的芳纶纤维X为对位芳纶短切纤维；所述的芳纶纤维Y为对位芳纶浆粕纤维；
其中，芳纶纳米纤维由以下制备步骤制得：
步骤(1)：将1.0g对位芳纶短切纤维、1.5g氢氧化钾(KOH)和500ml二甲基亚砜(DMSO)置于容器中，在密封条件下，在40℃温度下搅拌7天，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；
步骤(2)：将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在转速为1000rpm搅拌作用下，向其高压注射去离子水，去离子水与芳纶纤维的质量比为1.5:1，射流压力为7.5MPa，射流速度为0.3ml/s，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；
步骤(3)：将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过250目的尼龙滤膜真空抽滤，得到芳纶纳米纤维前驱体；
步骤(4)：将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维前驱体通过无水乙醇和去离子水分别反复洗涤4次，每次洗涤所需无水乙醇的体积与芳纶纤维质量的比为1ml:4mg，所需去离子水与芳纶纤维的质量比为9:1，得到胶体状芳纶纳米纤维；
步骤(5)：将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维在800rpm的搅拌作用下，搅拌120min分散于去离子水中，分散浓度控制在1.0mg/ml，得到均一透明的水分散的芳纶纳米纤维。
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将芳纶纤维X，即对位芳纶短切纤维经过标准纤维疏解机疏解分散15000r，制得浆料悬浮液A，所述疏解时还需添加分子量为350万的聚氧化乙烯作为分散剂，用量为芳纶纤维X绝干质量的0.15％；
步骤二：将芳纶纤维Y，即将对位芳纶浆粕纤维经过原纤化处理并添加到步骤一中得到的浆料悬浮液A，利用标准纤维疏解机疏解分散13000r制得浆料悬浮液B，所述原纤化处理程度是检测打浆度达到48°SR，所述浆料悬浮液B中芳纶纤维X与芳纶纤维Y质量比为3.5：6.5；
步骤三：将通过上述方法制备得到的水分散对位芳纶纳米纤维添加到步骤二中制得的浆料悬浮液B中，再利用标准纤维疏解机疏解分散6000r，制得浆料悬浮液C，所述的对位芳纶纳米纤维在疏解分散时还需添加阳离子聚丙烯酰胺作为助留剂，用量为芳纶纳米纤维质量的0.02％，所述浆料悬浮液B和芳纶纳米纤维的绝干质量比为97：3；
步骤四：将步骤三中得到的浆料悬浮液C在斜网纸机上抄造成形，压榨、干燥并进一步在热压机上进行热压得到一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸。
实施例3
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，以重量份数计，所述的芳纶纸构成组分包括：对位芳纶纤维：95份、芳纶纳米纤维：5份，所述的芳纶纤维为芳纶纤维X和芳纶纤维Y的混合体系，其中，芳纶纤维X和芳纶纤维Y的重量比为4﹕6，所述的芳纶纤维X为对位芳纶短切纤维；所述的芳纶纤维Y为对位芳纶沉析纤维和对位芳纶浆粕纤维；
其中，芳纶纳米纤维由以下制备步骤制得：
步骤(1)：将1.0g对位芳纶浆粕纤维、1.5g氢氧化钾(KOH)和500ml二甲基亚砜(DMSO)置于容器中，在密封条件下，在50℃温度下搅拌5天，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；
步骤(2)：将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在转速为1500rpm搅拌作用下，向其高压注射去离子水，去离子水与芳纶纤维的质量比为2:1，射流压力为7MPa，射流速度为0.8ml/s，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；
步骤(3)：将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过300目的尼龙滤膜真空抽滤，得到芳纶纳米纤维前驱体；
步骤(4)：将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维前驱体通过无水乙醇和去离子水分别反复洗涤3次，每次洗涤所需无水乙醇的体积与芳纶纤维质量的比为1ml:3.5mg，所需去离子水与芳纶纤维的质量比为8:1，得到胶体状芳纶纳米纤维；
步骤(5)：将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维在1000rpm的搅拌作用下，搅拌90min分散于去离子水中，分散浓度控制在1.5mg/ml，得到均一透明的水分散的芳纶纳米纤维。
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将芳纶纤维X，即对位芳纶短切纤维经过标准纤维疏解机疏解分散18000r，制得浆料悬浮液A，所述疏解时还需添加分子量为400万的聚氧化乙烯作为分散剂，用量为芳纶纤维X绝干质量的0.2％；
步骤二：将芳纶纤维Y，即将对位芳纶沉析纤维和对位芳纶浆粕纤维经过原纤化处理并添加到步骤一中得到的浆料悬浮液A，利用标准纤维疏解机疏解分散15000r制得浆料悬浮液B，所述原纤化处理程度是检测打浆度达到50°SR，所述浆料悬浮液B中芳纶纤维X与芳纶纤维Y质量比为4：6；
步骤三：将通过上述方法制备得到的水分散对位芳纶纳米纤维添加到步骤二中制得的浆料悬浮液B中，再利用标准纤维疏解机疏解分散7000r，制得浆料悬浮液C，所述的对位芳纶纳米纤维在疏解分散时还需添加阳离子聚丙烯酰胺作为助留剂，用量为芳纶纳米纤维质量的0.03％，所述浆料悬浮液B和芳纶纳米纤维的绝干质量比为95：5；
步骤四：将步骤三中得到的浆料悬浮液C在斜网纸机上抄造成形，压榨、干燥并进一步在热压机上进行热压得到一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸。
实施例4
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，以重量份数计，所述的芳纶纸构成组分包括：对位芳纶纤维：94份、芳纶纳米纤维：6份，所述的芳纶纤维为芳纶纤维X和芳纶纤维Y的混合体系，其中，芳纶纤维X和芳纶纤维Y的重量比为3﹕7，所述的芳纶纤维X为对位芳纶短切纤维；所述的芳纶纤维Y为对位芳纶沉析纤维；
其中，芳纶纳米纤维由以下制备步骤制得：
步骤(1)：将1.0g对位芳纶沉析纤维、1.5g氢氧化钾(KOH)和500ml二甲基亚砜(DMSO)置于容器中，在密封条件下，在45℃温度下搅拌6天，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；
步骤(2)：将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在转速为2000rpm搅拌作用下，向其高压注射去离子水，去离子水与芳纶纤维的质量比为2.5:1，射流压力为8MPa，射流速度为1.0ml/s，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；
步骤(3)：将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过400目的尼龙滤膜真空抽滤，得到芳纶纳米纤维前驱体；
步骤(4)：将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维前驱体通过无水乙醇和去离子水分别反复洗涤5次，每次洗涤所需无水乙醇的体积与芳纶纤维质量的比为1ml:4mg，所需去离子水与芳纶纤维的质量比为7:1，得到胶体状芳纶纳米纤维；
步骤(5)：将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维在1300rpm的搅拌作用下，搅拌70min分散于去离子水中，分散浓度控制在2.0mg/ml，得到均一透明的水分散的芳纶纳米纤维。
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将芳纶纤维X，即对位芳纶短切纤维经过标准纤维疏解机疏解分散20000r，制得浆料悬浮液A，所述疏解时还需添加分子量为500万的聚氧化乙烯作为分散剂，用量为芳纶纤维X绝干质量的0.3％；
步骤二：将芳纶纤维Y，即将对位芳纶沉析纤维经过原纤化处理并添加到步骤一中得到的浆料悬浮液A，利用标准纤维疏解机疏解分散16000r制得浆料悬浮液B，所述原纤化处理程度是检测打浆度达到52°SR，所述浆料悬浮液B中芳纶纤维X与芳纶纤维Y质量比为3：7；
步骤三：将通过上述方法制备得到的水分散对位芳纶纳米纤维添加到步骤二中制得的浆料悬浮液B中，再利用标准纤维疏解机疏解分散8000r，制得浆料悬浮液C，所述的对位芳纶纳米纤维在疏解分散时还需添加阳离子聚丙烯酰胺作为助留剂，用量为芳纶纳米纤维质量的0.035％，所述浆料悬浮液B和芳纶纳米纤维的绝干质量比为94：6；
步骤四：将步骤三中得到的浆料悬浮液C在斜网纸机上抄造成形，压榨、干燥并进一步在热压机上进行热压得到一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸。
实施例5
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，以重量份数计，所述的芳纶纸构成组分包括：对位芳纶纤维：92份、芳纶纳米纤维：8份，所述的芳纶纤维为芳纶纤维X和芳纶纤维Y的混合体系，其中，芳纶纤维X和芳纶纤维Y的重量比为3.5﹕6.5，所述的芳纶纤维X为对位芳纶短切纤维；所述的芳纶纤维Y为对位芳纶浆粕纤维；
其中，芳纶纳米纤维由以下制备步骤制得：
步骤(1)：将1.0g对位芳纶纱线纤维、1.5g氢氧化钾(KOH)和500ml二甲基亚砜(DMSO)置于容器中，在密封条件下，在40℃温度下搅拌7天，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；
步骤(2)：将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在转速为2200rpm搅拌作用下，向其高压注射去离子水，去离子水与芳纶纤维的质量比为3:1，射流压力为10MPa，射流速度为1.2ml/s，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；
步骤(3)：将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过400目的尼龙滤膜真空抽滤，得到芳纶纳米纤维前驱体；
步骤(4)：将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维前驱体通过无水乙醇和去离子水分别反复洗涤4次，每次洗涤所需无水乙醇的体积与芳纶纤维质量的比为1ml:3.5mg，所需去离子水与芳纶纤维的质量比为6:1，得到胶体状芳纶纳米纤维；
步骤(5)：将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维在1800rpm的搅拌作用下，搅拌50min分散于去离子水中，分散浓度控制在2.5mg/ml，得到均一透明的水分散的芳纶纳米纤维。
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将芳纶纤维X，即对位芳纶短切纤维经过标准纤维疏解机疏解分散23000r，制得浆料悬浮液A，所述疏解时还需添加分子量为300万的聚氧化乙烯作为分散剂，用量为芳纶纤维X绝干质量的0.35％；
步骤二：将芳纶纤维Y，即将对位芳纶浆粕纤维经过原纤化处理并添加到步骤一中得到的浆料悬浮液A，利用标准纤维疏解机疏解分散17000r制得浆料悬浮液B，所述原纤化处理程度是检测打浆度达到55°SR，所述浆料悬浮液B中芳纶纤维X与芳纶纤维Y质量比为3.5：6.5；
步骤三：将通过上述方法制备得到的水分散对位芳纶纳米纤维添加到步骤二中制得的浆料悬浮液B中，再利用标准纤维疏解机疏解分散9000r，制得浆料悬浮液C，所述的对位芳纶纳米纤维在疏解分散时还需添加阳离子聚丙烯酰胺作为助留剂，用量为芳纶纳米纤维质量的0.04％，所述浆料悬浮液B和芳纶纳米纤维的绝干质量比为92：8；
步骤四：将步骤三中得到的浆料悬浮液C在斜网纸机上抄造成形，压榨、干燥并进一步在热压机上进行热压得到一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸。
实施例6
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，以重量份数计，所述的芳纶纸构成组分包括：对位芳纶纤维：91份、芳纶纳米纤维：9份，所述的芳纶纤维为芳纶纤维X和芳纶纤维Y的混合体系，其中，芳纶纤维X和芳纶纤维Y的重量比为4﹕6，所述的芳纶纤维X为对位芳纶短切纤维；所述的芳纶纤维Y为对位芳纶沉析纤维和对位芳纶浆粕纤维；
其中，芳纶纳米纤维由以下制备步骤制得：
步骤(1)：将1.0g对位芳纶浆粕纤维、1.5g氢氧化钾(KOH)和500ml二甲基亚砜(DMSO)置于容器中，在密封条件下，在40℃温度下搅拌7天，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；
步骤(2)：将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在转速为2800rpm搅拌作用下，向其高压注射去离子水，去离子水与芳纶纤维的质量比为4:1，射流压力为13MPa，射流速度为1.7ml/s，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；
步骤(3)：将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过500目的尼龙滤膜真空抽滤，得到芳纶纳米纤维前驱体；
步骤(4)：将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维前驱体通过无水乙醇和去离子水分别反复洗涤4次，每次洗涤所需无水乙醇的体积与芳纶纤维质量的比为1ml:2mg，所需去离子水与芳纶纤维的质量比为6:1，得到胶体状芳纶纳米纤维；
步骤(5)：将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维在2300rpm的搅拌作用下，搅拌40min分散于去离子水中，分散浓度控制在4.0mg/ml，得到均一透明的水分散的芳纶纳米纤维。
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将芳纶纤维X，即对位芳纶短切纤维经过标准纤维疏解机疏解分散25000r，制得浆料悬浮液A，所述疏解时还需添加分子量为400万的聚氧化乙烯作为分散剂，用量为芳纶纤维X绝干质量的0.4％；
步骤二：将芳纶纤维Y，即将对位芳纶沉析纤维和对位芳纶浆粕纤维经过原纤化处理并添加到步骤一中得到的浆料悬浮液A，利用标准纤维疏解机疏解分散18000r制得浆料悬浮液B，所述原纤化处理程度是检测打浆度达到58°SR，所述浆料悬浮液B中芳纶纤维X与芳纶纤维Y质量比为4：6；
步骤三：将通过上述方法制备得到的水分散对位芳纶纳米纤维添加到步骤二中制得的浆料悬浮液B中，再利用标准纤维疏解机疏解分散10000r，制得浆料悬浮液C，所述的对位芳纶纳米纤维在疏解分散时还需添加阳离子聚丙烯酰胺作为助留剂，用量为芳纶纳米纤维质量的0.045％，所述浆料悬浮液B和芳纶纳米纤维的绝干质量比为91：9；
步骤四：将步骤三中得到的浆料悬浮液C在斜网纸机上抄造成形，压榨、干燥并进一步在热压机上进行热压得到一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸。
实施例7
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，以重量份数计，所述的芳纶纸构成组分包括：对位芳纶纤维：90份、芳纶纳米纤维：10份，所述的芳纶纤维为芳纶纤维X和芳纶纤维Y的混合体系，其中，芳纶纤维X和芳纶纤维Y的重量比为3﹕7，所述的芳纶纤维X为对位芳纶短切纤维；所述的芳纶纤维Y为对位芳纶沉析纤维；
其中，芳纶纳米纤维由以下制备步骤制得：
步骤(1)：将1.0g对位芳纶沉析纤维、1.5g氢氧化钾(KOH)和500ml二甲基亚砜(DMSO)置于容器中，在密封条件下，在50℃温度下搅拌7天，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；
步骤(2)：将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在转速为3000rpm搅拌作用下，向其高压注射去离子水，去离子水与芳纶纤维的质量比为5:1，射流压力为15MPa，射流速度为2ml/s，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；
步骤(3)：将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过500目的尼龙滤膜真空抽滤，得到芳纶纳米纤维前驱体；
步骤(4)：将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维前驱体通过无水乙醇和去离子水分别反复洗涤5次，每次洗涤所需无水乙醇的体积与芳纶纤维质量的比为1ml:2mg，所需去离子水与芳纶纤维的质量比为5:1，得到胶体状芳纶纳米纤维；
步骤(5)：将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维在2500rpm的搅拌作用下，搅拌30min分散于去离子水中，分散浓度控制在5.0mg/ml，得到均一透明的水分散的芳纶纳米纤维。
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将芳纶纤维X，即对位芳纶短切纤维经过标准纤维疏解机疏解分散30000r，制得浆料悬浮液A，所述疏解时还需添加分子量为500万的聚氧化乙烯作为分散剂，用量为芳纶纤维X绝干质量的0.5％；
步骤二：将芳纶纤维Y，即将对位芳纶沉析纤维经过原纤化处理并添加到步骤一中得到的浆料悬浮液A，利用标准纤维疏解机疏解分散20000r制得浆料悬浮液B，所述原纤化处理程度是检测打浆度达到60°SR，所述浆料悬浮液B中芳纶纤维X与芳纶纤维Y质量比为3：7；
步骤三：将通过上述方法制备得到的水分散对位芳纶纳米纤维添加到步骤二中制得的浆料悬浮液B中，再利用标准纤维疏解机疏解分散10000r，制得浆料悬浮液C，所述的对位芳纶纳米纤维在疏解分散时还需添加阳离子聚丙烯酰胺作为助留剂，用量为芳纶纳米纤维质量的0.05％，所述浆料悬浮液B和芳纶纳米纤维的绝干质量比为90：10；
步骤四：将步骤三中得到的浆料悬浮液C在斜网纸机上抄造成形，压榨、干燥并进一步在热压机上进行热压得到一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸。
以实施例6为例，对本发明制得的芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸进行检测，其拉伸强度达到53.6MPa，撕裂指数达到32.8mN·m2/g，耐压强度达到22.5kV/mm，TG10％为538℃，超过国内外同类产品质量指标。本发明利用具有特殊纳米结构、纤维直径小、长径比大、表面活性高、耐热性能优异等优点的对位芳纶纳米纤维作为对位芳纶纸的自增强材料，起到了良好的界面填充、包覆与增强效果，为各组分间的结合提供更多的结合位点，同时减少了组分间的孔隙与空洞，显著改善了芳纶纸组分间的结合强度，大幅提升其机械性能和绝缘性能，有利于其向更高端应用领域拓展。

Claims (9)

1.一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，其特征在于，以重量份数计，所述的对位芳纶纸制备原料包括：对位芳纶纤维：90～99份，芳纶纳米纤维：1～10份；所述的对位芳纶纤维为对位芳纶纤维X和对位芳纶纤维Y的混合体系，其中，对位芳纶纤维X和对位芳纶纤维Y的重量比为(3～4)﹕(6～7)，所述的对位芳纶纤维X为对位芳纶短切纤维；所述的对位芳纶纤维Y为对位芳纶沉析纤维和对位芳纶浆粕纤维中的一种或两种；
所述芳纶纳米纤维由以下方法制备：
步骤(1)：将对位芳纶纤维A、氢氧化钾和二甲基亚砜置于容器中，在密封条件下搅拌，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；
步骤(2)：将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在搅拌作用下，向其高压注射去离子水，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；
步骤(3)：将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过200～500目尼龙滤膜真空抽滤，得到芳纶纳米纤维前驱体；
步骤(4)：将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维前驱体通过无水乙醇和去离子水反复洗涤，分散浓度为0.5～5mg/mL，得到胶体状芳纶纳米纤维；
步骤(5)：将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维在搅拌作用下分散于去离子水中，得到水分散的芳纶纳米纤维。
2.根据权利要求1所述的一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，其特征在于，步骤(1)中对位芳纶纤维A、氢氧化钾和二甲基亚砜比例为1g：1.5g：500ml，所述的对位芳纶纤维A是对位芳纶纱线纤维、对位芳纶短切纤维、对位芳纶浆粕纤维和对位芳纶沉析纤维中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，其特征在于，步骤(2)中所述的高压注射是利用不锈钢高压射流泵，射流压力为5～15MPa，射流速度为0.2～2.0mL/s；射流去离子水与对位芳纶纤维A的质量比为1:1～5:1。
4.根据权利要求1所述的一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，其特征在于，步骤(4)中洗涤用无水乙醇的体积与芳纶纳米纤维前驱体质量的比为1mL:5mg～1mL:2mg；所述洗涤用去离子水与芳纶纳米纤维前驱体的质量比为10:1～5:1。
5.根据权利要求1所述的一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，其特征在于，步骤(1)中搅拌是指在密封条件下，在30～50℃温度下搅拌5～8天；步骤(2)中搅拌转速为600～3000rpm；步骤(5)中搅拌转数为500～2500rpm，搅拌时间30～180min。
6.一种权利要求1-5任一项所述的对位芳纶纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将对位芳纶纤维X疏解分散，制得浆料悬浮液A；
步骤二：将对位芳纶纤维Y经过原纤化处理并添加到步骤一中得到的浆料悬浮液A，疏解分散制得浆料悬浮液B，原纤化处理程度具体为打浆度达到45～60°SR；
步骤三：将芳纶纳米纤维添加到步骤二中制得的浆料悬浮液B中，再疏解分散，制得浆料悬浮液C；
步骤四：将步骤三中得到的浆料悬浮液C抄造成形，压榨、干燥并进行热压得到芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸。
7.根据权利要求6所述的对位芳纶纸的制备方法，其特征在于，步骤一中进行疏解时添加分子量为300～500万的聚氧化乙烯作为分散剂，用量为对位芳纶纤维X绝干质量的0.1～0.5％。
8.根据权利要求6所述的对位芳纶纸的制备方法，其特征在于，步骤三中疏解时添加阳离子聚丙烯酰胺作为助留剂，用量为芳纶纳米纤维质量的0.01～0.05％。
9.根据权利要求6所述的对位芳纶纸的制备方法，其特征在于，步骤一中疏解转数为10000～30000r，步骤二中疏解转数为10000～20000r，步骤三中疏解转数为5000～10000r。
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