CN112553959B - 一种芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种芳纶纤维‑植物纳米纤维复合芳纶纸及其制备方法与应用，属于特种纤维和特种纸生产领域。该制备方法包括芳纶纤维改性处理、芳纶纤维混合、添加植物纤维素纳米微晶、复合抄造处理。本发明采用化学与物理相结合的方法改性芳纶纤维，确保改性后对位芳纶短切纤维、对位芳纶沉析纤维能与植物纤维素纳米微晶有效结合，改善三种纤维之间界面结合力，使芳纶纤维与植物纳米纤维能紧密连接，提高复合芳纶纸的机械强度。将价格便宜的植物纤维素纳米微晶替代部分价格昂贵的芳纶纤维抄造生产复合芳纶纸，不仅能显著提高芳纶纸的机械性能，还能显著降低生产成本，具有巨大的市场潜力。
Description
技术领域
本发明属于特种纤维和特种纸生产领域，具体涉及一种芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸及其制备方法与应用。
背景技术
芳纶纤维因其优异的机械强度、低密度、耐高温、耐腐蚀、电绝缘等突出性能，广泛应用于航天、交通、电力、消防、装饰、环境保护等军用和民用领域。芳纶纤维主要产品有两种：(1)分子链排列呈锯齿状的间位芳纶纤维(芳纶1313)；(2)分子链排列呈直线状的对位芳纶纤维(芳纶1414)。芳纶纤维同碳纤维、聚酰亚胺纤维并称为世界三大高分子材料，已成为关键战略性材料。然而芳纶纤维表面光滑且缺少活性官能团，因此表面浸润性较差且与其它纤维结合能力较弱。为了加强芳纶纤维的应用，提升芳纶纤维的性能，有必要对芳纶纤维进行化学或物理改性，改善芳纶纤维的表面能，提升芳纶纤维与其它材料的界面结合状况。
植物纤维素是地球上的植物通过光合作用产生的一种多糖，由β-1，4糖苷键链接而成的线性高分子，具有储量丰富、可再生、易获得、低毒性、可生物可降解等诸多优点。而植物纳米纤维素通常是由植物纤维通过物理、化学、生物及其结合的方式制造得到的一种纳米材料，因其具有丰富的表面官能团、高比表面积、刚性等特征已引起各行各业的广泛关注，并已经应用在医疗、食品、造纸、石油、精细化工、电子器件基材等领域。目前我国正在大力发展植物纳米纤维素工业化制备及其应用研究。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种由上述制备方法制备得到的芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸。
本发明的再一目的在于提供一种上述芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸在高强度线路板基材中的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)芳纶纤维改性处理：将对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维分别在三氯甲烷有机溶剂中浸泡，然后用三氯甲烷配置成一定浓度分别进行球磨处理；将洗净后的对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维分别进行疏解分散处理，并分别在两种芳纶纤维中加入聚氧化乙烯分散剂，分别得到改性对位芳纶短切纤维分散液和改性对位芳纶沉析纤维分散液，保存待用；
(2)芳纶纤维混合：将步骤(1)中得到的改性对位芳纶短切纤维分散液和改性对位芳纶沉析纤维分散液均匀混合，得到混合芳纶纤维浆料；
(3)添加植物纤维素纳米微晶：在高速搅拌的条件下向步骤(2)中的混合芳纶纤维浆料溶液中加入植物纤维素纳米微晶，混匀，制得芳纶纤维-植物纳米纤维复配浆料；
(4)复合抄造处理：将步骤(3)得到的芳纶纤维-植物纳米纤维复配浆料斜网超低浓抄造成型，再经过高温热压处理得到芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸。
步骤(1)中所述的浸泡时间为6～12min；球磨时，对位芳纶短切纤维在三氯甲烷中浓度为1.5～3.0％(w/w)，对位芳纶沉析纤维在三氯甲烷中浓度为0.5～1.5％(w/w)。
步骤(1)中，球磨过程中的对位芳纶短切纤维转速为200～400rpm，球磨时间为0.5h～1.0h；对位芳纶沉析纤维转速为400～600rpm，球磨时间为1.0h～2.0h。
步骤(1)中，疏解分散处理中，对位芳纶短切纤维的打浆浓度为2.0～3.0％，打浆度为30～45°；对位芳纶沉析纤维的打浆浓度为1.0～2.0％，打浆度为40～60°。
步骤(1)中，疏解分散处理后在聚氧化乙烯分散剂中的对位芳纶短切纤维的质量浓度为2.4～3.8％，对位芳纶沉析纤维的质量浓度为0.5～2.0％。
步骤(2)中，所述的改性对位芳纶短切纤维与改性对位芳纶沉析纤维的绝干质量比为1：1.4～1：2。
步骤(3)中，所述的植物纤维素纳米微晶是通过离子液体协同高速机械分散制备，直径为5～30nm，长度为100～318nm，且植物纤维素纳米微晶加入量为混合芳纶纤维浆料绝干质量的0.5～12.0％。
步骤(4)中，所述的斜网超低浓成型中浆料的质量浓度为0.08～0.14％；高温热压条件为：温度为255～275℃；压力为18～20MPa；时间为20～40min。
一种芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸，由上述制备方法制备得到。
所述的芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸的性能指标：样品厚度：0.317～0.346mm；抗张强度：横向20.6～25.3kN/m；纵向24.3～27.4kN/m；撕裂强度：横向11.2～15.4N；纵向9.8～14.2N；电气强度：14.65～15.11kV/mm；介电常数(50Hz)：2.87～3.38；介电损耗因子(50Hz)：0.014～0.018。
上述芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸在高强度线路板基材中的应用。
本发明的芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸是由改性芳纶纤维与植物纤维素纳米微晶进行合理复配抄造生产。改性芳纶纤维表面结合力和分散性提高，能充分发挥短切纤维增强和沉析纤维粘结效果；植物纤维素纳米微晶作为填充剂，均匀分布在芳纶纤维中，能与芳纶纤维之间搭桥连接，提高复合芳纶纸的机械强度。三种纤维浆料通过合适的比例进行复配，并采用超低浓度斜网纸机湿法成型技术抄造，经高温热压处理得到高强度线路板基材用复合芳纶纸。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明采用化学与物理相结合的方法改性芳纶纤维，确保改性后芳纶纤维能与植物纤维素纳米微晶有效结合。其中，三氯甲烷浸渍能改善芳纶纤维表面弱结合力，提高表面能；球磨处理能使芳纶纤维表面起毛，促进纤维细化，由光滑变为粗糙，从而改善芳纶纤维的表面特性；通过三氯甲烷浸渍与球磨处理相结合的方法改性芳纶纤维，有效提高纤维间结合力。
(2)本发明制备的芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸是由三种特种纤维合理复配抄造，充分发挥不同类别纤维的优势。对位芳纶短切纤维作为骨架材料，赋予纸张物理性能；对位芳纶沉析纤维作为粘结剂，能提高成纸的耐温性能和电气绝缘性能；植物纤维素纳米微晶具有纳米尺度、高长径比、大比表面积、刚性，能够很好地填充在短切纤维与沉析纤维之间，改善三种纤维之间界面结合力，使芳纶纤维与植物纳米纤维能紧密连接，提高复合芳纶纸的机械强度。
(3)植物纤维原料来源广、绿色环保、无毒可再生的特点，且植物纤维素纳米微晶具有高表面活性、高比表面积、优越的机械性能。将价格便宜的植物纤维素纳米微晶替代部分价格昂贵的芳纶纤维抄造生产复合芳纶纸，不仅能显著提高芳纶纸的机械性能，还能显著降低生产成本，具有巨大的市场潜力。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明中：各种参数的检测依据国家标准检测方法以及行业标准进行，具体的：厚度(GB/T 20628.2-2006)﹑抗张强度(GB/T 451.2-2002)﹑撕裂强度(GB/T 455-2002)﹑电气强度(GB/T 5019.2-2009)、介电常数和介电损耗因子(GB/T 1409-2006)等性能测试。
本发明实施例中使用的对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维购于某特种纤维制造有限公司。
实施例1
本实施例的一种芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)芳纶纤维改性处理：将对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维分别在三氯甲烷有机溶剂中浸泡6min。用球磨机进行球磨过程中，控制对位芳纶短切纤维在三氯甲烷中浓度为1.5％(w/w)，对位芳纶短切纤维球磨转速为200rpm，球磨时间为0.5h；对位芳纶沉析纤维在三氯甲烷中浓度为0.5％(w/w)，对位芳纶沉析纤维球磨转速为400rpm，球磨时间为1.0h。球磨结束后，将洗净后的对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维分别放入槽式打浆机中进行疏解分散处理，其中：对位芳纶短切纤维的打浆浓度为2.0％，打浆度为30°；对位芳纶沉析纤维的打浆浓度为1.0％，打浆度为40°。最后分别在对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维中加入聚氧化乙烯分散剂，控制对位芳纶短切纤维的质量浓度为2.4％，对位芳纶沉析纤维的质量浓度为0.5％，分别得到改性对位芳纶短切纤维分散液和改性对位芳纶沉析纤维分散液，保存待用；
(2)芳纶纤维混合：将步骤(1)中得到的改性对位芳纶短切纤维和改性对位芳纶沉析纤维以绝干质量比为1：1.4均匀混合，得到混合芳纶纤维浆料；
(3)添加植物纤维素纳米微晶：在高速搅拌的条件下向步骤(2)中的混合芳纶纤维浆料溶液中加入直径为5～23nm，长度为134～287nm的植物纤维素纳米微晶，且加入量为混合芳纶纤维浆料绝干质量的0.5％，混匀，制得芳纶纤维-植物纳米纤维复配浆料；所述植物纤维素纳米微晶是通过离子液体协同高速机械分散制备；
(4)复合抄造处理：将步骤(3)得到的芳纶纤维-植物纳米纤维复配浆料以浆浓为0.08％在斜网纸机上抄造成型，再在温度为255℃，压力为18MPa条件下进行高温热压处理20min，制备得到芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸。
本实施例的芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸的性能检测数据：样品厚度：0.317mm；抗张强度：横向20.6kN/m；纵向24.3kN/m；撕裂强度：横向11.2N；纵向9.8N；电气强度：14.65kV/mm；介电常数(50Hz)：2.87；介电损耗因子(50Hz)：0.014。
对比例1：与实施例1的不同之处在于：不包括步骤(3)，其他与实施例1相同，得到芳纶纤维复合芳纶纸。
对比例1的芳纶纤维复合芳纶纸的性能检测数据：样品厚度：0.315mm；抗张强度：横向17.1kN/m；纵向20.6kN/m；撕裂强度：横向8.0N；纵向6.4N；电气强度：14.23kV/mm；介电常数(50Hz)：2.84；介电损耗因子(50Hz)：0.014。
实施例2
本实施例的一种芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)芳纶纤维改性处理：将对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维分别在三氯甲烷有机溶剂中浸泡8min。用球磨机进行球磨过程中，控制对位芳纶短切纤维在三氯甲烷中浓度为2.0％(w/w)，对位芳纶短切纤维球磨转速为300rpm，球磨时间为0.7h；对位芳纶沉析纤维在三氯甲烷中浓度为1.0％(w/w)，对位芳纶沉析纤维球磨转速为500rpm，球磨时间为1.4h。球磨结束后，将洗净后的对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维分别放入槽式打浆机中进行疏解分散处理，其中：对位芳纶短切纤维的打浆浓度为2.5％，打浆度为35°；对位芳纶沉析纤维的打浆浓度为1.5％，打浆度为45°。最后分别在对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维中加入聚氧化乙烯分散剂，控制对位芳纶短切纤维的质量浓度为3.0％，对位芳纶沉析纤维的质量浓度为1.0％，分别得到改性对位芳纶短切纤维分散液和改性对位芳纶沉析纤维分散液，保存待用；
(2)芳纶纤维混合：将步骤(1)中得到的改性对位芳纶短切纤维和改性对位芳纶沉析纤维以绝干质量比为1：1.6均匀混合，得到混合芳纶纤维浆料；
(3)添加植物纤维素纳米微晶：在高速搅拌的条件下向步骤(2)中的混合芳纶纤维浆料溶液中加入直径为7～25nm，长度为100～293nm的植物纤维素纳米微晶，且加入量为混合芳纶纤维浆料绝干质量的4.0％，混匀，制得芳纶纤维-植物纳米纤维复配浆料；所述植物纤维素纳米微晶是通过离子液体协同高速机械分散制备；
(4)复合抄造处理：将步骤(3)得到的芳纶纤维-植物纳米纤维复配浆料以浆浓为0.10％在斜网纸机上抄造成型，再在温度为265℃，压力为19MPa条件下进行高温热压处理25min，制备得到芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸。
本实施例的芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸的性能检测数据：样品厚度：0.325mm；抗张强度：横向23.5kN/m；纵向25.6kN/m；撕裂强度：横向12.4N；纵向10.5N；电气强度：14.82kV/mm；介电常数(50Hz)：3.04；介电损耗因子(50Hz)：0.015。
对比例2：与实施例2的不同之处在于：不包括步骤(3)，其他与实施例2相同，得到芳纶纤维复合芳纶纸。
对比例2的芳纶纤维复合芳纶纸的性能检测数据：样品厚度：0.326mm；抗张强度：横向17.6kN/m；纵向21.0kN/m；撕裂强度：横向8.3N；纵向6.7N；电气强度：14.35kV/mm；介电常数(50Hz):3.00；介电损耗因子(50Hz)：0.015。
实施例3
本实施例的一种芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)芳纶纤维改性处理：将对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维分别在三氯甲烷有机溶剂中浸泡10min。用球磨机进行球磨过程中，控制对位芳纶短切纤维在三氯甲烷中浓度为2.5％(w/w)，对位芳纶短切纤维球磨转速为400rpm，球磨时间为0.9h；对位芳纶沉析纤维在三氯甲烷中浓度为1.5％(w/w)，对位芳纶沉析纤维球磨转速为500rpm，球磨时间为1.7h。球磨结束后，将洗净后的对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维分别放入槽式打浆机中进行疏解分散处理，其中：对位芳纶短切纤维的打浆浓度为3.0％，打浆度为40°；对位芳纶沉析纤维的打浆浓度为1.8％，打浆度为55°。最后分别在对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维中加入聚氧化乙烯分散剂，控制对位芳纶短切纤维的质量浓度为3.4％，对位芳纶沉析纤维的质量浓度为1.5％，分别得到改性对位芳纶短切纤维分散液和改性对位芳纶沉析纤维分散液，保存待用；
(2)芳纶纤维混合：将步骤(1)中得到的改性对位芳纶短切纤维和改性对位芳纶沉析纤维以绝干质量比为1：1.8均匀混合，得到混合芳纶纤维浆料；
(3)添加植物纤维素纳米微晶：在高速搅拌的条件下向步骤(2)中的混合芳纶纤维浆料溶液中加入直径为11～28nm，长度为117～318nm的植物纤维素纳米微晶，且加入量为混合芳纶纤维浆料绝干质量的8.0％，混匀，制得芳纶纤维-植物纳米纤维复配浆料；所述植物纤维素纳米微晶是通过离子液体协同高速机械分散制备；
(4)复合抄造处理：将步骤(3)得到的芳纶纤维-植物纳米纤维复配浆料以浆浓为0.12％在斜网纸机上抄造成型，再在温度为270℃，压力为20MPa条件下进行高温热压处理35min，制备得到芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸。
本实施例的芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸的性能检测数据：样品厚度：0.337mm；抗张强度：横向24.4kN/m；纵向26.5kN/m；撕裂强度：横向14.6N；纵向12.8N；电气强度：14.96kV/mm；介电常数(50Hz)：3.21；介电损耗因子(50Hz)：0.017。
对比例3：与实施例3的不同之处在于：不包括步骤(3)，其他与实施例3相同，得到芳纶纤维复合芳纶纸。
对比例3的芳纶纤维复合芳纶纸的性能检测数据：样品厚度：0.334mm；抗张强度：横向17.8kN/m；纵向21.4kN/m；撕裂强度：横向9.1N；纵向7.3N；电气强度：14.65kV/mm；介电常数(50Hz)：3.16；介电损耗因子(50Hz)：0.016。
实施例4
本实施例的一种芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)芳纶纤维改性处理：将对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维分别在三氯甲烷有机溶剂中浸泡12min。用球磨机进行球磨过程中，控制对位芳纶短切纤维在三氯甲烷中浓度为3.0％(w/w)，对位芳纶短切纤维球磨转速为400rpm，球磨时间为1.0h；对位芳纶沉析纤维在三氯甲烷中浓度为1.5％(w/w)，对位芳纶沉析纤维球磨转速为600rpm，球磨时间为2.0h。球磨结束后，将洗净后的对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维分别放入槽式打浆机中进行疏解分散处理，其中：对位芳纶短切纤维的打浆浓度为3.0％，打浆度为45°；对位芳纶沉析纤维的打浆浓度为2.0％，打浆度为60°。最后分别在对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维中加入聚氧化乙烯分散剂，控制对位芳纶短切纤维的质量浓度为3.8％，对位芳纶沉析纤维的质量浓度为2.0％，分别得到改性对位芳纶短切纤维分散液和改性对位芳纶沉析纤维分散液，保存待用；
(2)芳纶纤维混合：将步骤(1)中得到的改性对位芳纶短切纤维和改性对位芳纶沉析纤维以绝干质量比为1：2均匀混合，得到混合芳纶纤维浆料；
(3)添加植物纤维素纳米微晶：在高速搅拌的条件下向步骤(2)中的混合芳纶纤维浆料溶液中加入直径为14～30nm，长度为142～303nm的植物纤维素纳米微晶，且加入量为混合芳纶纤维浆料绝干质量的12.0％，混匀，制得芳纶纤维-植物纳米纤维复配浆料；所述植物纤维素纳米微晶是通过离子液体协同高速机械分散制备；
(4)复合抄造处理：将步骤(3)得到的芳纶纤维-植物纳米纤维复配浆料以浆浓为0.14％在斜网纸机上抄造成型，再在温度为275℃，压力为20MPa条件下进行高温热压处理40min，制备得到芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸。
本实施例的芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸的性能检测数据：样品厚度：0.346mm；抗张强度：横向25.3kN/m；纵向27.4kN/m；撕裂强度：横向15.4N；纵向14.2N；电气强度：15.11kV/mm；介电常数(50Hz)：3.38；介电损耗因子(50Hz)：0.018。
对比例4：与实施例4的不同之处在于：不包括步骤(3)，其他与实施例4相同，得到芳纶纤维复合芳纶纸。
对比例4的芳纶纤维复合芳纶纸的性能检测数据：样品厚度：0.342mm；抗张强度：横向18.2kN/m；纵向21.7kN/m；撕裂强度：横向9.4N；纵向8.3N；电气强度：14.74kV/mm；介电常数(50Hz)：3.26；介电损耗因子(50Hz)：0.017。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)芳纶纤维改性处理：将对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维分别在三氯甲烷有机溶剂中浸泡，然后用三氯甲烷配置成一定浓度分别进行球磨处理；将洗净后的对位芳纶短切纤维和对位芳纶沉析纤维分别进行疏解分散处理，并分别在两种芳纶纤维中加入聚氧化乙烯分散剂，分别得到改性对位芳纶短切纤维分散液和改性对位芳纶沉析纤维分散液，保存待用；
步骤(1)中所述的浸泡时间为6～12min；球磨时，对位芳纶短切纤维在三氯甲烷中浓度为1.5～3.0％w/w，对位芳纶沉析纤维在三氯甲烷中浓度为0.5～1.5％w/w；
步骤(1)中，球磨过程中的对位芳纶短切纤维转速为200～400rpm，球磨时间为0.5h～1.0h；对位芳纶沉析纤维转速为400～600rpm，球磨时间为1.0h～2.0h；
步骤(1)中，疏解分散处理中，对位芳纶短切纤维的打浆浓度为2.0～3.0％，打浆度为30～45°SR ；对位芳纶沉析纤维的打浆浓度为1.0～2.0％，打浆度为40～60°SR ；
步骤(1)中，疏解分散处理后在聚氧化乙烯分散剂中的对位芳纶短切纤维的质量浓度为2.4～3.8％，对位芳纶沉析纤维的质量浓度为0.5～2.0％；
(2)芳纶纤维混合：将步骤(1)中得到的改性对位芳纶短切纤维分散液和改性对位芳纶沉析纤维分散液均匀混合，得到混合芳纶纤维浆料；所述的改性对位芳纶短切纤维与改性对位芳纶沉析纤维的绝干质量比为1：1.4～1：2；
(3)添加植物纤维素纳米微晶：在高速搅拌的条件下向步骤(2)中的混合芳纶纤维浆料溶液中加入植物纤维素纳米微晶，混匀，制得芳纶纤维-植物纳米纤维复配浆料；所述的植物纤维素纳米微晶是通过离子液体协同高速机械分散制备，直径为5～30nm，长度为100～318nm，植物纤维素纳米微晶加入量为混合芳纶纤维浆料绝干质量的0.5～12.0％；
(4)复合抄造处理：将步骤(3)得到的芳纶纤维-植物纳米纤维复配浆料斜网超低浓抄造成型，再经过高温热压处理得到芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸；所述的斜网超低浓成型中浆料的质量浓度为0.08～0.14％；高温热压条件为：温度为255～275℃；压力为18～20MPa；时间为20～40min。
2.一种芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸，其特征在于由权利要求1所述的制备方法制备得到。
3.权利要求2所述的芳纶纤维-植物纳米纤维复合芳纶纸在高强度线路板基材中的应用。
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