CN112726283B - 一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料及其制备方法，具体包括以下步骤：将PBO短切纤维做预处理；把预处理后的PBO纤维与间位芳纶短切纤维共同分散，并与分散好的间位芳纶沉析纤维混合抄造；采用湿法成型，经压榨、干燥、得到PBO纤维纸原纸，再经高温压光整饰得到耐高温蜂窝材料用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料。本发明所提供的聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料制备方法，利用PBO纤维超高强度、超高模量以及优异的耐高温、阻燃性能，采用混杂纤维复合抄造工艺制备出耐温性能、阻燃性能、机械强度优异的纸基材料，满足航空航天用蜂窝材料对聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料的性能需求。

Description

一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料及 其制备方法
技术领域
本发明涉及耐高温特种纸技术领域，具体涉及一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料及其制备方法。
背景技术
聚对苯撑苯并二噁唑纤维(PBO纤维)是一种含有杂环芳香族的聚酰胺族高聚物纤维，最初由美国空军材料实验室作为耐高温性能比凯芙拉(Kevlar)好的材料而进行开发。首先它具有优异的耐热性能，PBO纤维的热分解温度在650℃以上，比对位芳纶高100℃左右，是有机合成纤维中耐热性能最好的纤维；其次PBO纤维的阻燃性能优良：其极限氧指数(LOI)为68，使用J IS垂直法对PBO纺织物进行燃烧性能测试，其炭化长度小于5mm，在燃烧过程中只有极少量的一氧化碳、氰化氢等有毒气体挥发；另外PBO纤维具有优异的耐化学介质性,在几乎所有的有机溶剂及碱中都是稳定的，只有浓硫酸、甲基磺酸、氯磺酸等部分强酸能使其溶解。此外,PBO纤维对次氯酸也有很好的稳定性，PBO纤维在漂白剂中浸泡300h后仍保持90％以上的强度。PBO纤维还具有超高强度、超高模量、尺寸稳定性好等优良性能。高模量PBO纤维线密度为1.7D，拉伸强度为5.8GPa，拉伸模量高达352Gpa。对与尺寸稳定性，PBO纤维在300℃条件下无载荷热处理30min，收缩率只有0.1％。由于具备以上优点，PBO纤维广泛用于机械工业、化工工业、军事国防、安全防护、电子电器、建筑建材、航空航天等领域。
目前市场PBO纤维多用于织物或作为增强剂制备复合材料(专利CN111534048A公开了一种热固性树脂PBO纤维复合材料的制备方法，将PBO纤维织物表面涂覆上浆剂，再与热固性树脂黏合制成复合材料；专利CN111484740A公开了一种采用聚苯酯和PBO纤维填充热塑性树脂的共混材料及其制备方法，采用热塑性聚合物树脂与聚苯酯树脂、PBO纤维、增强纤维、润滑辅助材料复配共混，使得到具有良好的耐磨性能的复合材料)。然而PBO纤维存在结晶度高，纤维表面惰性强的问题，在与树脂、上浆剂、粘结剂结合时，由于界面结合力弱，助剂耐高温性能差，所制备的复合材料在高温条件下容易产生碎裂，分层等问题，严重缩短结构件的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料及其制备方法，本发明制备的纸基材料具有耐高温性能好和机械强度高的特点，可以解决现有PBO纤维增强复合材料内部结合强度低，高温条件(300℃)下复合材料性能稳定性差的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料，由PBO短切纤维、间位芳纶短切纤维、间位芳纶沉析纤维三种组分混合抄造而成，以质量分数计，其配比如下：PBO短切纤维质量配比为30％-80％，间位芳纶短切纤维质量配比为0-30％，间位芳纶沉析纤维质量配比为20％-50％，各组分质量分数之和为100％。
一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将绝干PBO短切纤维浸入碱液中预处理，然后用去离子水将预处理后的PBO短切纤维洗至中性，烘干备用；
步骤二：取绝干间位芳纶短切纤维与步骤一处理后的PBO短切纤维混合，加入分散剂进行第一次疏解分散；然后加入间位芳纶沉析纤维进行第二次疏解分散，加水调节纸浆浓度并进行第三次疏解分散制得混合浆料；
步骤三：将步骤二疏解好的混合浆料经脱水成型得到混抄纸湿纸页，然后经压榨、烘干得到PBO纤维纸基材料原纸；
步骤四：将步骤三制得的PBO纤维纸基材料原纸经高温压光处理，即得耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料。
进一步地，步骤一中所述PBO短切纤维的长度为3-8mm。
进一步地，步骤一中所述碱液为质量分数1％-5％的氢氧化钠溶液。
进一步地，步骤二中加水调节浆料质量浓度至0.01％-0.05％。
进一步地，步骤二中所述分散剂为聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸、聚乙烯醇、聚氧化乙烯和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种混合物；分散剂用量为PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维绝干质量和的0.3％-1.0％。
进一步地，步骤三中所述烘干温度为80-120℃。
进一步地，步骤四中高温压光条件为：压光温度220～320℃，压光线压力为80-160N/mm，压光辊转速为3-9m/min，压光次数为1-3次。
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PBO纤维优异的力学性能和耐高温性能，制备耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料。以PBO短切纤维和间位芳纶短切纤维为骨架，沉析纤维为粘结剂，穿插铺网成型，不仅提高纸基材料的耐高温性能，其力学性能也有显著提升。本发明采用现代湿法成型技术制得PBO纤维纸基材料原纸，纤维预处理工艺提高了PBO短切纤维的分散效果，保证PBO短切纤维在纸基材料中均匀分散，即改善了纸基材料的机械强度又提高了其性能的稳定；再通过高温压光工艺成功制备PBO纤维纸基材料。与目前常规PBO复合材料制备方法相比，本发明所提供PBO纤维纸基材料的制备方法，以PBO短切纤维和间位芳纶短切纤维为骨架，沉析纤维为粘结剂的，两种材料结合紧密。在纸基材料制备过程中，无需另外添加其他化学胶粘助剂，不仅使纸基材料更加环保，同时避免了化学胶粘助剂对纸基材料综合性能的破坏，使产品具有更好的力学性能和耐温高温性能。
附图说明
图1为本发明制备方法工艺流程图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细描述：
本发明将PBO纤维与芳纶沉析纤维通过现代湿法抄造技术，采用高温压光工艺可以制备出一款机械强度高，耐高温性能好的聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料。这一纸基材料的研制成功将为军工领域和航空航天领域提供一种重要的耐高温材料。
一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料，由PBO短切纤维、间位芳纶短切纤维、间位芳纶沉析纤维三种组分混合抄造而成，其配比如下：PBO短切纤维质量配比为30％-80％，间位芳纶短切纤维质量配比为0-30％，间位芳纶沉析纤维质量配比为20％-50％，各组分质量分数之和为100％。
一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将长度为3-8mm的绝干PBO短切纤维浸入质量分数1％-5％的氢氧化钠溶液中预处理，然后用去离子水将预处理后的PBO纤维洗至中性，烘干备用；
步骤二，取绝干间位芳纶短切纤维与步骤一处理后的PBO短切纤维与共同放入疏解机，按照一定比例加入分散剂后进行第一次疏解分散，所述分散剂为聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮中的一种；分散剂的添加量为PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维绝干质量和的0.3％-1.0％；然后加入间位芳纶沉析纤维进行第二次疏解分散，加水调节纸浆质量浓度至0.01％-0.05％，并进行第三次疏解分散制得混合浆料；
步骤三，将步骤二疏解好的混合浆料在200目的纸业成型器，经脱水成型得到混抄纸湿纸页，然后经压榨、烘干(烘干温度为80-120℃)得到PBO纤维纸基材料原纸；
步骤四，将步骤三制得的PBO纤维纸基材料原纸经高温压光处理，压光温度220～320℃，压光线压力为80-160N/mm，压光辊转速为3-9m/min，压光次数为1-3次，即得耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料。
下面结合实施例，更具体地说明本发明的内容。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在本发明中，若非特指，所有设备和原料等均可从市场购得或是行业常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
实施例1
将长度为3mm的绝干PBO短切纤维浸入质量分数为1％的NaOH溶液中预处理，然后用去离子水将预处理后的PBO纤维洗至中性，烘干备用。将预处理后PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维按照质量比为3:1的比例同时放入疏解机疏解分散10000r，疏解时加入聚氧化乙烯作为分散剂，添加量为PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维绝干质量和的0.3％；最后按照PBO短切纤维，间位芳纶短切纤维，间位芳纶沉析纤维3:1:6的质量比加入芳纶沉析纤维进行第二次疏解分散10000r，加水调节纸浆质量浓度至0.01％并疏解分散2000r制得混合浆料；将疏解好的混合浆料在200目的纸业成型器，经脱水成型得到混抄纸湿纸页，然后经压榨、经80℃干燥后得到PBO纤维纸基材料原纸；将制得的PBO纤维纸基材料原纸利用高温压光机在压光温度220℃，压光线压力80N/mm，压光辊速5m/min压光2次即得到耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料。
实施例2
将长度为8mm的绝干PBO短切纤维浸入质量分数为5％的NaOH溶液中预处理，然后用去离子水将预处理后的PBO纤维洗至中性，烘干备用。将预处理后PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维按照质量比为8:0的比例同时放入疏解机疏解分散10000r，疏解时加入聚氧化乙烯作为分散剂，添加量为PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维绝干质量和的1.0％；最后按照PBO短切纤维，间位芳纶短切纤维，间位芳纶沉析纤维8:0:2的质量比加入芳纶沉析纤维进行第二次疏解分散10000r，加水调节纸浆质量浓度至0.05％并疏解分散2000r制得混合浆料；将疏解好的混合浆料在200目的纸业成型器，经脱水成型得到混抄纸湿纸页，然后经压榨、经120℃干燥后得到PBO纤维纸基材料原纸；将制得的PBO纤维纸基材料原纸利用高温压光机在压光温度320℃，压光线压力120N/mm，压光辊速9m/min压光1次即得到耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料。
实施例3
将长度为5mm的绝干PBO短切纤维浸入质量分数为3％的NaOH溶液中预处理，然后用去离子水将预处理后的PBO纤维洗至中性，烘干备用。将预处理后的PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维按照质量比为7:0的比例同时放入疏解机疏解分散10000r，疏解时加入聚氧化乙烯作为分散剂，添加量为PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维绝干质量和的0.7％；最后按照PBO短切纤维，间位芳纶短切纤维，间位芳纶沉析纤维7:0:3的质量比加入芳纶沉析纤维进行第二次疏解分散10000r，加水调节纸浆质量浓度至0.03％并疏解分散2000r制得混合浆料；将疏解好的混合浆料在200目的纸业成型器，经脱水成型得到混抄纸湿纸页，然后经压榨、经100℃干燥后得到PBO纤维纸基材料原纸；将制得的PBO纤维纸基材料原纸利用高温压光机在压光温度280℃，压光线压力110N/mm，压光辊速3m/min压光3次即得到耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料。
实施例4
将长度为4mm的绝干PBO短切纤维浸入质量分数为2％的NaOH溶液中预处理，然后用去离子水将预处理后的PBO纤维洗至中性，烘干备用。将预处理后的PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维按照质量比为1:1的比例同时放入疏解机疏解分散10000r，疏解时加入聚丙烯酰胺作为分散剂，添加量为PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维绝干质量和的0.4％；最后按照PBO短切纤维，间位芳纶短切纤维，间位芳纶沉析纤维3:3:4的质量比加入芳纶沉析纤维进行第二次疏解分散10000r，加水调节纸浆浓度至0.02％并疏解分散2000r制得混合浆料；将疏解好的混合浆料在200目的纸业成型器，经脱水成型得到混抄纸湿纸页，然后经压榨、经110℃干燥后得到PBO纤维纸基材料原纸；将制得的PBO纤维纸基材料原纸利用高温压光机在压光温度280℃，压光线压力160N/mm，压光辊速7m/min压光3次即得到耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料。
实施例5
将长度为6mm的绝干PBO短切纤维浸入质量分数为2％的NaOH溶液中预处理，然后用去离子水将预处理后的PBO纤维洗至中性，烘干备用。将预处理后的PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维按照质量比5:3的比例同时放入疏解机疏解分散10000r，疏解时加入聚氧化乙烯作为分散剂，添加量为PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维绝干质量和的0.8％；然后按照PBO短切纤维，间位芳纶短切纤维，间位芳纶沉析纤维5:3:2的质量比加入芳纶沉析纤维进行第二次疏解分散10000r，加水调节纸浆质量浓度至0.02％并疏解分散2000r制得混合浆料；将疏解好的混合浆料在200目的纸业成型器，经脱水成型得到混抄纸湿纸页，然后经压榨、经90℃干燥后得到PBO纤维纸基材料原纸；将制得的PBO纤维纸基材料原纸利用高温压光机在压光温度250℃，压光线压力100N/mm，压光辊速8m/min压光1次即得到耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料。
实施例6
将长度为7mm的绝干PBO短切纤维浸入质量分数为4％的NaOH溶液中预处理，然后用去离子水将预处理后的PBO纤维洗至中性，烘干备用。将预处理后的PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维按照质量比3:1的比例同时放入疏解机疏解分散10000r，疏解时加入聚丙烯酰胺作为分散剂，添加量为PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维绝干质量和的0.6％；然后按照PBO短切纤维，间位芳纶短切纤维，间位芳纶沉析纤维3:1:1的质量比加入芳纶沉析纤维进行第二次疏解分散10000r，加水调节纸浆质量浓度至0.02％并疏解分散2000r制得混合浆料；将疏解好的混合浆料在200目的纸业成型器，经脱水成型得到混抄纸湿纸页，然后经压榨、经110℃干燥后得到PBO纤维纸基材料原纸；将制得的PBO纤维纸基材料原纸利用高温压光机在压光温度300℃，压光线压力130N/mm，压光辊速6m/min压光1次即得到耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料。
实施例7
将长度为7mm的绝干PBO短切纤维浸入质量分数为3％的NaOH溶液中预处理，然后用去离子水将预处理后的PBO纤维洗至中性，烘干备；将预处理后的PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维按照质量比4:1的比例同时放入疏解机疏解分散10000r，疏解时加入聚乙烯醇作为分散剂，添加量为PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维绝干质量和的0.7％；最后按照加入PBO短切纤维，间位芳纶短切纤维，间位芳纶沉析纤维4:1:5的质量比加入芳纶沉析纤维进行第二次疏解分散10000r，加水调节纸浆质量浓度至0.04％并疏解分散2000r制得混合浆料；将疏解好的混合浆料在200目的纸业成型器，经脱水成型得到混抄纸湿纸页，然后经压榨、经90℃干燥后得到PBO纤维纸基材料原纸；将制得的PBO纤维纸基材料原纸利用高温压光机在压光温度280℃，压光线压力110N/mm，压光辊速5m/min压光1次即得到耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料。
实施例8
将长度为6mm的绝干PBO短切纤维浸入质量分数为4％的NaOH溶液中预处理，然后用去离子水将预处理后的PBO纤维洗至中性，烘干备用。将预处理后的PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维按照质量比6:1的比例同时放入疏解机疏解分散10000r，疏解时加入聚乙烯醇作为分散剂，添加量为PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维绝干质量和的0.2％；最后按照PBO短切纤维，间位芳纶短切纤维，间位芳纶沉析纤维6:1:3的质量比加入芳纶沉析纤维进行第二次疏解分散10000r，加水调节纸浆质量浓度至0.02％并疏解分散2000r制得混合浆料；将疏解好的混合浆料在200目的纸业成型器，经脱水成型得到混抄纸湿纸页，然后经压榨、经100℃干燥后得到PBO纤维纸基材料原纸；将制得的PBO纤维纸基材料原纸利用高温压光机在压光温度250℃，压光线压力110N/mm，压光辊速5m/min压光2次即得到耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料。
实施例9
将长度为7mm的绝干PBO短切纤维浸入质量分数为3％的NaOH溶液中预处理，然后用去离子水将预处理后的PBO纤维洗至中性，烘干备用。将预处理后的PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维按照质量比7:1的比例同时放入疏解机疏解分散10000r，疏解时加入聚乙烯醇作为分散剂，添加量为PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维绝干质量和的0.7％；然后按照PBO短切纤维，间位芳纶短切纤维，间位芳纶沉析纤维7:1:2的质量比加入芳纶沉析纤维进行第二次疏解分散10000r，加水调节纸浆质量浓度至0.04％并疏解分散2000r制得混合浆料；将疏解好的混合浆料在200目的纸业成型器，经脱水成型得到混抄纸湿纸页，然后经压榨、经110℃干燥后得到PBO纤维纸基材料原纸；将制得的PBO纤维纸基材料原纸利用高温压光机在压光温度250℃，压光线压力100N/mm，压光辊速5m/min压光1次即得到耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料。
以上本发明的实施例中，对聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料的性能做了检测，检测结果如下表所示：
Figure BDA0002861541110000101
由上表可以看出，根据本发明所提供的一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料的制备方法所制备的典型产品(定量为42±3g/m2)具有很高的机械强度；从300℃条件下热收缩率可以看出，在一定范围内，随着PBO短切纤维的配比增加，其热稳定性也有显著提高，综合性能也能够满足耐高温蜂窝对纸基材料的性能要求。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将绝干PBO短切纤维浸入碱液中预处理，然后用去离子水将预处理后的PBO短切纤维洗至中性，烘干备用；
步骤二：取绝干间位芳纶短切纤维与步骤一处理后的PBO短切纤维混合，加入分散剂进行第一次疏解分散；然后加入间位芳纶沉析纤维进行第二次疏解分散，加水调节纸浆浓度并进行第三次疏解分散制得混合浆料；
步骤三：将步骤二疏解好的混合浆料经脱水成型得到混抄纸湿纸页，然后经压榨、烘干得到PBO纤维纸基材料原纸；
步骤四：将步骤三制得的PBO纤维纸基材料原纸经高温压光处理，即得耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料；
所述PBO短切纤维、间位芳纶短切纤维、间位芳纶沉析纤维三种组分以质量分数计，其配比如下：PBO短切纤维质量配比为30％-80％，间位芳纶短切纤维质量配比为0-30％，间位芳纶沉析纤维质量配比为20％-50％，各组分质量分数之和为100％；
所述步骤二中加水调节纸浆浓度至0.01％-0.05％；
步骤四中高温压光条件为：压光温度220～320℃，压光线压力为80-160N/mm，压光辊转速为3-9m/min，压光次数为1-3次。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述PBO短切纤维的长度为3-8mm。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述碱液为质量分数1％-5％的氢氧化钠溶液。
4.根据权利要求1所述的一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述分散剂为聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸、聚乙烯醇、聚氧化乙烯和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种混合物；分散剂用量为PBO短切纤维与间位芳纶短切纤维绝干质量和的0.3％-1.0％。
5.根据权利要求1所述的一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述烘干温度为80-120℃。
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