CN115217000A - 一种高性能芳纶纤维纸板及其制备方法与应用 - Google Patents
一种高性能芳纶纤维纸板及其制备方法与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高性能芳纶纤维纸板的制备方法，以芳纶短切纤维、芳纶沉析纤维为原料，加入芳纶微纳米纤维作为分散剂、增强剂和粘结剂，采用机械预处理芳纶纤维原料后再经斜网纸机湿法抄造成原纸；取多张芳纶原纸，然后经过热压处理，即得到的高性能芳纶纤维纸板。本发明还公开了上述高性能芳纶纤维纸板的制备方法制备得到的高性能芳纶纤维纸板及其应用。本发明不使用其他任何胶黏剂，制备得到的芳纶纤维纸板具有高机械强度和高介电性能，可以应用在大型输变电设备、变压器、发电机、轨道交通、大功率牵引电机、电气产品等组件中。
Description
技术领域
本发明涉及芳纶纸板材料领域，特别涉及一种高性能芳纶纤维纸板及其制备方法与应用。
背景技术
芳纶纤维是全芳香族聚酰胺纤维的通称，是一种新型高性能合成纤维。因具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀、高阻燃和绝缘等特性，芳纶纤维已被广泛应用于航天航空、交通运输、个体防护、电气绝缘等重要领域。根据化学结构的不同，芳纶纤维主要可以分为邻位、间位和对位芳纶三种，目前市场上已实现商业化应用的芳纶纤维主要指的是间位和对位芳纶。间位芳纶的优势在于介电强度高和纤维柔韧性好；而对位芳纶则以低密度、高强高模和耐高温为主要特征。因此，间位芳纶多用于电器绝缘领域，而对位芳纶则作为高性能增强体用于复合材料领域。
芳纶纤维纸板是由两层或多层芳纶纤维、织物或者纸基材料经叠合、热压结合成的整体。芳纶纸板产品可加工成各种绝缘和结构零部件，广泛应用在电机、变压器、高低压电器、电工仪表和电子设备中。芳纶纸板可作为结构材料或绝缘材料广泛应用于飞机、轮船、列车等的高刚性受力结构部件或变压器、发电机、电池隔膜、印刷线路板等高科技领域，是促进现代工业发展的重要基础材料，研发高性能芳纶纤维纸板材料对促进航空航天、交通电力、国防通讯等方面的发展具有重大意义。
现有制备芳纶纸板的技术主要是层压法和一次成型法。例如，中国专利201910917173.2和201910917159.2分别公开使用特种树脂胶黏剂对芳纶纸进行粘结，然后经热压后得到芳纶纸板。中国专利201610769485.X和201610767811.3分别公开了一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法和一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法，均采用超声处理芳纶纤维抄造得到湿纸坯，然后在板式热压机进行分段热压，得到芳纶层压纸产品。由于芳纶纤维表面光滑、纸内芳纶纤维间界面结合力若，导致上述技术方案制备的芳纶纸板层间结合强度有限。又如，申请号为201510825388.3的中国专利公开了一种芳纶纤维纸板的制备方法，主要采用一步成型法，将芳纶短切纤维和沉析纤维进行混合真空抽滤，得到芳纶湿纸坯板经常压和热压两步压榨得到芳纶纸板，但是此方法可能导致制备的芳纶纸板含水量较高，机械强度也有限，还可能引发鼓包等质量问题，影响芳纶纸板热收缩、电气强度等性能，可能导致产品在使用过程中出现安全隐患。另一方面，由于芳纶纤维分子结构中含有大量极性基团(酰胺键)，但是在氢键、π-π共轭堆积和范德华力的共同束缚作用下，光滑纤维表面仅有少量基团处于活性游离状态，这极大地限制了芳纶纤维与纸板基体材料通过物理交联或化学键合的作用。再者，为了增强芳纶纤维的界面结合效果，现有技术方案在制备芳纶纸板过程中往往会加入聚酯或者其他树脂进行粘合，这无疑会增加纸板制造成本，并且影响芳纶纸板的热力学性能和使用安全性。因此，亟待开发一种简单高效制备高性能芳纶纤维纸板的技术。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种高性能芳纶纤维纸板的制备方法，不使用其他任何胶黏剂，简单高效制备得到的芳纶纤维纸板具有优异的机械性能及介电性能。
本发明的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的高性能芳纶纤维纸板。
本发明的再一目的在于提供上述高性能芳纶纤维纸板的应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种高性能芳纶纤维纸板的制备方法，包括以下步骤：
(1)以芳纶短切纤维、芳纶沉析纤维为原料，加入芳纶微纳米纤维作为粘结剂，混合均匀后进行机械处理，得到芳纶纤维浆料；
(2)以步骤(1)得到的芳纶纤维浆料为原料，采用斜网纸机湿法抄造，经过干燥收卷得到芳纶原纸；
(3)将多张芳纶原纸进行热压处理，得到芳纶层压板。
优选的，步骤(1)所述芳纶沉析纤维呈膜片状，宽度小于500μm，长度小于5.0mm，厚度小于500nm。
优选的，步骤(1)所述芳纶短切纤维长度为1～20mm，直径为1～20μm。
优选的，步骤(1)所述芳纶微纳米纤维的长度大于10μm，直径小于500nm，长径比大于500。
优选的，步骤(1)所述芳纶短切纤维、芳纶沉析纤维、芳纶微纳米纤维的质量比为(20～45)：(30～45)：(10～30)。
优选的，步骤(1)所述机械处理具体为：
采用盘磨机、打浆机和超微粒磨浆机中的一种以上进行机械处理；
步骤(2)所述采用斜网纸机湿法抄造，具体为：采用斜网纸机湿法抄造，在采用孔辊式湍流装置进行分散混合后再上网抄纸，其中上网浓度为0.002～0.05％。
优选的，步骤(2)中所述采用斜网纸机湿法抄造，具体为：
在芳纶纤维浆料中添加分散剂，再采用斜网纸机湿法抄造；
所述分散剂为N-甲基吡咯烷酮、甲氧基聚乙二醇、聚乙二醇二甲醚、聚环氧乙烷、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠中的一种以上；添加量占芳纶纤维质量的0.01～2％。
优选的，所述将多张芳纶原纸进行热压处理，具体为：
根据芳纶原纸上纤维取向方向，将芳纶原纸以“纵横交错”的方式进行层叠，再进行热压处理。
优选的，步骤(1)中所述芳纶纤维为芳纶浆粕。
优选的，步骤(1)中所述芳纶纤维打浆度为30～90°SR。
优选的，步骤(1)中所述芳纶纤维为间位芳纶纤维、对位芳纶纤维等聚酰胺纤维材料中的一种或几种。
优选的，步骤(3)中所述热压处理条件为稳定压力1～20MPa，温度100～280℃，时间0.1～10h。
优选的，所述芳纶短切纤维包括第一种纶短切纤维和第二种芳纶短切纤维；所述第一种芳纶短切纤维平均长度为4～6mm，芳纶短切纤维平均直径为4～5μm；所述第二种芳纶短切纤维平均长度为12～16mm，芳纶短切纤维平均直径为8～10μm。
所述高性能芳纶纤维纸板的制备方法制备得到的高性能芳纶纤维纸板，密度为0.5～1.30g/cm3，厚度为1.0～12mm。
所述的高性能芳纶纤维纸板在V形圈、角环、绝缘套、间隙垫片、绝缘管芯等变压器、发电机、轨道交通、大功率电机和电气产品中应用。
本发明的原理为：
首先，本发明主要采用同源增强技术，以芳纶微纳米纤维为分散剂、增强剂和粘结剂，制备高性能芳纶纤维纸板。众所周知，芳纶纤维表面光滑，纤维交织能力弱，在基材中的纤维界面结合效果较差。因此，由芳纶纤维所抄造纸表面呈疏松多孔结构，不利于成纸强度和介电强度的提升。然而，芳纶微纳米纤维有着大长径比和高比表面积，相互交织形成的网络结构比芳纶纸更为致密，具有更高的机械强度和介电强度。同时，芳纶微纳米纤维继承了芳纶材料轻质高强、耐高温、耐腐蚀、高阻燃和绝缘等特性，制备得到的芳纶纸板具有优良的物理化学性能。
其次，芳纶微纳米纤维高的比表面积和化学活性为其充当纳米粘结剂、桥接剂、纳米填料或载体提供了有利的条件。芳纶微纳米纤维的引入实现了不同组分之间的物理或者化学交联，可以有效传递载荷并使应力均匀分布，如图2所示。因此，芳纶微纳米纤维同源增强技术可以显著提高芳纶纤维纸板材料界面结合强度。另一方面，采用芳纶微纳米纤维为填料，尺寸小的微纳米级别纤维可以很好地分散并填充在纸板内部，增加短切纤维与沉析纤维或者芳纶浆粕的界面结合作用，提高界面结合强度及芳纶纸板的表观密度，最终改善纸板机械性能和介电性能。本发明制备的一种高性能芳纶纤维纸板不使用其他任何胶黏剂，即可得到具有高机械强度和高介电强度的芳纶纤维纸板。
再次，由于在工业化连续生产的成形中，原纸中的纤维会呈现一定的定向排列现象，因此原纸上具有明显的纤维取向，在纵横两个方向上的力学性能具有较大的差异。本发明采用斜网成形方式抄造芳纶原纸，再根据原纸的纤维取向方向，经过“纵横交错”的方式进行层叠，即上一层的纵向与下一层的纵向为垂直关系，在热压后降低层压板的纵横机械性能差。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明的高性能芳纶纤维纸板的制备方法，通过添加芳纶微纳米纤维为分散剂、增强剂和粘结剂，简单高效制备得到具有优异的机械性能及介电性能的芳纶纤维纸板。
(2)本发明的高性能芳纶纤维纸板的制备方法，不使用其他任何胶黏剂，制备得到的芳纶纤维纸板，具有高机械强度，界面结合强度高、表观密度大，并且具有高的介电强度。
(3)本发明的高性能芳纶纤维纸板的制备方法，经过“纵横交错”的方式进行层叠，进一步提高了芳纶纤维纸板的机械性能。
(4)本发明的高性能芳纶纤维纸板的制备方法，通过控制热压前原纸的水分含量，防止热压过程中水分过多蒸发外溢引起鼓包、胀包等问题，同时也可以缩短热压时间及工艺，最终得到低水分含量、密度可调控的高性能的芳纶纸板。
(5)本发明的高性能芳纶纤维纸板的制备方法，为了增加芳纶纤维悬浮液和芳纶微纳米纤维的充分分散混合在上网前增设孔辊式湍流装置，以促进芳纶长纤维和芳纶沉析纤维的均匀分布，制备高匀度的芳纶原纸。
(6)本发明的高性能芳纶纤维纸板，可以应用于V形圈、角环、绝缘套、间隙垫片、绝缘管芯等变压器、发电机、轨道交通、大功率电机、电气产品的重要组件中。
附图说明
图1为发明的实施例的高性能芳纶纤维纸板的制备流程图。
图2为本发明的实施例制备得到的高性能芳纶纤维纸板表面SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明使用的芳纶原料来自赣州龙邦材料科技有限公司，但芳纶原料的获得不限于该种方式。芳纶微纳米纤维制备技术可参照现有技术获得，如ZL202111042640.5，但芳纶微纳米纤维获得不限于该种方式。
测试方法：厚度参照GB/T 29627.2-2013测定；表观密度按GB/T 29627.2-2013测定；拉伸强度和断裂伸长率按GB/T 29627.2-2013中的规定，采用条状试样法进行试验；厚度用弯曲强度按GB/T 29627.2-2013测定；水分按GB/T29627.2-2013测定；热收缩率将隔膜在250℃下处理24h，并测量记录隔膜的收缩后面积变化百分比(％)＝(A0-A)/A0×100式中，Ao是指隔膜的初始面积，A是经过热处理后的隔膜的最终面积；电气强度按GB/T 29627.2-2013测定；介质损耗因数和相对电容率按GB/T 29627.2-2013测定；层间粘结性能参照GB/T19264.2-2013测定。
实施例1
本实施例的一种高性能芳纶纤维纸板，其制备方法如图1所示，具体包括如下步骤：
(1)芳纶纤维制备：选用不同长短的芳纶短切和沉析纤维和为原料，芳纶微纳米纤维为粘结剂。其中，芳纶短切纤维平均长度为6mm，芳纶短切纤维平均直径为22μm；芳纶沉析纤维呈片膜状，其平均宽度为500μm，平均长度为0.5mm，平均厚度400nm；芳纶微纳米纤维平均直径为10nm，平均长度为5μm，长径比大于500；芳纶沉析纤维、芳纶短切纤维与芳纶微纳米纤维的绝干质量比例为45:45:10。混合均匀后经过盘磨机预打浆处理，得到打浆度为56°SR差别化芳纶纤维浆料；
(2)芳纶原纸的制备：以差别化芳纶纤维浆料为原料，添加分散剂为N-甲基吡咯烷酮，添加量占芳纶纤维原料总质量的0.01％。采用双螺旋线排孔式孔辊匀整浆流，采用斜网纸机湿法抄造，斜网抄纸上网浓度为0.08％，经过干燥收卷得到芳纶原纸，得到芳纶原纸水分为2.3％；
(3)芳纶纸板的制备：选取一定量的芳纶原纸，以“纵横交错”的方式进行层叠，然后在6MPa，110℃的条件下进行热压处理，热压10h即可得到高性能芳纶纤维纸板。
测定芳纶纸板的性能指标，测试结果列于表1中。
实施例2
本实施例的一种高性能芳纶纤维纸板，其制备方法如下：
(1)芳纶纤维制备：选用不同长短的芳纶短切和沉析纤维和为原料，芳纶微纳米纤维为粘结剂。其中，芳纶短切纤维平均长度为6mm，芳纶短切纤维平均直径为15μm；芳纶沉析纤维呈片膜状，其平均宽度为100μm，平均长度为0.7mm，平均厚度200nm；芳纶微纳米纤维平均直径为150nm，平均长度为100μm，长径比大于600；芳纶沉析纤维、芳纶短切纤维与芳纶微纳米纤维的绝干质量比例为40:45:15。混合均匀后经过盘磨机预打浆处理，得到打浆度为62°SR差别化芳纶纤维浆料；
(2)芳纶原纸的制备：以差别化芳纶纤维浆料为原料，添加分散剂为N-甲基吡咯烷酮，添加量占芳纶纤维原料总质量的0.5％。采用片辊匀整浆流，采用斜网纸机湿法抄造，斜网抄纸上网浓度为0.05％，经过干燥收卷得到芳纶原纸，得到芳纶原纸水分为2.1％；
(3)芳纶纸板的制备：选取一定量的芳纶原纸，以“纵横交错”的方式进行层叠，然后在8MPa，160℃的条件下进行热压处理，热压0.35h即可得到高性能芳纶纤维纸板。
测定芳纶纸板的性能指标，测试结果列于表1中。
实施例3
本实施例的一种高性能芳纶纤维纸板，其制备方法如下：
(1)芳纶纤维制备：选用不同长短的芳纶短切和沉析纤维和为原料，芳纶微纳米纤维为粘结剂。其中，芳纶短切纤维平均长度为15mm，芳纶短切纤维平均直径为10μm；芳纶沉析纤维呈片膜状，其平均宽度为200μm，平均长度为2.1mm，平均厚度230nm；芳纶微纳米纤维平均直径为120nm，平均长度为350μm，长径比大于2500；芳纶沉析纤维、芳纶短切纤维与芳纶微纳米纤维的绝干质量比例为35:40:25。混合均匀后经过盘磨机预打浆处理，得到打浆度为70°SR差别化芳纶纤维浆料；
(2)芳纶原纸的制备：以差别化芳纶纤维浆料为原料，添加分散剂为甲氧基聚乙二醇，添加量占芳纶纤维原料总质量的1％。采用单螺旋线排孔式匀整浆流，采用斜网纸机湿法抄造，斜网抄纸上网浓度为0.015％，经过干燥收卷得到芳纶原纸，得到芳纶原纸水分为1.8％；
(3)芳纶纸板的制备：选取一定量的芳纶原纸，以“纵横交错”的方式进行层叠，然后在15MPa，250℃的条件下进行热压处理，热压3h即可得到高性能芳纶纤维纸板。
测定芳纶纸板的性能指标，测试结果列于表1中。
实施例4
本实施例的一种高性能芳纶纤维纸板，其制备方法如下：
(1)芳纶纤维制备：选用不同长短的芳纶短切和沉析纤维和为原料，芳纶微纳米纤维为粘结剂。其中，芳纶短切纤维平均长度为6mm，芳纶短切纤维平均直径为5μm；芳纶沉析纤维呈片膜状，其平均宽度为200μm，平均长度为4.3mm，平均厚度100nm；芳纶微纳米纤维平均直径为95nm，平均长度为400μm，长径比大于3000；芳纶沉析纤维、芳纶短切纤维与芳纶微纳米纤维的绝干质量比例为30:40:30。混合均匀后经过盘磨机预打浆处理，得到打浆度为88°SR差别化芳纶纤维浆料；
(2)芳纶原纸的制备：以差别化芳纶纤维浆料为原料，添加分散剂为聚乙二醇二甲醚，添加量占芳纶纤维原料总质量的2％。采用单螺旋线排孔式匀整浆流，采用斜网纸机湿法抄造，斜网抄纸上网浓度为0.005％，经过干燥收卷得到芳纶原纸，得到芳纶原纸水分为1.7％；
(3)芳纶纸板的制备：选取一定量的芳纶原纸，以“纵横交错”的方式进行层叠，然后在20MPa，280℃的条件下进行热压处理，热压1h即可得到高性能芳纶纤维纸板。
测定芳纶纸板的性能指标，测试结果列于表1中，芳纶纸板的SEM图像如图2所示。
实施例5
本实施例的一种高性能芳纶纤维纸板，其制备方法如下：
(1)芳纶纤维制备：选用不同长短的芳纶短切和沉析纤维和为原料，芳纶微纳米纤维为粘结剂。其中，第一种芳纶短切纤维平均长度为6mm，芳纶短切纤维平均直径为5μm；第二种芳纶短切纤维平均长度为15mm，芳纶短切纤维平均直径为10μm；芳纶沉析纤维呈片膜状，其平均宽度为200μm，平均长度为4.3mm，平均厚度100nm；芳纶微纳米纤维平均直径为95nm，平均长度为400μm，长径比大于3000；芳纶沉析纤维、第一种芳纶短切纤维、第二种芳纶短切纤维与芳纶微纳米纤维的绝干质量比例为30:20:20:30。混合均匀后经过盘磨机预打浆处理，得到打浆度为85°SR差别化芳纶纤维浆料；
(2)芳纶原纸的制备：以差别化芳纶纤维浆料为原料，添加分散剂为聚环氧乙烷，添加量占芳纶纤维原料总质量的0.5％。采用单螺旋线排孔式匀整浆流，采用斜网纸机湿法抄造，斜网抄纸上网浓度为0.005％，经过干燥收卷得到芳纶原纸，得到芳纶原纸水分为1.6％；
(3)芳纶纸板的制备：选取一定量的芳纶原纸，以“纵横交错”的方式进行层叠，然后在20MPa，280℃的条件下进行热压处理，热压1h即可得到高性能芳纶纤维纸板。
测定芳纶纸板的性能指标，测试结果列于表1中。
对比可知，实施例5与实施例4对比，采用了两种不用直径的芳纶纤维结合芳纶微纳米纤维进行造纸，采用不同直径的芳纶纤维可以有效增加芳纶纤维间的结合，填充芳纶纤维之间的孔隙，另外，尺寸更加微小的芳纶微纳米纤维具有更大的比表面积，能够与芳纶纤维和芳纶沉析纤维进行良好的结合，改善界面结合强度，降低芳纶纸板密度的同时，改善纸板的强度，最终实施例5比实施例4具有更加优异的机械性能和介电性能。
对照例1
本对比例的一种芳纶纤维纸板，其制备方法如下：
芳纶短切纤维长度为6mm，芳纶短切纤维直径为18μm；芳纶沉析纤维呈片膜状，其宽度为100μm，长度为0.7mm，厚度大于500nm；芳纶短切纤维与芳纶沉析纤维的绝干质量比例为55:45。将芳纶短切和沉析纤维进行疏解，待分散均匀后倒入抄片器，然后直接进行真空抽滤脱水，然后得到芳纶湿纸坯。然后在常温条件下进行压榨处理，压出多余水分后送入热压机，热压温度160℃，压力8MPa，时间0.35h，待卸压、冷却、脱模后得到芳纶纸板。
测定芳纶纸板的性能指标，测试结果列于表1中。
对比可知，本对照例采用一步抽滤法制备芳纶纸板，虽然一步抽滤过程简单，但是经过抽滤压榨后纸板内水分含量依然较高，当进行到热压工序时，纸板表皮快速致密化，导致芳纶纸板内部的水难以排出，相比于其他实施例和对照例相比，本对照例得到芳纶纸板的含水量较高，大于6％，在实际生产中还可能引发水分排除困难，容易造成产品鼓包、胀包等现象，长期存储内包装析出水分等问题。
对照例2
本对比例的一种芳纶纤维纸板，其制备方法如下：
(1)芳纶纤维差别化处理：选用芳纶短切和沉析纤维为原料，其中，芳纶短切纤维长度为6mm，芳纶短切纤维直径为18μm；芳纶沉析纤维呈片膜状，其宽度为100μm，长度为0.7mm，厚度大于500nm；芳纶短切纤维与芳纶沉析纤维的绝干质量比例为50:50。混合均匀后经过盘磨机预打浆处理，得到打浆度为35°SR差别化芳纶纤维浆料；
(2)芳纶原纸的制备：以差别化芳纶纤维浆料为原料，采用斜网纸机湿法抄造，斜网抄纸上网浓度为0.01％，经过干燥收卷得到芳纶原纸，得到芳纶原纸水分为2.6％；
(3)芳纶纸板的制备：选取一定量的芳纶原纸，以“纵横交错”的方式进行层叠，然后在10MPa，160℃的条件下进行热压处理，热压1h即可得到高性能芳纶纤维纸板。
测定芳纶纸板的性能指标，测试结果列于表1中。
对比可知，本对比例采用的芳纶沉析纤维厚度大于500nm，其性能相对于实施例1～5相比，芳纶层压纸版的纵向和横向的拉伸强度显著降低。
对照例3
本对比例的一种芳纶纤维纸板，其制备方法如下：
(1)芳纶纤维制备：选用不同长短的芳纶短切和沉析纤维和为原料，芳纶微纳米纤维为粘结剂。其中，芳纶短切纤维平均长度为6mm，芳纶短切纤维平均直径为15μm；芳纶沉析纤维呈片膜状，其平均宽度为100μm，平均长度为0.7mm，平均厚度200nm；芳纶微纳米纤维平均直径为150nm，平均长度为100μm，长径比大于600；芳纶沉析纤维、芳纶短切纤维与芳纶微纳米纤维的绝干质量比例为40:45:15。混合均匀后经过盘磨机预打浆处理，得到打浆度为62°SR差别化芳纶纤维浆料；
(2)芳纶原纸的制备：以差别化芳纶纤维浆料为原料，采用圆网纸机湿法抄造，抄纸上网浓度为0.05％，经过干燥收卷得到芳纶原纸，得到芳纶原纸水分为2.4％；
(3)芳纶纸板的制备：选取一定量的芳纶原纸，以“纵横交错”的方式进行层叠，然后在8MPa，160℃的条件下进行热压处理，热压1h即可得到高性能芳纶纤维纸板。
测定芳纶纸板的性能指标，测试结果列于表1中。
对比可知，本对照例采用圆网成形方式制造原纸，由于采用差异化芳纶沉析纤维(厚度小于500nm)和芳纶微纳米纤维，其纵向和横向的拉伸强度与实施例1相当，说明差异化原料和“纵横交错”的排列方式可以显著改善芳纶纸板的强度性能。
对照例4
本对比例的一种芳纶纤维纸板，其制备方法如下：
(1)芳纶纤维制备：选用不同长短的芳纶短切和沉析纤维和为原料，芳纶微纳米纤维为粘结剂。其中，芳纶短切纤维平均长度为6mm，芳纶短切纤维平均直径为15μm；芳纶沉析纤维呈片膜状，其平均宽度为100μm，平均长度为0.7mm，平均厚度200nm；芳纶微纳米纤维平均直径为150nm，平均长度为100μm，长径比大于600；芳纶沉析纤维、芳纶短切纤维与芳纶微纳米纤维的绝干质量比例为40:45:15。混合均匀后经过盘磨机预打浆处理，得到打浆度为62°SR差别化芳纶纤维浆料；
(2)芳纶原纸的制备：以差别化芳纶纤维浆料为原料，采用圆网纸机湿法抄造，抄纸上网浓度为0.05％，经过干燥收卷得到芳纶原纸，得到芳纶原纸水分为2.3％；
(3)芳纶纸板的制备：选取一定量的芳纶原纸，以“纵横交错”的方式进行层叠，然后在8MPa，160℃的条件下进行热压处理，热压1h即可得到高性能芳纶纤维纸板。
测定芳纶纸板的性能指标，测试结果列于表1中。
对比可知，本对照例虽然采用差异化芳纶沉析纤维(厚度小于500nm)和芳纶微纳米纤维为原料，结合圆网成形方式制造原纸，但是圆网纸机抄纸纵横向差异明显，说明“纵横交错”的排列方式可显著改善芳纶纸板的纵横向的强度性能。
对照例5
本对比例的一种芳纶纤维纸板，其制备方法如下：
(1)芳纶纤维差别化处理：选用不同长短的芳纶短切和沉析纤维为原料，其中，芳纶短切纤维长度为6mm，芳纶短切纤维直径为18μm；芳纶沉析纤维呈片膜状，其宽度为100μm，长度为0.7mm，厚度200nm；芳纶短切纤维与芳纶沉析纤维的绝干质量比例为50:50。混合均匀后经过盘磨机预打浆处理，得到打浆度为35°SR差别化芳纶纤维浆料；
(2)芳纶原纸的制备：以差别化芳纶纤维浆料为原料，采用圆网纸机湿法抄造，抄纸上网浓度为0.05％，经过干燥收卷得到芳纶原纸，得到芳纶原纸水分为2.4％；
(3)芳纶纸板的制备：选取一定量的芳纶原纸，以“纵横对齐”的方式进行层叠，然后在10MPa，160℃的条件下进行热压处理，热压1h即可得到高性能芳纶纤维纸板。
测定芳纶纸板的性能指标，测试结果列于表1中。
对比可知，本对比例采用的芳纶沉析纤维厚度大于500nm，结合圆网成形方式制造原纸，然后通过“纵横对齐”的排列方式热压。与对照例2和其他实施例相比，纵横向强度低，且纵横向强度差异较大。这是因为圆网纸机抄纸纤维难以均匀分散，且成纸纵横向差异明显，最终导致其成纸纵横向强度低，且纵横向强度差异较大。
表1.一种高性能芳纶纤维纸板的测试结果汇总表
注：层间结合性能分类：1.撕开后应由一层，并有粗糙现象；2.撕开后有一层或多层破裂，并有明显粗糙现象；3.撕开后有一层或多层破裂，并有明显粗糙或发毛现象；4.撕开后有多层破裂，并有明显粗糙或发毛现象。
由表1可见，本发明所述的一种高性能芳纶纤维纸板各项指标均优于常规层压纸板和一次成型法制备的芳纶纸板。由实施例4制备的芳纶纸板的SEM图(图2)可知，本实施例中经过处理后芳纶纤维表面粗糙，比表面积增大，增强了芳纶纤维间的界面结合效果。另外，芳纶微纳米纤维随机并牢牢地附着在芳纶纤维表面，充当芳纶纤维间的粘合剂，将芳纶短切纤维和芳纶沉析纤维紧密连接，制备出各项指标优异的高性能芳纶纸板材料。
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所述实施例的限制，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 (10)
1.一种高性能芳纶纤维纸板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以芳纶短切纤维、芳纶沉析纤维为原料，加入芳纶微纳米纤维作为粘结剂，混合均匀后进行机械处理，得到芳纶纤维浆料；
(2)以步骤(1)得到的芳纶纤维浆料为原料，采用斜网纸机湿法抄造，经过干燥收卷得到芳纶原纸；
(3)将多张芳纶原纸进行热压处理，得到芳纶层压板。
2.根据权利要求1所述的高性能芳纶纤维纸板的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述芳纶沉析纤维呈片膜状，宽度小于500μm，长度小于5.0mm，厚度小于500nm。
3.根据权利要求1所述的高性能芳纶纤维纸板的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述芳纶短切纤维长度为1～20mm，直径为1～20μm。
4.根据权利要求1或3所述的高性能芳纶纤维纸板的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述芳纶微纳米纤维的长度大于10μm，直径小于500nm，长径比大于500。
5.根据权利要求1所述的高性能芳纶纤维纸板的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述芳纶短切纤维、芳纶沉析纤维、芳纶微纳米纤维的质量比为(20～45)：(30～45)：(10～30)。
6.根据权利要求1所述的高性能芳纶纤维纸板的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述机械处理具体为：
采用盘磨机、打浆机和超微粒磨浆机中的一种以上进行机械处理；
步骤(2)所述采用斜网纸机湿法抄造，具体为：采用斜网纸机湿法抄造，在采用孔辊式湍流装置进行分散混合后再上网抄纸，其中上网浓度为0.002～0.05％。
7.根据权利要求1所述的高性能芳纶纤维纸板的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述采用斜网纸机湿法抄造，具体为：
在芳纶纤维浆料中添加分散剂，再采用斜网纸机湿法抄造；
所述分散剂为N-甲基吡咯烷酮、甲氧基聚乙二醇、聚乙二醇二甲醚、聚环氧乙烷、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠中的一种以上；添加量占芳纶纤维质量的0.01～2％。
8.根据权利要求1所述的高性能芳纶纤维纸板的制备方法，其特征在于，所述将多张芳纶原纸进行热压处理，具体为：
根据芳纶原纸上纤维取向方向，将芳纶原纸以“纵横交错”的方式进行层叠，再进行热压处理。
9.权利要求1～8任一项所述高性能芳纶纤维纸板的制备方法制备得到的高性能芳纶纤维纸板，其特征在于，密度为0.5～1.30g/cm3，厚度为1.0～12mm。
10.权利要求9所述的高性能芳纶纤维纸板在V形圈、角环、绝缘套、间隙垫片、绝缘管芯等变压器、发电机、轨道交通、大功率电机和电气产品中应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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