CN116905271A - 一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于芳纶复合纸制备技术领域，且公开了一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法，包括：制备芳纶短切纤维浆料，制备芳纶沉析纤维浆料，选用非定形二氧化硅颗粒制备气凝胶水溶液浆料，按照重量比例将芳纶短切纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料和气凝胶水溶液浆料进行混合，通过造纸机与热轧机制成芳纶和气凝胶复合纸作为绝缘材料，去制造火焰屏障和阻燃屏障，其具备阻燃、绝缘、高隔热(低导热)的功能，并且具备较好的抗张强度和杜绝表面颗粒脱离的功能，同时也解决了在使用绝缘材料在制造或使用火焰屏障和阻燃屏障时，过程中都会出现颗粒剥离脱落的倾向的问题。
Description
技术领域
本发明属于芳纶复合纸制备技术领域，具体为一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法。
背景技术
芳纶纸以芳纶短纤维和芳纶沉析纤维为造纸原料，湿法抄造成型，再经热压成型制得。芳纶纸根据用材不同，分为间位芳纶纸和对位芳纶纸，具有优越的电气性能、抗张强度和轻量化，被广泛应用到绝缘、蜂窝领域。
气凝胶是指通过溶胶凝胶法，用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相而形成的一种纳米级多孔固态材料。如明胶、阿拉伯胶、硅胶、毛发、指甲等。气凝胶也具凝胶的性质，即具膨胀作用、触变作用、离浆作用。
现有技术中，随着电动汽车中锂离子和其他电池的使用不断增加，涉及过热和火灾的电池故障也急剧增加，所以在新能源汽车电池组的设计中需要考虑到增加火焰屏障和阻燃屏障，不仅要做到电池单元之间的分离以帮助防止过热，还要防止因一个电池单元的过热点导致整个电池组演变为热失控状态，这种热失控可能导致火灾甚至爆炸，目前在使用绝缘材料在制造或使用火焰屏障和阻燃屏障时，过程中都会出现颗粒剥离脱落的倾向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法，以解决在使用绝缘材料在制造或使用火焰屏障和阻燃屏障时，过程中都会出现颗粒剥离脱落的倾向的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法，包括以下步骤：
Sp1：选用间位芳纶短切纤维或对位芳纶短切纤维中的任意一种，制备芳纶短切纤维浆料；
Sp2：选用片膜状沉析纤维来制备芳纶沉析纤维浆料；
Sp3：选用非定形二氧化硅颗粒来制备气凝胶水溶液浆料浆料；
Sp4：将芳纶短切纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料和气凝胶水溶液浆料浆料按比例制备芳纶和气凝胶的混合液；
Sp5：通过造纸机使芳纶和气凝胶复合纸成形；
Sp6：通过热轧机对成形的芳纶和气凝胶复合纸热压固化。
优选的，选用细度为0.8-1.5D的芳纶短切纤维，选用的芳纶短切纤维的长度为1-3mm，将选用的芳纶短切纤维在水中分散疏解，制成质量浓度为0.3-0.8％的芳纶短切纤维浆料。芳纶短切纤维是间位芳纶短切纤维或对位芳纶短切纤维中的任意一种，芳轮纤维的直径在成形过程中对纸张结构中孔隙的分布和尺寸都有影响，而这些空隙是设计用于捕获气凝胶的结构。细度大于1.5D的芳纶短切纤维在纸中产生不理想的高孔径，最终可能导致纸中形成大孔，使气凝胶粉在造纸过程中很容易被冲走。此外，细度小于0.8D或长度小于1mm的芳纶短切纤维会导致纸张的抗拉强度很低，而更高的芳纶短切纤维长径比有助于提高纸张拉伸强度，因此本发明选用细度为0.8-1.5D，长度为1-3mm的芳纶短切纤维。
优选的，芳纶沉析纤维选用片膜状沉析纤维，长度在0.1-0.50mm，宽度在10-20μm，将选用的片膜状芳纶沉析纤维在水中分散疏解，盘磨直至叩解度为50-65SR，制成质量浓度为1.0-2.0％的芳纶沉析纤维浆料。片膜状沉析纤维作为类似于粘接剂的作用，有助于提供芳纶短切纤维之间的结合，提高纸张拉伸强度的同时改善纸张的绝缘性能，因此本发明中的芳纶沉析纤维选用片膜状沉析纤维。
优选的，气凝胶选用粒径在0.01-50μm的非定形二氧化硅颗粒。
优选的，优选粒径在0.05-20μm的非定形二氧化硅颗粒，将气凝胶在水中分散疏解，制成质量浓度为0.5-1.0％的气凝胶水溶液浆料浆料。非定形二氧化硅颗粒的化学性质与普通的气相硅产物相似，但具有较大的骨料尺寸、较高的表面积和较大的孔隙体积，包括较高的孔隙率(>95％)，较低的密度(0.03-0.1g/cm3)，较小平均孔径(20nm)、较低的导热系数(0.017-0.022W/mK)、较高的比表面积(600-800m2/g)，本发明中优选粒径在0.05-20μm的非定形二氧化硅颗粒，具有高多孔、高亲水性、高表面积的特点。
优选的，使气凝胶、芳纶短切纤维的质量比为1：(0.25-1.5)，芳纶短切纤维、芳纶沉析纤维的质量比为1：(0.12-0.67)，按照重量比例将芳纶短切纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料和气凝胶水溶液浆料进行混合。
优选的，将配比好的混合浆料输送至造纸机流浆箱，在成形网上均匀沉积成形，经过造纸机烘缸烘干形成芳纶和气凝胶复合纸胚纸，造纸机选用圆网纸机、斜网纸机、长网纸机中的任意一种。
优选的，设定热轧机轧辊的温度、压力和轧速，将烘干后的芳纶和气凝胶复合纸胚纸用热轧机在高温下固化并致密成具有所需厚度和性能的成品纸。使其具备阻燃、绝缘、高隔热(低导热)的功能，并且具备较好的抗张强度和杜绝表面颗粒脱离的功能。
优选的，分别制作两个或更多的、更轻的、更薄的芳纶和气凝胶复合纸胚纸，然后固化在一起并合并成一层。根据实际需求制作功能更强的芳纶和气凝胶复合纸。
本发明的有益效果如下：
本发明中，选用细度为0.8-1.5D，长度为1-3mm的芳纶短切纤维制备芳纶短切纤维浆料，提高纸张的拉伸强度，选用长度在0.1-0.50mm，宽度在10-20μm的片膜状芳纶沉析纤维制备芳纶沉析纤维浆料，有助于提供芳纶短切纤维之间的结合，提高纸张拉伸强度的同时改善纸张的绝缘性能，选用粒径在0.05-20μm的非定形二氧化硅颗粒制备气凝胶水溶液浆料，具有高多孔、高亲水性、高表面积的特点，最后将制备好的芳纶沉析纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料和气凝胶水溶液浆料浆料按比例制备芳纶和气凝胶的混合液，通过造纸机与热轧机制成芳纶和气凝胶复合纸作为绝缘材料，去制造火焰屏障和阻燃屏障，其具备阻燃、绝缘、高隔热(低导热)的功能，并且具备较好的抗张强度和杜绝表面颗粒脱离的功能，同时也解决了在使用绝缘材料在制造或使用火焰屏障和阻燃屏障时，过程中都会出现颗粒剥离脱落的倾向的问题。
附图说明
图1为本发明的芳纶气凝胶复合纸的结构示意图；
图2为本发明的芳纶气凝胶复合纸的流程框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图2所示，本发明实施例提供了一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法，包括以下步骤：
Sp1：选用间位芳纶短切纤维或对位芳纶短切纤维中的任意一种，制备芳纶短切纤维浆料；
Sp2：选用片膜状沉析纤维来制备芳纶沉析纤维浆料；
Sp3：选用非定形二氧化硅颗粒来制备气凝胶水溶液浆料浆料；
Sp4：将芳纶短切纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料和气凝胶水溶液浆料浆料按比例制备芳纶和气凝胶的混合液；
Sp5：通过造纸机使芳纶和气凝胶复合纸成形；
Sp6：通过热轧机对成形的芳纶和气凝胶复合纸热压固化。
选用细度为0.8-1.5D的芳纶短切纤维，选用的芳纶短切纤维的长度为1-3mm，将选用的芳纶短切纤维在水中分散疏解，制成质量浓度为0.3-0.8％的芳纶短切纤维浆料。芳纶短切纤维是间位芳纶短切纤维或对位芳纶短切纤维中的任意一种，芳轮纤维的直径在成形过程中对纸张结构中孔隙的分布和尺寸都有影响，而这些空隙是设计用于捕获气凝胶的结构。细度大于1.5D的芳纶短切纤维在纸中产生不理想的高孔径，最终可能导致纸中形成大孔，使气凝胶粉在造纸过程中很容易被冲走。此外，细度小于0.8D或长度小于1mm的芳纶短切纤维会导致纸张的抗拉强度很低，而更高的芳纶短切纤维长径比有助于提高纸张拉伸强度，因此本发明选用细度为0.8-1.5D，长度为1-3mm的芳纶短切纤维。芳纶沉析纤维选用片膜状沉析纤维，长度在0.1-0.50mm，宽度在10-20μm，将选用的片膜状芳纶沉析纤维在水中分散疏解，盘磨直至叩解度为50-65SR，制成质量浓度为1.0-2.0％的芳纶沉析纤维浆料。片膜状沉析纤维作为类似于粘接剂的作用，有助于提供芳纶短切纤维之间的结合，提高纸张拉伸强度的同时改善纸张的绝缘性能，因此本发明中的芳纶沉析纤维选用片膜状沉析纤维。
气凝胶选用粒径在0.01-50μm的非定形二氧化硅颗粒。优选粒径在0.05-20μm的非定形二氧化硅颗粒，将气凝胶在水中分散疏解，制成质量浓度为0.5-1.0％的气凝胶水溶液浆料浆料。非定形二氧化硅颗粒的化学性质与普通的气相硅产物相似，但具有较大的骨料尺寸、较高的表面积和较大的孔隙体积，包括较高的孔隙率(>95％)，较低的密度(0.03-0.1g/cm3)，较小平均孔径(20nm)、较低的导热系数(0.017-0.022W/mK)、较高的比表面积(600-800m2/g)，本发明中优选粒径在0.05-20μm的非定形二氧化硅颗粒，具有高多孔、高亲水性、高表面积的特点。
使气凝胶、芳纶短切纤维的质量比为1：(0.25-1.5)，芳纶短切纤维、芳纶沉析纤维的质量比为1：(0.12-0.67)，按照重量比例将芳纶短切纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料和气凝胶水溶液浆料进行混合。将配比好的混合浆料输送至造纸机流浆箱，在成形网上均匀沉积成形，经过造纸机烘缸烘干形成芳纶和气凝胶复合纸胚纸，造纸机选用圆网纸机、斜网纸机、长网纸机中的任意一种。
设定热轧机轧辊的温度、压力和轧速，将烘干后的芳纶和气凝胶复合纸胚纸用热轧机在高温下固化并致密成具有所需厚度和性能的成品纸。使其具备阻燃、绝缘、高隔热(低导热)的功能，并且具备较好的抗张强度和杜绝表面颗粒脱离的功能。
分别制作两个或更多的、更轻的、更薄的芳纶和气凝胶复合纸胚纸，然后固化在一起并合并成一层。根据实际需求制作功能更强的芳纶和气凝胶复合纸。
本发明的工作原理：
本发明中，首先将细度为1.5D、直径为3mm的芳纶短切纤维在水中分散疏解成浆料，制成质量浓度为0.5％的芳纶短切纤维浆料；然后将长度为0.5μm、宽度15μm片膜状芳纶沉析纤维在水中分散疏解，盘磨直至叩解度为50-65SR，制成质量浓度为1.0％的芳纶沉析纤维浆料；再将粒径为15μm的非定形二氧化硅气凝胶在水中分散均匀，制成质量浓度为0.5％的气凝胶水溶液浆料浆料；依次按照芳纶短切纤维、芳纶沉析纤维、气凝胶的质量比例为40：10：50将芳纶短切纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料和气凝胶水溶液浆料进行混合；然后按照200g/m2的克重设计，将配比好的混合浆料输送至斜网纸机流浆箱，在成形网上均匀沉积成形，经过斜网纸机烘缸烘干形成芳纶和气凝胶复合纸胚纸，并且将胚纸经真空箱、湿压榨进一步脱去水分，再经过纸机干燥部，脱去大部分水分，将烘干后的芳纶和气凝胶复合纸胚纸用热轧机在高温下固化并致密成具有所需厚度和性能的成品纸，胚纸在轧辊温度为250℃，压力为4MPa，轧速为10m/mi n条件下高温压光成型，得到厚度为0.82mm的芳纶-气凝胶复合纸成品，该成品表面光滑、无颗粒脱离，其拉伸强度达到4.3MPa、介电强度20.4kv/mm、导热系数0.051W/mK。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
Sp1：选用芳纶短切纤维制备芳纶短切纤维浆料；
Sp2：选用片膜状沉析纤维来制备芳纶沉析纤维浆料；
Sp3：选用非定形二氧化硅颗粒来制备气凝胶水溶液浆料浆料；
Sp4：将芳纶短切纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料和气凝胶水溶液浆料浆料按比例制备芳纶和气凝胶的混合液；
Sp5：通过造纸机使芳纶和气凝胶复合纸成形；
Sp6：通过热轧机对成形的芳纶和气凝胶复合纸热压固化。
2.根据权利要求1所述的一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法，其特征在于：所述芳纶短切纤维选用的细度为0.8-1.5D，长度为1-3mm，所述芳纶短切纤维在制备芳纶短切纤维浆料时需要在水中分散疏解，所述芳纶短切纤维浆料制成的质量浓度为0.3-0.8％。
3.根据权利要求1所述的一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法，其特征在于：所述芳纶沉析纤维选用片膜状沉析纤维，且长度在0.1-0.50mm，宽度在10-20μm，所述片膜状芳纶沉析纤维在制备芳纶沉析纤维浆料时需要在水中分散疏解，所述片膜状芳纶沉析纤维在水中疏散后经盘磨直至叩解度为50-65SR，所述芳纶沉析纤维浆料制成的质量浓度为1.0-2.0％。
4.根据权利要求1所述的一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法，其特征在于：所述气凝胶选用粒径在0.01-50μm的非定形二氧化硅颗粒。
5.根据权利要求4所述的一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法，其特征在于：所述气凝胶选用粒径在0.05-20μm的非定形二氧化硅颗粒，所述非定形二氧化硅颗粒在制备气凝胶水溶液浆料时需在水中分散疏解，所述气凝胶水溶液浆料制成的质量浓度为0.5-1.0％。
6.根据权利要求2-5任一所述的一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法，其特征在于：所述气凝胶和芳纶短切纤维的质量比为1：0.25-1：1.5，所述芳纶短切纤维、芳纶沉析纤维的质量比为1：0.12-1：0.67，所述芳纶短切纤维浆料、芳纶沉析纤维浆料和气凝胶水溶液浆料按照重量比例进行混合制成混合浆料。
7.根据权利要求6所述的一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法，其特征在于：配比好的所述混合浆料输送至造纸机流浆箱，且在成形网上均匀沉积成形，经过造纸机烘缸烘干形成芳纶和气凝胶复合纸胚纸，造纸机选用圆网纸机、斜网纸机、长网纸机中的任意一种。
8.根据权利要求7所述的一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法，其特征在于：所述热轧机将烘干后的芳纶和气凝胶复合纸胚纸在高温下固化并致密成具有所需厚度和性能的成品纸。
9.根据权利要求8所述的一种芳纶和气凝胶复合纸及其制备方法，其特征在于：所述芳纶和气凝胶复合纸胚纸设有多个，多个所述芳纶和气凝胶复合纸胚纸固化在一起并合并成一层。
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2023
- 2023-07-14 CN CN202310869024.XA patent/CN116905271A/zh active Pending
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