芳纶短切纤维-芳纶浆粕增强云母纸性能的研究

王腊梅 陆赵情,* 张美娟 丁 威 魏 宁 郝 杨

(1.陕西科技大学轻工与能源学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安,710021；2.浙江仙鹤特种纸有限公司,浙江衢州,324022)



·云母纸·

芳纶短切纤维-芳纶浆粕增强云母纸性能的研究

王腊梅1陆赵情1,*张美娟2丁 威2魏 宁1郝 杨1

(1.陕西科技大学轻工与能源学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安,710021；2.浙江仙鹤特种纸有限公司,浙江衢州,324022)

为了提高云母纸性能,研究了在CPAM改性剂作用下添加芳纶短切纤维和芳纶浆粕对云母纸性能的影响。采用单因素实验确定了芳纶纤维用量及配比、CPAM改性条件以及丁苯胶乳用量对云母纸性能的影响。实验结果表明,芳纶短切纤维和芳纶浆粕在总用量7%、配比为2∶5时,可改善云母纸的机械性能和电气性能；使用CPAM对云母鳞片进行改性,当改性时间30 min、改性浓度12%、改性剂CPAM用量1%时,芳纶云母复合纸的抗张强度较纯云母纸提高了315.8%,介电强度提高45.6%；丁苯胶乳用量为5%时,芳纶云母复合纸的抗张强度较CPAM改性芳纶云母复合纸的增加了123.9%,对其电气性能没有影响。

芳纶纤维；云母纸；CPAM；丁苯胶乳

(*E-mail： luzhaoqing@sust.edu.cn)

云母是一种天然生成的层状硅酸盐类矿物,具有优异的化学稳定性和耐高温性能。云母纸是一种利用碎云母资源,通过湿法抄造而形成的纸张,保持了云母优良的电气性能,是高级安全电缆、家电、航空航天等领域不可缺少的绝缘材料[1-2]。纯云母纸抄造成形主要依靠鳞片间的静电引力和范德华力,纸张强度低，不能直接应用,一般需加入胶黏剂或树脂,但过多的添加剂会降低云母纸优异的电气性能,少胶或无胶云母纸逐渐成为云母纸发展的方向[3- 6]。芳纶纤维是一种由苯环和酚胺键构成主链的有机化合物,具有优良的物理强度性能和电气绝缘性能,可作为云母纸基材料优良的增强纤维[7-10]。当前,国内对芳纶云母纸相关的研究较少,尚没有相关的产品,而国外已经开发出性能优异的芳纶云母复合纸,应用于有较高要求的电气绝缘领域[6]。因此芳纶纤维与云母鳞片通过合适的工艺进行复合，以提高云母纸材料的强度是新兴研究的热点。

本研究主要通过测试不同条件下抄造的芳纶云母复合纸的机械性能和电气性能,从而确定云母纸中芳纶短切纤维和芳纶浆粕的用量及其配比,阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)改性剂浓度、改性时间和用量,以及丁苯胶乳用量的最佳工艺参数,获得性能优良的芳纶云母复合纸,从而在保证云母纸优良的绝缘性能前提下提高纸张的机械强度,以延长材料的使用寿命和稳定性。

1 实 验

1.1 实验原料

1.1.1 云母原料及实验试剂

实验采用的是白云母,无色透明呈浅色,表面平整光滑,径厚比大,有良好的解理面,表面活性基团多，云母鳞片由东方电机有限公司提供的废云母纸疏解分散制得。

聚氧化乙烯(PEO)、CPAM、丁苯胶乳,均由国药集团化学试剂公司生产。

1.1.2 芳纶纤维

芳纶1414短切纤维,主要性能指标：平均直径12 μm,长度6 mm,玻璃化温度约270℃,相对分子质量约2.7万；芳纶1414浆粕,主要性能指标：纤维平均长度介于0.644～0.869 mm之间,纤维比表面积为7～9 m2/g。均由河北硅谷化工有限公司提供。

1.2 实验方法

1.2.1 芳纶云母复合纸的成形

芳纶云母复合纸定量115 g/m2。先将芳纶短切纤维放入纤维疏解机中,用量0.5%的PEO为分散剂,疏解20000转后加入打浆度为35°SR的芳纶浆粕,疏解3000转后加入废云母纸,混合疏解2000转后，立刻加入纸页成型器中抄造手抄片。经104℃干燥器进行干燥,干燥时间为10 min。

1.2.2 CPAM改性云母鳞片

配置质量分数为0.2%的CPAM溶液,在芳纶短切纤维和芳纶浆粕添加配比为2∶5、分散剂PEO用量0.5%条件下,研究改性浓度、改性剂CPAM用量及改性时间对芳纶云母复合纸性能的影响。CPAM改性过程在转速为200 r/min的搅拌下完成。

1.3 实验仪器

S260纤维疏解机,TD10-200纸页成型器,CS2672D全数显耐压测试仪,DC-HJY03电脑测控厚度紧度仪,062/969921抗张强度测试仪,S- 4800扫描电子显微镜(SEM)。

2 结果与讨论

2.1 芳纶短切纤维和芳纶浆粕配比对芳纶云母复合纸性能的影响

实验中芳纶纤维总用量为5%～8%,改变芳纶短切纤维和芳纶浆粕的配比,与云母混合抄造获得芳纶云母复合纸。

图1为云母纸及芳纶云母复合纸的SEM图。由图1可以看出,纯云母纸是依靠鳞片之间相互叠加而成形,鳞片之间结合力差,形成的孔隙多,导致云母纸力学性能低,难以直接应用。而芳纶云母复合纸利用芳纶短切纤维自身细又长的特点将云母鳞片与芳纶浆粕连在一起,为纸张提供骨架作用；同时芳纶浆粕比较柔软,易缠绕,附在云母鳞片表面及形成的孔隙之中,两种芳纶纤维的共同作用提高了云母纸的整体性能。

图1 云母纸及芳纶云母复合纸的SEM图

图2为芳纶短切纤维与芳纶浆粕配比对芳纶云母复合纸性能的影响。由图2可以看出,随着芳纶纤维总用量的增加,芳纶云母复合纸的介电性能和抗张强度都所提高,同时,云母纸性能的变化有些波动,主要表现为芳纶短切纤维和芳纶浆粕配比小于1∶1时,芳纶云母复合纸性能较好,同时因为添加芳纶短切纤维和芳纶浆粕,芳纶短切纤维比较长、强度高,可作芳纶云母复合纸的骨架物质,芳纶浆粕比较柔软,表面分丝帚化,将芳纶短切纤维和云母鳞片交联成整体使其结合更加紧密,两种纤维共同作用提高芳纶云母复合纸的整体性能,实验结果表明，芳纶纤维最佳用量为7%,芳纶短切纤维与芳纶浆粕最佳配比为2∶5。

图2 芳纶纤维配比对云母复合纸性能影响

2.2 CPAM改性云母

实验研究了改性剂CPAM对芳纶云母复合纸的影响,主要采用单因素控制法研究了CPAM用量、改性浓度和改性时间这3个因素对芳纶云母复合纸性能的影响,实验结果见图3。

图3 CPAM改性时间、CPAM用量、改性浓度对芳纶云母复合纸性能的影响

芳纶纤维属于有机合成纤维,其表面结晶度高,疏水能力强,同时云母属于无机硅酸盐类矿,鳞片表面光滑、疏水,两者复合时难以结合[11-13]。因此选用CPAM对云母鳞片表面进行适当的改性,其分子链可以固定在云母鳞片表面,在云母颗粒和纤维之间形成有机高分子链桥,有效地将云母鳞片和芳纶纤维连接在一起,提高复合材料的整体性,消除因为界面结合孔隙造成的复合材料缺陷。实验结果表明，在CPAM改性时间为30 min、改性浓度为12%、CPAM用量为1.0%时,芳纶云母复合纸性能最优,抗张强度相对于纯云母纸提高了315.8%,介电强度提高了45.6%。

2.3 添加丁苯胶乳

丁苯胶乳外观为白色乳状液,颗粒细小,耐碱性和耐水性良好,能生成强而韧的膜,且成膜的光泽度和平滑度较好,具有高黏合性,与纸基的结合力强,表面强度好,且丁苯胶乳有更好的胶体稳定性和保水性。

在CPAM最佳改性条件下获得改性云母鳞片，并以最佳配比的芳纶纤维形成混合浆料,分别添加用量1%、3%、5%、7%的丁苯胶乳黏结剂，实验研究丁苯胶乳用量对芳纶云母复合纸性能的影响,实验结果见图4。

图4 丁苯胶乳用量对芳纶云母复合纸性能的影响

图4结果表明，丁苯胶乳的加入可以提高芳纶云母复合纸的抗张强度，当丁苯胶乳用量为5%时，芳纶云母复合纸的抗张强度较CPAM改性芳纶云母复合纸的提高了123.9%,同时在一定用量内纸张的介电强度没有受到影响。丁苯胶乳通过黏结特性[14]将芳纶纤维和云母鳞片紧紧连接在一起,填补了云母鳞片与纤维之间的孔隙,使得芳纶云母复合纸结合得更加紧密,从而增强了纸张的表面强度,消除了纸张掉毛掉粉现象,但过量丁苯胶乳的加入,会影响到纸张的介电强度。所以丁苯胶乳的最佳用量为5%。

3 结 论

3.1 实验研究了添加芳纶纤维对云母纸性能的影响。实验结果表明，芳纶短切纤维和芳纶浆粕的加入可以提高芳纶云母复合纸的强度性能。当芳纶短切纤维与芳纶浆粕总用量为7%，且两者配比为2∶5时,芳纶云母复合纸的整体性能最佳。

3.2 利用阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)改性云母鳞片,以提高云母与芳纶纤维之间的界面结合力。实验结果表明，CPAM改性时间为30 min、改性浓度为12%、CPAM用量为1.0%时,芳纶云母复合纸性能最优,抗张强度相对纯云母纸提高了315.8%,介电强度提高45.6%。

3.3 为了提高芳纶云母复合纸的表面结合力,添加具有胶黏作用的丁苯胶乳。实验结果表明，丁苯胶乳用量为5%时,芳纶云母复合纸的抗张强度较CPAM改性芳纶云母复合纸的提高了123.9%,而电气性能没有受到影响。

[1] ZHAO Ren, YIN Lin, ZHAO Lian-ze, et al. Study on Chuzhou sericite minerals iron status[J]. Mineralogy, 2004, 24(3): 309.

赵 韧, 尹 琳, 赵连泽, 等. 滁州绢云母矿物中铁赋存状态的研究[J]. 矿物学, 2004, 24(3): 309.

[2] NIU Yan-ping. Study on Preparation and Mechanism of Silicate Mineral Polymer Composites[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2005.

牛艳萍. 硅酸盐矿物聚合物复合材料的制备及其机理的研究[D]. 武汉： 武汉理工大学, 2005.

[3] Christenson H K. Adhesion and Surface Energy of Micain Airand Water[J]. Journal of Physical Chemistry, 2002, 97(46)： 12034.

[4] ZHANG Xiao-wei. The Impact of Water Quality on the Strength Properties of Mica Paper[J]. China Pulp & Paper, 2011, 30(7)： 16.

张小伟. 水质对云母纸强度性能的影响[J]. 中国造纸, 2011, 30(7)： 16.

[5] WANG Guo-fang, OUYANG Sheng-lin. High temperature insulation crystal synthetic mica[J]. New Materials Industry, 2007, 11(3)： 42.

王国方, 欧阳胜林. 耐高温绝缘晶体合成云母[J]. 新材料产业, 2007, 11(3)： 42.

[6] ZHANG Xiao-wei. Study on the Manufacturing Technology and Enhanced Mechanism of Composite Mica Paper[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2011.

张小伟. 高性能复合云母纸的制造技术及增强机理研究[D]. 武汉： 武汉理工大学, 2011.

[7] ZHANG Mei-yun, YANG Bin, LU Zhao-qing. Study on the Performance of Aramid Paper[J]. China Pulp & Paper, 2012, 31(8)： 23.

张美云, 杨 斌, 陆赵情. 对位芳纶纸性能的研究[J]. 中国造纸, 2012, 31(8)： 23.

[8] LU Zhao-qing, ZHANG Mei-yun, WANG Zhi-jie, et al. Study on PEO application of aramid paper matrix composites[J]. Chemistry and Adhesion, 2006(6)： 385.

陆赵情, 张美云, 王志杰, 等. PEO在芳纶纸基复合材料开发中的应用研究[J]. 化学与粘合, 2006(6)： 385.

[9] RAO Y, Waddon A J, Farris R J. The evolution of strueture and properties in Polyfibers[J]. Polymers, 2001, 42(13)： 5925.

[10] LI Jin-bao. Research of aramid fiber paper-based materials[D].Xi’an: Shaanxi University of Science and Technology, 2005.

李金宝. 高性能芳纶纤维纸基材料的研究[D]. 西安： 陕西科技大学, 2005.

[11] LI Tong-qi, WANG Ni. Effect of Kevlar fiber and composite material performance factors and improving methods[J]. Polymer Materials Science and Engineering, 2003, 19(5)： 5.

李同起, 王 妮. 影响芳纶纤维及其复合材料性能的因素和改善方法[J]. 高分子材料学与工程, 2003, 19(5)： 5.

[12] ZHANG Su-feng, ZHU Guang-yun, ZHANG Mei-yun. TEM characterization of interface structure of Aramid fiber and pulp material[J]. China Pulp & Paper Industry, 2011, 32(14): 11.

张素风, 朱光云, 张美云. 芳纶纤维与浆粕材料界面结构TEM表征[J]. 中华纸业, 2011, 32(14)： 11.

[13] James W, Downing Jr, James A, et al. Charaeterization of structual changes in ther mall enhanced kevlar-29 fiber[J]. Applied Polymer Science, 2004, 91: 417.

[14] WANG De-zhi, LI Xiao-meng, XIE Yi-min.Development and Application of carboxyl SBR latex[J]. Guangdong Chemical Industry, 2009, 10(2)： 8.

(责任编辑：刘振华)

Improvement of Mica Paper Properties by Using Aramid Fibers

WANG La-mei1LU Zhao-qing1，*ZHANG Mei-juan2DING Wei2WEI Ning1HAO Yang1

(1.CollegeofLightIndustryandEnergy，ShaanxiUniversityofScience&Technology，ShaanxiProvinceofKeyLabofPaperTechnologyandSpecialtyPaper，Xi’an,ShaanxiProvince， 710021；2.ZhejiangXianheSpecialPaperCo.,Ltd.,Quzhou,ZhejiangProvince, 324022)

In order to improve the performance of mica paper, the effect of adding aramid fibers and modifing mica on the properties of the mica paper was studied. Using the method of controlling single-factor to determine the optimal process parameters such as the amount of aramid fiber and dosages of CPAM and SBR.The study results showed that when aramid fibers amount was 7% and the ratio of chopped aramid fibers and pulp fibers was 2%∶5%, the mechanical and electrical properties of the mica paper were improved; when mica flakes were modified with CPAM for 30min at the concentration of 12% and CPAM content of 1.0%, the tensile strength of the mica paper increased 315.8%. On the other hand, when styrene-butadiene latex amount was 5%, the tensile strength of the composite sheet increased 123.9% compared with that of the papers using modifed mica. Meanwhile, there was no effect on electrical properties.

aramid fiber； mica； CPAM； SBR

王腊梅女士,在读硕士研究生；主要研究方向：高性能纸基功能材料。

2015-10-29(修改稿)

陕西省教育厅产业化培育项目(15JF012)；陕西省科技厅科技新星专项(2015KJXX-34)；陕西省教育厅重点实验室项目(12JS018)。

陆赵情先生,E-mail：luzhaoqing@sust.edu.cn。

TS761.2

A DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.04.007