纳米纤维素增强芳纶云母纸性能的研究

党婉斌 陆赵情,* 王腊梅 胡文静 丁 威

(1.陕西科技大学轻工科学与工程学院,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.浙江仙鹤股份有限公司,浙江衢州,324022)

·芳纶云母纸增强·

纳米纤维素增强芳纶云母纸性能的研究

党婉斌1陆赵情1,*王腊梅1胡文静1丁 威2

(1.陕西科技大学轻工科学与工程学院,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.浙江仙鹤股份有限公司,浙江衢州,324022)

为了改善芳纶云母纸成纸性能,研究了添加纳米纤维素(NFC)对芳纶云母纸性能的影响；同时采用单因素控制法确定NFC用量和超声波处理NFC对芳纶云母纸性能的影响,得到优化的工艺条件；并探究NFC增强芳纶云母纸的机理。结果表明,NFC添加量为10%(NFC∶芳纶∶云母=1∶2∶7)时,相比空白样，纸张抗张强度增加了447.6%，介电强度增加了6.3%；超声波处理NFC的最佳条件为：超声波功率1000 W,处理时间15 min,NFC初始浓度1.5%；相对于未经超声波处理的NFC,超声波处理NFC的NFC-芳纶云母纸的抗张强度增加了197.2%,介电强度增加了26.9%。NFC的加入填充了芳纶云母纸表面及内部的空隙,又在一定程度上减少了芳纶纤维的用量。

NFC;芳纶纤维;NFC-芳纶云母纸;超声波处理

(*E-mail: luzhaoqing@sust.edu.cn)

芳纶云母纸是芳香族聚酰胺纤维与云母直接结合的一种新型纸基材料,具有良好的电气性能、机械加工性能和耐热性能,因此被广泛应用于中型高压电机和变压器中。芳纶云母纸是由云母鳞片、芳纶短切纤维和芳纶沉析纤维湿法成形得到[1-3]。芳纶纤维的加入赋予了纯云母纸良好的机械性能,但由于云母鳞片和芳纶纤维都属于表面惰性较强的材料,在一定程度上影响了云母与纤维的结合,造成芳纶云母纸结构疏松[4-7]。纳米纤维素(NFC)是一种高强度、高模量的新型纤维材料,同时具有较高比表面积,对复合材料的机械强度、模量、热稳定性和热膨胀性等均有明显的改善作用,被广泛应用于增强复合材料、吸附材料、过滤材料、生物医药材料等领域[8-10]。为了进一步提高芳纶云母纸的机械强度,改善其绝缘性能,本研究采用NFC作为增强材料,与芳纶纤维和云母混抄制备NFC-芳纶云母纸。

本研究分析了芳纶纤维和NFC的配比以及超声波处理NFC对NFC-芳纶云母纸的抗张性能和介电性能的影响,同时探究了NFC-芳纶云母纸的成纸机理,以期获得性能优良的NFC-芳纶云母纸。

1 实 验

1.1 实验原料

1.1.1 原料与试剂

白云母,有玻璃光泽、无色透明、表面光滑、表面活性基团多，由东方电机有限公司提供。

聚氧化乙烯(PEO)、十二烷基苯磺酸钠(LAS),由国药集团化学试剂公司提供。

1.1.2 芳纶纤维

对位芳纶短切纤维,平均长度为4～6 mm,玻璃化温度约为270℃；对位芳纶沉析纤维,平均长度为0.644～0.869 mm；均由河北硅谷化工有限公司提供。

1.1.3 纳米纤维素

纳米纤丝化纤维素(NFC),固含量为3.5%。

1.2 实验方法

1.2.1 芳纶短切纤维的预处理

配制十二烷基苯磺酸钠(LAS)溶液对芳纶短切纤维进行洗涤。有文献表明[11],LAS的洗涤效果在临界胶束浓度(CMC)时最好。为了进一步增强LAS洗涤效果,把LAS粉末溶解在60℃的热水中并配制成浓度为1.2 mmol/L的溶液(CMC≈1.2 mmol/L,60℃),然后浸泡、搅拌洗涤芳纶短切纤维约30 min,最后用清水冲洗干净,撕碎后干燥备用。

1.2.2 NFC的超声波处理

取计算量的NFC,配置成溶液,分别控制单因素变量和超声波处理时间、超声波功率、纤维素(溶液的)初始浓度,探究超声波处理条件对NFC分散性的影响。为避免实验过程中溶液温度过高影响实验结果，实验要在冰水浴条件下进行。

1.2.3 NFC-芳纶云母纸的成形

NFC-芳纶云母纸的定量为100 g/m2,固定纤维用量为30%,其中NFC与芳纶纤维的配比分别是0∶30%,5%∶25%,10%∶20%,15%∶15%。首先,将NFC在一定条件下进行超声波处理备用；其次,将芳纶短切纤维放入标准纤维解离器中分散,加入用量0.5%的PEO作为分散剂,疏解20000转之后加入芳纶沉析纤维共同疏解3000转,之后加入云母鳞片疏解1000转得到混合溶液；最后,分别将NFC悬浮液和混合溶液加入到纸页成型器中,成形得到湿纸幅,压榨4 min,并在105℃条件下烘干5～10 min。

1.3 实验仪器

S260标准纤维解离器,JY99-IIDN超声波细胞粉碎机,BBS-3纸页成型器,TD11-H纸页压榨机,DC-HJY03电脑测控厚度紧度仪,L&WSE- 062抗张强度测试仪,S- 4800扫描电子显微镜(SEM),TH2817LCR数字电桥。

2 结果与讨论

2.1 NFC和芳纶纤维配比对NFC-芳纶云母纸性能的影响

实验中纤维与云母的配比为3∶7,通过改变NFC的添加量,从而改变云母与芳纶纤维的配比,并抄造NFC-芳纶云母纸。

图1为NFC添加量对NFC-芳纶云母纸性能的影响。由图1可以看出,随着NFC添加量的增加,NFC-芳纶云母纸的抗张强度和介电强度均有所提高。当加入NFC后,由于NFC表面具有丰富的游离羟基、长径比大、比表面积大,纤维间易交织形成网络结构,增加氢键的形成,增强纤维间的结合力[12],因此添加NFC可提高纸张的抗张强度；NFC纤维较细,易将芳纶纤维和云母包裹起来形成较紧密的网状结构,在一定程度上有利于成纸的介电强度和机械性能的改善。实验结果表明,当NFC的添加量为10%时,纸张抗张强度为0.78 N/mm，相比空白样增加了447.6%；介电强度为8.45 kV/mm，相比空白样增加了6.3%，NFC-芳纶云母纸的机械性能与绝缘性能达到最优。

图1 NFC添加量对NFC-芳纶云母纸性能的影响

2.2 超声波处理NFC对NFC-芳纶云母纸性能的影响

实验研究了超声波处理NFC对NFC-芳纶云母纸的影响,主要采用单因素控制法研究超声波处理时间、超声波功率和NFC初始浓度3个因素对NFC-芳纶云母纸性能的影响,实验结果见图2。

云母和芳纶纤维都属于表面惰性较强的材料,且芳纶纤维表面比较光滑,因此,在形成芳纶云母纸时,两种材料间的结合力较小,使得成纸的强度性能较差[4-7]。加入NFC可填充芳纶云母纸中的空隙,但是由于NFC自身表面活性大,很难分散,在纸张成形过程中会产生絮聚,从而影响成纸性能。超声波处理过程中,NFC受空化作用均匀分散在水溶液中[13],形成稳定的悬浮液,有利于在纸张成形过程中很好地分散于云母和芳纶纤维中,进一步填充了纸张内部的空隙,同时对芳纶云母也起到包覆作用,从而提高了纸张的介电性能。另一方面,NFC经超声波处理后,NFC-芳纶云母纸的厚度从0.163 mm降低0.151 mm,纤维彼此之间的距离减小,增加氢键结合,从而提高纤维间结合力,纸张机械性能提高。实验结果表明,NFC超声波处理的最佳条件为：超声波功率1000 W,处理时间15 min,NFC初始浓度为1.5%,此时，NFC-芳纶云母纸的性能最优。相对于未超声波处理的NFC，经超声波处理的NFC，其NFC-芳纶云母纸的抗张强度提高了197.2%,介电强度提高了26.9%。

图2 超声波处理NFC对NFC-芳纶云母纸性能的影响

图3 不同芳纶云母纸的SEM图

2.3 NFC-芳纶云母纸成纸综合分析

2.3.1 成纸结构分析

图3为不同芳纶云母纸的SEM图。由图3(a)分析可得出,芳纶云母纸是芳纶短切纤维将云母和芳纶沉析纤维连结在一起、芳纶沉析纤维附在云母鳞片表面和形成的空隙之中,利用芳纶短切纤维和芳纶沉析纤维的共同作用提高云母纸的性能,但是由于芳纶短切纤维及云母的表面特性,纸张表面仍有空隙,间接影响芳纶云母纸的整体性能；加入10% NFC之后的NFC-芳纶云母纸如图3(b)所示,纸张中空隙明显减少,表面趋于平整光滑,但可看出纸张少数部分空隙仍未被覆盖,主要是NFC分散效果不好,容易在纸张形成过程中絮聚；从图3(c)及其局部放大图3(d)分析可得出,超声波处理的NFC分散效果较好,可以搭接在芳纶纤维和云母表面并交织成网络结构,同时NFC自身细小以及独特的网络结构使其吸附力较大,更易黏结在云母和芳纶纤维表面,形成更紧密的结构,从而使成纸整体性能得到优化。

2.3.2 成纸性能对比

不同芳纶云母纸的抗张强度和介电强度性能变化如表1和图4所示。

表1 不同芳纶云母纸性能检测数据汇总

图4 不同芳纶云母纸的抗张强度和介电强度对比图

3 结 论

采用纳米纤维素(NFC)作为增强材料，与芳纶纤维和云母混抄制备NFC-芳纶云母纸。

3.1 NFC的添加显著提高了纸张的抗张强度和介电强度。当NFC添加量为10%时,纸张抗张强度为0.78 N/mm,相比空白样增加了447.6%；纸张介电强度为8.45 kV/mm,相比空白样增加了6.3%。

3.2 超声波处理NFC的工艺条件为：超声波功率为1000 W,处理时间为15 min,纤维素初始浓度为1.5%时,NFC-芳纶云母纸的性能最优。相比于添加未经超声波处理的NFC,纸张的抗张强度增加了197.2%,介电强度增加了26.9%。

3.3 NFC的加入,主要填充芳纶云母纸表面及内部的空隙,超声波处理NFC之后,NFC可在芳纶纤维和云母表面交织成网络结构,进一步填充纸张的空隙,提高了NFC-芳纶云母纸的介电性能及机械性能。同时,在一定程度上减少了芳纶纤维的用量。

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(责任编辑：常 青)

Enhancement of the Performances of Aramid-mica Paper by Adding NFC

DANG Wan-bin1LU Zhao-qing1,*WANG La-mei1HU Wen-jing1DING Wei2

(1.CollegeofBioresourcesChemicalandMaterialsEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,ShaanxiProvinceofKeyLabofPaperTechnologyandSpecialtyPaper,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021;2.ZhejiangXianheCo.,Ltd.,Quzhou,ZhejiangProvince, 324022)

In order to improve the performance of aramid-mica paper, the effect of adding NFC on aramid-mica paper properties was studied.At the same time, optimized process including the amount of NFC and the treatment condition of ultrasonic treated NFC was determined by using single factor control method.Finally, the mechanism of NFC enhancing aramid-mica paper was discussed.The study showed that when the adding amount of 10% NFC (NFC∶aramid∶mica=1∶2∶7), the mechanical and electrical properties of aramid-mica paper were increased 447.6% and 6.3% respectively compared with the control sample.At the same time using ultrasonic treated NFC as substitute of the untreated one, the tensile strength and electrical strength of the composite paper increased by 197.2% and 26.9% respectively compared with the paper using untreated NFC.The condition of ultrasonic treatment of NFC were as followed: power of ultrasonic 1000 W, treatment time 15 min, NFC consistency of 1.5%.Finally, the addition of NFC not only filled paper surface and internal space, but to a certain extent, improved the overall performance of aramid-mica paper．

NFC； aramid fiber； mica composite paper； ultrasonic

党婉斌女士,在读硕士研究生；主要从事高性能纤维及其纸基功能材料方面的研究。

2017- 02- 07(修改稿)

TS761;TQ34+.7

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.05.004

*通信作者：陆赵情,博士，教授；研究方向：高性能纤维及其纸基功能材料。