玄武岩纤维的分散及其对纸基材料性能的影响

宋顺喜， 张 帅， 张美云， 刘馨茗，李芳芳， 梁梦微， 李 静

(陕西科技大学 轻工科学与工程学院 轻化工程国家级实验教学示范中心 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021)

0 引言

玄武岩纤维是由天然玄武岩石经破碎、高温熔融后，采用拉丝工艺制得的一类高性能无机纤维，因其具有优异的耐高温和耐低温性能、优良的电绝缘性能、以及良好的力学性能和化学稳定性，在防火隔热、高温过滤、过滤环保、建筑建材、电子技术、电工绝缘等领域具有广泛的应用前景[1-3].此外，玄武岩是火山熔岩的主要成分，在地球上储量丰富，且纤维价格相对低廉，制备过程中无有害气体和固废排放，因而是一种绿色环保的高性能纤维.

玄武岩纤维的优异特性使其可作为造纸工业的纤维原料用于制备性能优异的纸基功能材料.纸基绝缘材料作为纸基功能材料的重要分支，通常是以植物纤维、合成纤维或矿物材料为主要原料，采用现代造纸湿法成形技术制备的一类介电性能优异的绝缘材料.纸基绝缘材料具有质量轻、密度小、易加工等优势，广泛应用于牵引电机、高压输电设备以及电器电子、家电、新能源等领域.

然而，玄武岩纤维主要化学成分为SiO2、Al2O3等，纤维表面带负电，且易产生静电，导致纤维相互缠绕、沉降速度快，纤维难以分散，最终造成纸张匀度较差，影响材料的综合性能.刘造芳等[10]采用浓盐酸通过响应面法对玄武岩纤维分散性进行优化，当盐酸改性时间为14 h，改性温度为53.4 ℃时，纤维悬浮液的分散度可达84%，然而实验时间较长，且对纤维损伤大.此外，也有通过添加分散剂[11]或采用Valley打浆机[12,13]等方式改善无机纤维的分散性，但也存在对纤维的滤水或纤维形态造成损伤的缺陷.

为此，实验首先研究了pH值对玄武岩纤维分散特性的影响，在此基础上探究了玄武岩纤维/植物纤维配比对纸基材料性能的影响，以期为拓展玄武岩纤维在纸基绝缘材料领域的应用提供参考.

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

1.1.1 主要原料

玄武岩短切纤维，长度4 mm，直径11μm；盐酸，36%～38%，分析纯；本色绝缘木浆，由四川某企业提供.本色绝缘木浆经PFI磨浆机磨浆处理，打浆度40 °SR.

1.1.2 主要仪器

标准纤维疏解机，型号ZQS4，Lorentzen & Wettre公司；PFI磨浆机，型号DCS-041P，日本KRK公司；纸页成形器，型号ZQJ-B，陕西科技大学机械厂；纸页压榨机，型号TD11-H，咸阳通达轻工设备有限公司；厚度仪，型号DC-HJ Y03，四川长江造纸机械厂；抗张强度测定仪，型号SE-062，Lorentzen&Wettre公司；光学显微镜，型号MMDICH-30；扫描电子显微镜，VEGA 3 SBH，捷克TESCAN公司.

1.2 酸处理玄武岩纤维悬浮液及其分散性能表征

1.2.1 不同pH值纤维悬浮液的制备

2.3.7 病虫害防治：抓好病虫害防治是培育优质苗木的关健措施，重点在防，及时在治，从苗圃地整地开始，使用辛硫磷之内农药撒入土壤中，对蝉类害虫若虫孵化初期喷洒48%乐斯本乳油3000倍液防治，甲类害虫初孵幼虫期喷洒1.8%爱福丁乳油2000倍液防治，蚧类害虫初孵若虫盛期喷洒95%蚧螨灵乳剂400倍液，对菌类防治要结合剪枝，在扦插苗栽植后用70%甲基托布津700倍液喷洒一遍，防治扦插苗剪口菌类感染；当新梢长到10cm左右时保留主干去除其它新梢后用退菌特600倍液喷洒一遍。

对玄武岩纤维在不同的pH值条件下进行处理.称取2.0 g玄武岩纤维，配置为浓度为0.4%的悬浮液，并采用盐酸或氢氧化钠调节至pH值为2、3、4、5、6后，用疏解机疏解20 000 r迅速倒入1 000 mL量筒内并搅拌均匀.

1.2.2 纤维分散性表征

以纤维倒入量筒后作为计时起点，观察玄武岩纤维在水中的沉降情况，拍摄不同时间下纤维在水中的分散状态.由于纤维分散完成到纸张抄造过程中时间很短，因此，采用数码相机拍摄了纤维悬浮液在t=0 s和t=20 s时玄武岩纤维的分散状态，通过直观对比，判断分散效果.

1.3 玄武岩纤维纸基复合材料的制备

纸基复合材料的定量为60 g/m2，根据纸张定量要求，将分散后的玄武岩纤维与绝缘浆按照不同配比在纤维疏解机中疏解20 000 r后，迅速倒入纸页成形器中抄造成形，在0.55 MPa压力下压榨4 min，在105 ℃下干燥4 min后，得到玄武岩纤维纸基复合材料.

1.4 纸基复合材料性能检测

纸张定量和紧度按照国家标准GB/T451.2-2002和GB/T 451.3-2002进行检测和计算；纸张的抗张指数按照国家标准GB/T 12914-2008检测计算；纸张的耐压强度采用全数显耐压测试仪进行测定.

2 结果与讨论

2.1 pH值对玄武岩纤维分散性能的影响

玄武岩纤维在不同pH值条件下疏解对纤维分散性能的影响如图1所示.与未分散的纤维相比，疏解后，纤维的分散性得到改善.采用盐酸将纤维悬浮液调至不同pH值并疏解后，与未经酸处理的样品(pH=7.59)相比，纤维在水中分布的均一性可得到进一步改善.实验过程中发现，将纤维悬浮液pH值调节至4左右时进行疏解，玄武岩纤维不仅沉降速度慢，而且在水中纤维絮团少，分布均一，分散效果较佳.

图1 pH值对玄武岩纤维悬浮液的 分散效果的影响

玄武岩纤维作为一种无机纤维，纤维表面光滑(如图2所示)，其化学成分与玻璃纤维相似，SiO2是纤维的主要成分，而SiO2和Al2O3的含量占60%～80%.纤维中含有铁的氧化物，导致玄武岩纤维的密度比玻璃纤维略高，为2.6～2.8 g/cm3.在纤维静置沉降过程中，纤维会快速沉降，所有样品在2 min内其沉降体积不再发生变化.因此，采用玄武岩纤维造纸时，在浆料制备和流送系统需对纤维采用合理的机械和化学分散工艺，避免纤维沉降，影响成纸质量.

图2 玄武岩纤维的表面形貌

目前，表征纤维分散程度的方法中，分散度法操作简便，因而使用较多[10,14].然而，纤维沉降时间与实际造纸生产过程浆料输送与贮存过程不同，并不能完全反映出纤维分散状态的好坏.浆料分散完成后至上网过程中时间较短，因此实验仅采用直接观察法来判断纤维分散性能.

玄武岩纤维表面含有大量的SiO-和AlO-，且电荷分布不均匀，它们会吸附水中的H+，从而使纤维表面极化，使纤维表现出电负性，从而导致纤维之间产生静电，纤维相互缠绕[15].向溶液中引入H+可有效中和溶液中的负电荷，改善表面电荷的均匀度，去掉碱性点，使纤维表面特性变成更加均匀的酸性.当溶液pH值大于5时，H+不能完全中和实验所用纤维表面的负电荷，纤维之间仍会团聚，且分散效果不稳定；当pH值过低时，溶液本身的黏度也会影响纤维的分散[16]，因此分散玄武岩纤维的pH值控制在4左右较为合适.在疏解过程中产生的剪切力有利于纤维分散，另一方面加入的酸有利于加快电荷的中和，防止纤维团聚，因此效果较为理想.此外，与采用高浓度的酸改性玄武岩纤维[10]不同，实验仅对不同pH值下的纤维悬浮液进行疏解，酸与玄武岩纤维接触的时间较短.由图3所示不同pH值悬浮液中纤维形态可以看出，酸处理并未对玄武岩纤维表面造成明显的损伤.

(a)pH=2.42 (b)pH=4.38

(c)pH=7.59图3 不同pH值条件下玄武岩纤维表面 的光学显微镜图(400×)

2.2 玄武岩纤维/植物纤维配比对纸基材料性能的影响

2.2.1 紧度

玄武岩纤维含量对纸张紧度的影响如图4所示.与100%绝缘浆抄造的纸张(即玄武岩纤维含量为0时)相比，随着玄武岩纤维含量的增加，纸张紧度呈线性下降趋势(R2=0.954 7)，其主要原因是玄武岩纤维为无机纤维，纤维刚性强、脆性较大且纤维之间无类似于植物纤维之间大量的氢键结合，因而所形成的纸张结构中，玄武岩纤维之间无规则搭接，从而提高了纸张孔隙率.通常，紧度降低，纸张的透气度和挺度均会提高，同时由于玄武岩纤维本身具有良好的耐温性，因此玄武岩纤维也可部分替代制造箱板纸的植物纤维组分，提高纸张挺度和耐温性.

图4 玄武岩纤维含量对纸张紧度的影响

2.2.2 抗张指数

玄武岩纤维含量对纸张抗张强度的影响如图5所示.由图5可知，采用玄武岩纤维替代植物纤维会显著降低纸张的强度性能.当玄武岩纤维含量为30%时，纸张抗张指数降低49.1%；而当玄武岩纤维含量为80%时，纸张虽能成形，但强度已无法测出.一般而言，纸张的强度主要来源于纤维氢键结合[17]，而玄武岩纤维作为无机纤维，表面光滑且纤维刚性大，玄武岩纤维之间的结合力很弱[18,19]，因此，采用100%无机纤维造纸时通常会加入胶粘剂以增加纤维结合.

当玄武岩纤维与植物纤维配抄时，玄武岩纤维通过位阻效应破坏植物纤维之间的氢键结合，导致纸张强度显著降低.从另一角度看，若以玄武岩纤维为主造纸时，植物纤维可以作为玄武岩的增强纤维，从而改善纸张强度.因此，若不添加胶粘剂或者增强剂，当玄武岩与植物纤维配比使用时，建议纤维添加不超过50%.同时，为充分发挥玄武岩纤维的优势，未来应在玄武岩纤维纸的增强方面开展大量研究.

图5 玄武岩纤维含量对纸张抗张指数的影响

2.2.3 击穿强度

玄武岩纤维含量对纸张绝缘性能的影响如图6所示.由图6可知，当浆料中玄武岩纤维含量为20%时，纸张的击穿强度降低29.2%.随着玄武岩纤维含量增加，纸张击穿强度缓慢下降.玄武岩纤维纸基材料的击穿强度不仅取决于纤维本身的介电性能，同时还与纸张结构密切相关.玄武岩纤维的表面电阻率和体积电阻率分别高于1011 Ω·m 和1014 Ω·m，具有较好的电绝缘性.然而，由图4可知，当玄武岩纤维与植物纤维配抄制备纸基材料时，纸张紧度随着无机纤维含量增加而降低，导致纸张内部孔隙率提高.当纸张受到电击穿时，电子容易通过孔隙而穿过纸张，因此，随着玄武岩纤维含量的增加，纸张绝缘性能下降.

图7纸张紧度和击穿强度的关系也说明添加玄武岩纤维导致的紧度降低是影响纸基材料绝缘性能的主要因素.因此，采用玄武岩纤维制造绝缘材料时，应通过热压或者添加增强剂以提高材料紧度，从而改善材料的绝缘性能.

图6 玄武岩纤维含量对纸张 击穿强度的影响

3 结论

(1)针对玄武岩纤维湿法成形过程中分散性差的问题，采用盐酸处理结合机械疏解的方法可有效改善玄武岩纤维在水中的分散性，当pH值为4.38时，玄武岩纤维的分散性能最佳.

(2)玄武岩作为耐温性能优异的高性能纤维，提高其含量可降低成纸紧度，有利于提高纸张挺度；随着玄武岩纤维含量提高，纸张抗张强度和击穿强度均有所下降，当玄武岩纤维含量小于50%时，纸张强度可满足基本加工和使用需求.

同时发现，添加玄武岩纤维导致纸张紧度的降低是造成纸张绝缘性能下降的主要原因.因此，将玄武岩纤维与植物纤维配抄时，应结合纸张性能需求和用途确定其合适添加量.