对位芳纶浆粕纤维的应用研究进展

2021-06-01于安军范志平靳高岭韩郡丰潘宏宇

高科技纤维与应用 2021年2期

于安军，范志平，靳高岭，韩郡丰，潘宏宇

(1.中芳特纤股份有限公司,山东东营 257345;2.中国化学纤维工业协会,北京 100027)

0 引言

对位芳纶纤维是由杜邦公司在1965年合成，并于1972年实现产业化，在我国称为芳纶1414。对位芳纶浆粕纤维(以下简称芳纶浆粕纤维)是芳纶经多次原纤化处理后得到的一种高度分散的差异化产品，纤维表面呈现毛绒状，主纤长度1.0～3.0 mm，直径10.0 μm，微纤长度0.1～2.0 μm，表面粗糙，纤维的轴向尾端呈针尖状[1-3]。芳纶浆粕纤维保留了芳纶优异的物理机械特性，如高强度、高模量、良好的热稳定性和化学稳定性，良好的耐磨性和高绝缘性，与短纤维相比，它的比表面积更大，在7～12 m2/g之间，从而使其与基体材料有更大的接触面积，且由于“机械”啮合作用与基体材料有很强的表面结合力[4、5]。

芳纶浆粕纤维表面的氨基含量比芳纶长丝要高10倍以上，使其具有更好的表面活性，从而使其与酰胺类树脂有很好的亲和性，也可在浆粕的界面与基体形成氢键，增强复合效果。高强度、高模量的性质使其在与基体混合过程中不会因剪切造成长径比的下降，同时芳纶浆粕在加工应用过程中不会产生石棉纤维具有的环境污染、影响人体健康等问题。但由于芳纶浆粕纤维表面微纤之间的相互缠结很容易造成其在基体材料中的分散不均而影响制品性能，因此多通过表面处理和改性来有效提高芳纶浆粕纤维的表面性能[6-10]。目前，芳纶浆粕纤维的应用研究主要集中于增强材料、摩擦材料、密封材料、造纸等领域，国内的年使用量约在1 000吨以上。

图1(a)、(b)分别是中芳特纤股份有限公司生产的浆粕样品的显微镜照片和扫描电镜(SEM)照片。

图1 浆粕样品照片

1 芳纶浆粕纤维的应用

1.1 增强材料

芳纶浆粕纤维表面微纤丛生，比表面积较大，与橡胶潜在的接触面较大，且由于“机械”啮合作用而与橡胶有很强的表面结合力，但表面微纤会发生相互缠结，造成在橡胶基体中分散性较差。因此多通过对芳纶浆粕纤维的表面处理和改性或者是对橡胶基体的改性处理来改善芳纶浆粕纤维在基体中的应用。

1.1.1 芳纶浆粕纤维增强橡胶的研究

橡胶基体中的芳纶浆粕纤维微纤上能够附着大量的橡胶分子链，起到物理交联点的作用，限制了橡胶大分子的运动，同时能够承担应力。在橡胶承受外部拉伸作用力时，芳纶浆粕纤维可以作为应力承受点，减小橡胶大分子的受力，从而使其不易被破坏，橡胶的拉伸强度和拉断伸长率得以提高。芳纶浆粕纤维在橡胶基体中获得良好的分散是橡胶力学性能得到改善的前提。

美国杜邦公司[11]为了有效改善芳纶浆粕纤维在橡胶基体中的分散性，开发出了Kevlar工程化弹性体。该弹性体与单纯的将芳纶浆粕纤维掺入到橡胶基体中相比，芳纶浆粕纤维的微纤充分打开且不易再缠结，作为一种橡胶助剂添加到工程轮胎胎面胶料中可延长轮胎的工作寿命。Park Nam等[12]将氧化锌(ZnO)处理的芳纶浆粕纤维加入到天然橡胶中并研究了其在防爆轮胎侧壁插层胶中的应用，研究表明，插层胶的机械性能随芳纶浆粕纤维用量(1、2、3份)的增加得到明显改善，压缩永久变形减小。Jeffery S.Downcy等[13]研究了芳纶浆粕纤维和短纤维对天然橡胶的补强效果，结果表明：芳纶浆粕纤维在复合材料中表现出一种手风琴效应，随着芳纶浆粕纤维用量的增加，其损耗角和损耗因子逐渐减小。

国内目前对芳纶浆粕纤维的改性研究较少。杨波[14]等考察了丁吡胶乳和天然胶乳包覆改性后的芳纶浆粕纤维对丁苯橡胶复合材料性能的影响。结果得出：纤维与橡胶基体间形成柔性界面，界面粘结性提高；复合材料的100%和300%定伸应力提高，复合材料的复数模量保持在较高水平。王涛等[15]、谢巍等[16]利用多巴胺氧化自聚合的特性对芳纶浆粕纤维进行表面修饰，分别研究了改性芳纶浆粕纤维对丁腈橡胶、氟橡胶/氢化丁腈橡胶合金弹性体复合材料力学性能的影响。

陈翔等[17]研究了预处理芳纶浆粕纤维对丁腈橡胶性能的影响。研究表明：随着芳纶浆粕用量的增大，硫化胶的硬度和50%定伸应力逐渐增大，剪切储能模量增大，与未添加芳纶浆粕纤维的硫化胶相比，添加后的硫化胶的热稳定性更好。丁佳伟等[18]研究了未处理芳纶浆粕纤维和表面化学处理芳纶浆粕纤维及其用量对天然橡胶静态力学性能，伸张疲劳寿命及动态热机械性能的影响。

1.1.2 芳纶浆粕纤维增强塑料的研究

芳纶浆粕纤维增强塑料复合材料大多是将芳纶浆粕纤维改性后添加到塑料基体中混合得到，改性后的芳纶浆粕纤维与树脂基体之间可形成网络状结构，这促进了纤维与树脂基体间的界面粘结，改善了芳纶浆粕纤维与基体的界面结合力。所以其复合材料的机械性能、耐热性、耐磨性会得到较好地改善[19-20]。

Rastegar N等[21]探究了含芳纶浆粕纤维与辐照聚四氟乙烯杂化剂聚酰胺6的摩擦材料的协同作用。刘石等[22]研究了硅烷偶联剂KH-550改性的芳纶浆粕纤维对膨胀阻燃聚丙烯复合材料性能的影响。研究表明：改性芳纶浆粕纤维的质量分数为5%时，其复合材料的拉伸强度为40.0 MPa，冲击强度为56.9 J/m，热稳定性提高。侯铁军等[23]研究了芳纶浆粕纤维对酚醛树脂复合材料性能的影响。与石棉增强酚醛树脂复合材料相比，芳纶浆粕纤维酚醛树脂复合材料的力学性能优异，磨损率较低。

1.2 摩擦材料

汽车摩擦材料要求具有稳定的摩擦系数，较低的磨损率，无噪声以及在高温、高压、高速的环境下不产生振动。在汽车制动摩擦材料中应用比较广泛的增强纤维有陶瓷纤维、有机纤维、金属纤维等。工业用摩擦材料中增强纤维的含量通常在5 vol%～25 vol%[24-27]。芳纶浆粕纤维保留了芳纶的高强度、高模量等特性，同时又具有较大的比表面积，赋予了其良好的吸附性，与树脂基体可以有效地结合。

Kim等[28]研究得出芳纶浆粕纤维的加入有效改善了摩擦材料的摩擦稳定性，同时降低了磨损率。Prosenjit等[29]发现与芳纶相比，芳纶浆粕纤维的掺入提高了其复合材料的摩擦稳定性。

郭客等[30]研究得出，酚醛树脂摩擦材料的布氏硬度随着芳纶浆粕纤维用量的增加而提高。当芳纶浆粕纤维和纳米钛酸钠晶须的含量比在3∶1时，摩擦材料的效果最佳，摩擦系数稳定在0.38～0.45，磨损率为5%。刘力[31]等通过对芳纶浆粕纤维含量对低树脂基刹车片摩擦磨损性能的影响机制研究得出：芳纶浆粕纤维含量为0%和1%时主要为扩展性的表面疲劳磨损，含量为2%时主要为非扩展性的表面疲劳磨损，含量为3%时主要为黏着磨损。

郭辉等[32-33]公开了一种用吡咯单体改性的芳纶浆粕纤维制成的刹车片。实验得出，该刹车片的抗热衰退、抗热膨胀性能强，且摩擦系数稳定，磨损率低。

1.3 密封材料

采用芳纶浆粕纤维增强的橡胶复材设计的密封材料比全橡胶密封材料的力学性能、耐高温性能及密封性能均有所提高，同时避免了金属油封在使用过程中出现的生锈腐蚀问题[34]。

肖风亮等[35]以氯丁橡胶/芳纶浆粕纤维作为外壳材料，氢化丁腈橡胶作为唇口胶制备了复合油封，研究表明：胶料与氯丁橡胶/芳纶浆粕纤维片材有很好的粘合性能，复合后胶料的抗焦烧性能得到改善。刘欣等[36]通过探究芳纶浆粕纤维和白炭黑用量对制备的丁腈橡胶密封垫材料性能的影响，发现芳纶浆粕纤维在其复合材料中分散较为均匀。在芳纶浆粕纤维用量为30份，白炭黑用量为40份时，密封材料的综合性能最好。橡胶混炼过程中产生的剪切力能够使芳纶浆粕纤维产生取向，其复合材料在平行和垂直纤维方向的各向异性表现较为突出。

1.4 造纸领域

芳纶纸基材料的力学性能及其热稳定性主要取决于短纤维与浆粕基体界面之间的粘结效力。在芳纶纸结构中，短切纤维作为骨架材料，均匀分散在纸张中，决定着纸张的物理结构和机械强度；芳纶浆粕纤维作为填充和黏结材料，利用自本身比表面积大、高度原纤化的特点，同时在热压过程中受热软化，通过黏结短切纤维及自身的黏结作用形成纸张整体力学结构，赋予纸张整体强度和性能。芳纶浆粕纤维纸基材料的应用领域主要有耐绝缘材料、纸基摩擦材料、蜂窝增强材料等，这些材料广泛应用于高温绝缘、航空航天、汽车制造、交通运输和高性能电子器材等关键领域[37、38]。

Merriman E A[39]说明了通过控制芳纶浆粕纤维的pH值来调控其电位，对于具有高填料和胶乳含量的纸的良好成型是非常重要的。曹雪鸿等[40]对比分析喷射纺丝法进口芳纶浆粕纤维和原纤化法自制浆粕纤维配抄纸张的性能得出纯芳纶浆粕纤维纸基材料抗张指数前者是后者的12倍。王腊梅等[41]研究得出，芳纶短切纤维和芳纶浆粕纤维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纤维的总用量为7%，且两者的配比为2∶5时，芳纶云母复合纸的整体性能最佳。司景航等[42]通过芳纶浆粕纤维含量对纸张性能的影响的研究表明，芳纶浆粕纤维添加量在10%时，纸张的弯曲强度、抗张强度和撕裂强度同时达到最大值，其弯曲强度为620 mN，抗张强度为11.21 kN/m，撕裂强度为4 038 mN。

此外，有关学者关于芳纶浆粕纤维在绝缘材料、耐烧蚀材料、体育器材中的应用也进行了研究。