芳纶纸种类对芳纶蜂窝性能影响研究现状

2022-11-16周慧慧皮志超杜永华孙达

科学与信息化 2022年21期

周慧慧皮志超杜永华孙达

芜湖创联新材料科技有限公司安徽芜湖 241199

引言

芳纶蜂窝芯材由于具有比强度和比模量高、容重轻、抗压性能好、可设计性强等特点，被广泛应用于航空航天、轨道交通和新能源车等需要高强度、低重量材料的领域[1-5]。在芳纶蜂窝制造中，调控涂胶工艺、浸胶工艺和原材料参数等都会对蜂窝性能产生影响。其中芳纶纸性能参数对蜂窝性能和工艺过程影响较大[6-8]。

芳纶纸是芳纶蜂窝制造的原材料，由于氢键的作用，芳纶纸结构致密，表面平滑，具有优良的力学性能[9-10]。芳纶纸按照分子结构不同可以分为对位芳纶纸和间位芳纶纸，按照产地不同可以分为进口芳纶纸和国产芳纶纸[11-12]。在进行芳纶蜂窝制造时，选择不同种类芳纶纸时芳纶蜂窝的制备工艺和性能也大不相同。

国内外研究学者针对间位、对位芳纶纸和进口、国产芳纶纸微观结构、力学性能、阻燃等性能展开广泛研究，研究不同种类芳纶纸对芳纶蜂窝的影响有利于保证蜂窝制造过程中工艺可控和提升芳纶蜂窝性能。

1 间位芳纶纸与对位芳纶纸

芳纶的全称是芳香族聚酰胺纤维，芳纶纤维是一种新型的芳香族聚酰胺纤维，兼有无机纤维的力学性能和有机纤维的加工性能[13]。其密度与聚酯纤维接近，强度是聚酯纤维的2倍、玻璃纤维的3倍和钢丝的6倍，模量远大于玻璃纤维和钢丝，具有耐热、重量轻、强度高、阻燃性好的特点。

芳纶按照分子结构不同可分为对位芳纶、间位芳纶和邻位芳纶[14]。间苯二甲酰氯和间苯二胺进行界面缩聚或者低温溶液缩聚可以制得间位芳纶聚酰胺，简称间位芳纶，分子式如图1所示；对位芳纶由对苯二甲酰氯和对苯二胺缩聚所制得的芳香族聚酰胺制成，分子式如图2所示。对位芳纶相比间位芳纶具有更高的模量，由于对位芳纶分子的刚性结构，对位芳纶纸相比间位芳纶纸具有更高的力学性能，在耐湿热、介电性能等方面也具有明显优势[15]。

关于对位芳纶纸和间位芳纶纸的性能区别及其对芳纶蜂窝性能的影响，国内研究学者进行了广泛的研究。罗玉清等人对比了分别使用对位芳纶纸和间位芳纶纸制造的蜂窝的综合性能。结果表明，使用对位芳纶纸制备的蜂窝芯具有更加优良的力学性能，但是阻燃性不如间位芳纶蜂窝。罗玉清等人对比了对位芳纶纸制备的航空用HN系列芳纶蜂窝和间位芳纶纸制备的YT系列蜂窝芯在室温及高温（180℃）下的力学性能及阻燃性能[17]。结果表明，间位芳纶蜂窝的力学性能远远低于对位芳纶蜂窝，以拉伸强度最为突出。通过SEM分析了原因，这是因为对位芳纶纸中芳纶纤维强度更高。如图3所示，间位蜂窝芯拉伸断面较为平整，这是因为间位芳纶蜂窝中芳纶纤维强度较低，纤维强度与基体之间的界面强度基本相当，拉伸过程中纤维不能从基体中拔出；如图3所示，对位蜂窝芯拉伸断面不平整，纤维长短不一，这是因为对位芳纶纤维强度远高于纤维与基体之间的界面强度，拉伸过程中，基体部分首先发生破坏，随后才发生纤维的断裂和拔出。

王厚林等人对比了自制国产间位芳纶纸和杜邦对位芳纶纸制备的蜂窝性能的区别[18]。如表1所示，间位芳纶纸相比对位芳纶纸，强度和模量均较低，且纵横向力学性能差别较大，但是断裂伸长率相比对位芳纶纸更高。浸胶后的对位芳纶纸强度、模量、Est值和断裂伸长率均大于间位芳纶纸。分别用对位芳纶纸和间位芳纶纸制备蜂窝芯，发现对位芳纶蜂窝的剪切、压缩模量和强度均更高。通过SEM观察间位/对位芳纶纸微观形貌发现间位/对位芳纶蜂窝性能差距较大的原因是：间位芳纶纸在制造过程中浆粕发生熔融使其表面呈膜状，结构致密；而对位芳纶纸制造过程中，浆粕不会发生熔融，结构疏松，在浸胶时树脂进入纸张内部，浸润纸张，增强蜂窝强度。

表1 间位和对位芳纶纸性能比较

陈丽春等人对比了国内华南理工大学研制的高伸级对位芳纶纸与杜邦NOMEX®T412间位芳纶纸的力学性能。国产对位芳纶纸撕裂强度、抗张强度、弹性模量明显优于进口NOMEX®T412芳纶纸，但是断裂伸长率不足，说明对位芳纶纸的韧性较差。其中对位芳纶纸横向力学性能提升更为显著，这是因为间位芳纶纸制造过程中偏向于纵向排列，对位芳纶纸纤维由于表面惰性造纸分散过程更倾向于无序。

间位芳纶纸应用于芳纶蜂窝时间更久，对位芳纶纸研究时间短，但是国内外大量研究结果表明，对位芳纶纸相比间位芳纶纸及应用于芳纶蜂窝时具有更优良的综合性能。①比起间位芳纶，对位芳纶分子刚性大，模量高，因此对位芳纶纸具有更高的力学性能，在耐湿热、介电性能等方面都具有明显优势。②与间位芳纶纸相比，对位芳纶纸中芳纶纤维强度高，因此对位芳纶纸力学性能更好。③间位芳纶纸在制造过程中浆粕发生熔融使其表面呈膜状，结构致密，制备芳纶蜂窝时因浸胶时树脂较难进入纸张内部，节点强度较低，蜂窝力学性能较差；对位芳纶纸制造过程中，浆粕不会发生熔融，结构疏松，在制造芳纶蜂窝时因浸胶时树脂进入纸张内部，浸润纸张，蜂窝强度更高。④间位芳纶纸纤维纵向排列，纵向和横向力学性能差别明显，对位芳纶纸纤维排列偏向于无序，纵向和横向力学性能差别不大。⑤对位芳纶纸相比间位芳纶纸断裂伸长率较低。

2 进口芳纶纸与国产芳纶纸

芳纶纸性能优良，是芳纶蜂窝制备过程中的关键原材料，也是芳纶蜂窝性能的重要影响因素[19-20]，国内专家学者对国产芳纶纸进行了大量的研究[21]。

国产芳纶纸目前的发展和应用相比于进口芳纶纸还有较大的差距。目前进口芳纶纸采购也存在着价格高、供货不及时等问题，国内研究学者自行研制出适合国内航空航天、轨道交通等行业发展的芳纶纸应用于芳纶蜂窝，但目前与进口芳纶纸的性能还存在一定的差距[22]。

烟台氨纶集团有限公司研制的YT822芳纶纸在热稳定性、电绝缘性、力学性能、化学稳定性、耐辐射性等方面均已达到或接近美国杜邦T722芳纶纸[23]。虽然仍然存在孔洞较多、孔隙率较大的缺点，但是较进口芳纶纸具有明显的价格优势。中航复材郝巍等人[24]对比了使用某国产厂家间位芳纶纸与杜邦T412芳纶纸制备的芳纶蜂窝性能，对国产/进口芳纶纸和使用其制备的蜂窝力学性能进行了对比研究。结果表明，国产芳纶纸力学性能与进口芳纶纸相当，但进口芳纶纸纵向断裂伸长率比国产芳纶纸高21%，而横向断裂伸长率国产芳纶纸比进口芳纶纸高20%。使用国产芳纶纸制造的蜂窝大部分力学性能与进口芳纶纸的相当，部分性能优于进口芳纶蜂窝；使用国产芳纶纸生产时工艺性略显逊色，虽然节点强度较高，但国产芳纶纸在涂胶、浸胶过程中容易渗胶。

调研关于国产芳纶纸的研究发现国产芳纶纸的主要缺陷在于：①工艺性较差。国产芳纶纸孔隙率和透气度较大，在涂胶时芯条胶容易浸透芳纶纸，影响后续工序顺利进行。②国产芳纶纸孔隙率和透气度大，压制后白蜂密度高于进口芳纶纸，白蜂窝密度高会降低成品蜂窝树脂的增量，影响芳纶蜂窝力学性能。③国产芳纶纸孔隙率大，渗透率和吸水性较高，制成的蜂窝容易出现芯条胶渗透导致叠层板拉伸不开和蜂窝脆性较大的问题。

因此，解决国产芳纶纸孔隙率较大的问题是实现芳纶纸国产化的关键一步[25]。除此之外，阻燃性较差、短切纤维裸露较多、纸张的质量不均匀也是国产芳纶纸需要攻克的技术瓶颈[26]。