芳纶Ⅲ/聚苯硫醚浆粕悬浮液分散性及成纸初探

王煦怡 姚松俊 熊思维 杨诗文 王 桦,3 王罗新,3

1. 中蓝晨光化工研究设计院有限公司,四川 成都 610041;2. 武汉纺织大学 材料科学与工程学院,湖北 武汉 430200;3. 湖北省纺织新材料与应用研究重点实验室,湖北 武汉 430200;4. 高技术有机纤维四川省重点实验室,四川 成都 610041

目前,芳纶纸的制备主要以芳纶短切纤维和芳纶浆粕/芳纶沉析纤维为原料,通过湿法抄造制备而成。芳纶纸具有优异的力学性能和绝缘强度,被广泛应用于航空航天和国防军工领域[1-3]。然而在湿法抄造过程中,芳纶纤维的絮聚缠结对于制备高性能芳纶纸基材料而言一直是一项巨大的挑战。芳纶悬浮液的分散性会影响纸张的匀度。纸张匀度不仅影响纸基材料的外观,而且对芳纶纸的力学性能和绝缘性具有重要意义[4-7]。

聚苯硫醚(PPS)是一种高性能的热塑性树脂,具有优良的力学性能和阻燃性能,并且耐高温、耐腐蚀[8-10]。PPS超细纤维非织造布是通过熔喷技术制备的,不仅继承了PPS树脂的所有优点,还在可加工性方面显示出其独特的优势。例如,Huang等[11]以PPS超细纤维非织造布为原料,通过机械磨浆的方式制备了PPS纤维浆粕,然后通过湿法抄造和热压工艺制备了高性能的芳纶复合纸,并对复合纸的材料配比以及热压工艺进行了细致研究。

纤维在分散介质中的分散性是制备高性能特种芳纶纸的关键要素。本文以不同纤维直径的PPS非织造布为原料,通过湿法磨浆的方式制备PPS浆粕纤维,探究了不同纤维直径的PPS浆粕及打浆程度对芳纶Ⅲ/PPS悬浮液分散性的影响,并对芳纶Ⅲ短切纤维和PPS浆粕的成纸性进行了初步研究,以期为制备高性能特种芳纶Ⅲ/PPS复合纸提供理论基础。

1 试验部分

1.1 试验材料

芳纶Ⅲ纤维(长6 mm,中蓝晨光化工研究院);3种PPS浆粕(A种纤维直径为18～25 μm、B种纤维直径为6～10 μm、C种纤维直径为2～5 μm,自制);聚氧化乙烯(PEO,重均相对分子质量为2×106,上海锴源化工科技有限公司);阴离子型聚丙烯酰胺(APAM,重均相对分子质量为3×106,国药集团化学试剂有限公司);有机硅消泡剂(中国绿森化学有限公司)。

1.2 芳纶Ⅲ/PPS复合纸的制备流程

釆用瓦力打浆机将实验室自制的3种不同规格的PPS纤维制成浆粕,以PEO和APAM作为分散助剂。通过纤维解离器将一定质量配比的芳纶Ⅲ纤维和PPS浆粕解离分散。在解离完成的芳纶Ⅲ/PPS浆粕悬浮液中加入PEO/APAM复配分散助剂,搅拌均匀后加入有机硅消泡剂,得到芳纶Ⅲ/PPS的均匀分散浆液,最后通过湿法抄造和热压工艺得到芳纶Ⅲ/PPS复合纸。其中热压温度为270 ℃,压力为30 MPa,热压时间为5 min。

1.3 结构与性能表征

使用3D显微镜和扫描电子显微镜对芳纶Ⅲ/PPS复合纸的表面形貌进行观测。采用哈克旋转流变仪对不同纤维直径的PPS浆粕的流变性能进行测试。利用万能拉力测试机对一系列样品的拉伸强度进行测试,其中样条尺寸(长×宽)为50 mm×4 mm,夹具的运行速率为5 mm/min,测试结果取8块试样的平均值。

2 结果与讨论

2.1 PPS浆粕纤维的直径对芳纶Ⅲ/PPS悬浮液体系分散性的影响

图1a)为3种PPS浆粕在水中的分散性及其在显微镜下的形态。从图1a)可以看出,A、B两种PPS浆粕在水中能够实现良好的分散效果,而C种PPS浆粕在水中容易絮聚成团,分散效果较差。这是因为C种PPS浆粕中纤维较细,在熔喷过程中纤维聚成一团,湿法磨浆过程无法将其打散,最终造成C种PPS浆粕在水中分散效果较差。为进一步验证该现象,进行沉降试验,结果如图1b)所示,其中3种浆粕均取自搅拌均匀后的溶液。从图1b)可以看出,3种浆粕在沉降20 min后,A、B两种浆粕的沉降深度几乎一致,而C种PPS浆粕的沉降深度远低于A、B两种浆粕,此外可以明显看到C种PPS浆粕的聚集。图1c)展示了3种PPS浆粕对芳纶Ⅲ悬浮液体系分散性的影响。其中:C种PPS浆粕对芳纶Ⅲ悬浮液的分散性较差,大块的芳纶Ⅲ/PPS混合纤维团聚在一起,难以在水中分散;A种和B种PPS浆粕对芳纶Ⅲ悬浮液的分散性较好。

图1 不同纤维直径的PPS浆粕对芳纶Ⅲ/ PPS悬浮液体系分散性的影响Fig. 1 Effect of PPS pulp with different fiber diameters on the dispersibility of aramid Ⅲ/PPS suspension system

2.2 PPS浆粕纤维的打浆程度对芳纶Ⅲ/PPS悬浮液体系分散性的影响

以B浆粕纤维为原料,探究打浆程度对PPS浆粕纤维在水中的分散性及芳纶Ⅲ/PPS混合悬浮液分散性的影响(参数见表1),结果如图2所示。PPS浆粕纤维在水中的分散性结果[图2a)]显示,打浆程度为I时,PPS浆粕纤维在水中的分散性较差,PPS纤维絮聚缠结严重,表明许多PPS纤维还未被分散成单根纤维状态。打浆程度为Ⅱ和Ⅲ时,PPS浆粕纤维在水中分散得较为均匀,其中,打浆程度为Ⅱ的PPS浆粕纤维已经被分散成单根纤维,而打浆程度为Ⅲ的PPS浆粕纤维分散得更为细碎化。由图2b)可知:打浆程度为Ⅰ时,PPS浆粕纤维对应的芳纶Ⅲ/PPS混合悬浮液的分散性较差,这是由于PPS浆粕纤维的集聚导致芳纶Ⅲ与PPS之间严重缠结,无法分散。打浆程度为Ⅱ和Ⅲ时,芳纶Ⅲ/PPS混合悬浮液能够实现良好的分散,打浆程度为Ⅱ时,单根分散的PPS浆粕纤维可以缠绕在芳纶Ⅲ上,而打浆程度为Ⅲ时,PPS浆粕容易从芳纶Ⅲ上掉落。

表1 PPS浆粕的纤维打浆程度Tab. 1 Beating degree of PPS pulp fibers

图2 不同打浆程度的PPS浆粕形态结构对芳纶Ⅲ/ PPS悬浮液体系分散性的影响Fig. 2 Effect of different pulping degree of PPS pulp on the dispersibility of aramid Ⅲ/PPS suspension system

2.3 芳纶Ⅲ/PPS浆粕的纤维成纸性

图3为湿法抄造过后的芳纶Ⅲ/PPS原纸的表面形貌。在图3a)中,由于未对PPS浆粕纤维的形态结构进行优化,导致芳纶Ⅲ/PPS混合浆液的分散不均匀,因此湿法抄造后表面出现纤维集聚的“桥梁”。图3b)则是对PPS浆粕纤维的直径及打浆程度进行优化后经湿法抄造制备的原纸,其表面平整光滑,表明所制备的复合纸较为均匀。因此,PPS浆粕纤维的形态对复合纸的均匀性至关重要。

图3 PPS浆粕纤维的形态结构对芳纶Ⅲ/ PPS原纸表面形貌的影响Fig. 3 Morphological structure of PPS pulp fiber on the surface morphology of aramid Ⅲ/PPS raw paper

2.4 芳纶Ⅲ/PPS复合纸的力学性能

图4为PPS浆粕纤维的形态结构对芳纶Ⅲ/PPS复合纸力学强度的影响。由图4a)可知,不同直径的PPS浆粕纤维所对应的芳纶Ⅲ/PPS复合纸的力学强度存在较大差异。A种PPS浆粕纤维由于纤维较粗,缺乏柔韧性,无法对芳纶Ⅲ进行缠结,这导致制备的复合纸的拉伸强度仅为75 MPa左右。C种PPS浆粕纤维最细,柔韧性最好,但容易导致自身的缠结,这在一定程度上影响了芳纶Ⅲ/PPS混合悬浮液的分散性,但其在成纸过程中几乎没有损失PPS,由其制备的复合纸的拉伸强度约为106 MPa。B种PPS浆粕既具有良好的柔性,能够缠结芳纶Ⅲ,又具有优异的分散性,使得芳纶Ⅲ/PPS混合悬浮液的分散性非常好。由其制备的复合纸的拉伸强度为128 MPa,远远优于A和C两种浆粕所对应的复合纸的拉伸强度。

图4 PPS浆粕纤维的形态结构对芳纶Ⅲ/PPS复合纸力学强度的影响Fig. 4 Effect of morphological structure of PPS pulp fibers on mechanical strength of aramid Ⅲ/PPS composite paper

图4b)为3种打浆程度所对应的复合纸的拉伸性能。由图4b)可知,打浆程度为I时,PPS浆粕纤维所对应的芳纶Ⅲ/PPS复合纸的拉伸强度(18 MPa)最低。一方面,这是由于其所对应的芳纶Ⅲ/PPS混合悬浮液分散不均匀;另一方面,这是因为PPS浆粕纤维集聚在一起,在高温热压时PPS集聚体相比单根纤维难以熔融浸润芳纶Ⅲ。打浆程度为Ⅱ和Ⅲ时,PPS浆粕纤维在水中分散良好。但打浆程度为Ⅲ时PPS浆粕纤维对应的复合纸的拉伸强度(55 MPa)远远低于打浆程度为Ⅱ时的拉伸强度(123 MPa)。这主要是因为PPS的打浆程度与纤维的长度呈负相关,打浆程度为Ⅲ时PPS浆粕纤维的细碎化程度高于打浆程度为Ⅱ时,此时纤维长度过短,导致在湿法抄造过程中纤维容易流失,从而拉伸强度非常低。

3 结语

在湿法抄造过程中,PPS浆粕纤维的形态结构对芳纶Ⅲ/PPS混合浆液的分散性具有重要影响。PPS浆粕纤维的直径为18～25 μm时,纤维本身刚性过大,无法对芳纶Ⅲ进行缠结,导致成纸强度较差;PPS浆粕纤维直径为3～5 μm时,纤维本身自缠结,导致芳纶Ⅲ/PPS混合浆液分散性较差;PPS纤维直径为6～10 μm时,既不会出现成纸强度低的情况,也不会导致混合浆液的分散性过差。打浆程度较小时,PPS浆粕纤维过长,造成芳纶Ⅲ/PPS混合浆液分散性较差;打浆程度过大时,抄纸过程中PPS浆粕纤维部分流失,导致成纸强度较低;打浆程度为Ⅱ时,PPS浆粕纤维的打浆效果最好,既不会造成混合悬浮液的分散性差,又可使PPS浆粕纤维缠结芳纶Ⅲ从而防止PPS的流失。影响芳纶Ⅲ/PPS浆粕纤维成纸的因素非常多,原料配比以及热压温度、压力、时间等均会对纸张的性能产生显著影响,需要进一步深入研究。