芳纶纤维和芳纶浆粕的结构与芳纶纸特性的相关性的研究.pdf

申请工学博士学位论文

论文题目:
芳纶纤维和芳纶浆粕的结构与芳纶纸特性的相关性研究

申请学位学科:工学
所学学科专业:制浆造纸工程
培养单位:轻工与能源学院

博士生:赵会芳
导师:张美云教授

2012 年 12 月
STUDY ON RELATIONSHIPS BETWEEN
STRUCTURE OF ARAMID FIBERS AND ARAMID
PULP AND PROPERTIES OF ARAMID PAPER

A Thesis Submitted to
Shaanxi University of Science and Technology
in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of
Doctor of Engineering Science


By Huifang Zhao

Thesis Supervisor: Professor Meiyun Zhang

Dec, 2012
芳纶纤维和芳纶浆粕的结构与芳纶纸特性的相关性研究
摘要

芳纶纸是由芳纶纤维和芳纶浆粕按一定比例混合抄造而成的特种纤维
纸,具有优良的机械性能和耐高温电绝缘性能,广泛用于电气绝缘、航空航
天和交通运输等关键领域。高性能芳纶纸是高附加值的电气绝缘纸和结构材
料纸,是国家战略性新兴产业重点发展的新材料,其生产技术被美国杜邦公
司独家垄断。尽管目前芳纶纸已经国产化,但国产芳纶纸在匀度、强度和色
度等方面与杜邦公司的 Nomex 纸有明显的差距。其主要的原因有两个方面:
一是国产芳纶纤维(尤其是芳纶浆粕)本身的性能不是非常适合抄造芳纶纸,
另一个原因就是对最优化的芳纶纸微观结构和纤维界面结合状态和机理不
太清楚。为了打破高性能芳纶纸生产的技术瓶颈,有必要建立一套有别于传
统的植物纤维原料造纸的合成纤维造纸理论,揭示芳纶浆粕纤维结构、热性
能、界面结合机理与芳纶纸结构和性能的关系。本研究对芳纶浆粕的结构形
态、热性能与芳纶纸结构性能之间的关系进行了深入分析,同时还研究了不
同表面改性方法对芳纶纤维表面和芳纶纸结构性能的影响,旨在对适合抄造
芳纶纸的芳纶浆粕的结构形态进行分析和表征,对影响芳纶纸强度的主要因
素进行评价,阐明芳纶纤维、浆粕在纸张中分布与纸张结构性能的关系,探
讨芳纶纤维表面改性方法和芳纶纸界面增强理论,为国内芳纶纤维和芳纶浆
粕生产企业提供必要的基础数据和研发目标,为完善纤维表面改性和界面增
强技术、优化芳纶纸成形和热压工艺、提高国产芳纶纸质量提供理论及技术
支持。
采用鲍尔筛分仪对芳纶浆粕进行筛分,并用纤维分析仪、比表面分析仪、
打浆度仪、X-射线衍射仪(XRD)等对各组分浆粕的平均长度、比表面积、
打浆度、结晶度、分子质量等形态和结构进行测定,分析了浆粕形态结构与
芳纶纸性能的关系。结果表明,芳纶浆粕呈无定形结构,结晶度很低,提高
温度及施加外力会提高芳纶浆粕的结晶度。相对分子质量将影响链段活动性
从而影响结晶速度,相对分子质量高的要比相对分子质量低的结晶慢。未热
压芳纶纸中芳纶短切纤维与芳纶浆粕之间主要是物理混合,浆粕的表面形态
对芳纶纸的强度影响较大,芳纶纸强度随着浆粕比表面积和打浆度的增大而
增大,与浆粕分子质量和结晶度关系不大。热压后芳纶纸紧度和强度大幅提
I
高,热压后浆粕结晶度越大的,热压芳纶纸紧度越高,空隙率越低,相应的
强度越大。中等分子质量的浆粕较适合配抄高强度的热压芳纶纸。
利用示差扫描量热法(DSC)测定了芳纶纤维、不同分子质量芳纶浆粕
及不同来源芳纶纸的热性能,分析了芳纶纤维、浆粕及芳纶纸的冷结晶行为、
共混组分的相容性和热稳定性。结果表明,芳纶纤维、浆粕及芳纶纸的玻璃
化转变温度(Tg)均在 270℃以上,三者均具有较好的耐热性能。但三者的
Tg 存在一定的差异,其中芳纶短切纤维的 Tg 比芳纶浆粕的略高几度,而芳
纶纸的 Tg 介于两者之间。这主要是由于芳纶短切纤维在生产过程中进行了
一定程度的拉伸取向,结晶度较高,从而使其 Tg 增高,而芳纶浆粕的生产
加工方法与芳纶短切纤维不同,其结晶度很低,因此其 Tg 略低。芳纶纸是
由芳纶短切纤维与芳纶浆粕以一定比例混合抄制而成的,所以其 Tg 介于短
切纤维与浆粕之间。芳纶纸只出现了一个玻璃化转变温度,这说明芳纶浆粕
和芳纶短切纤维在一定程度上是相容的。
芳纶短切纤维、芳纶浆粕和自制芳纶纸在高于 Tg 时均会产生冷结晶现
象,其中芳纶浆粕的冷结