溶剂浸渍增强间位芳纶纸性能研究.docx

《溶剂浸渍增强间位芳纶纸性能研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《溶剂浸渍增强间位芳纶纸性能研究.docx（11页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、溶剂浸渍增强间位芳纶纸性能研究间位芳纶纸是由芳纶短切纤维和芳纶沉析纤维通过湿法成形后，再经热压得到的高性能纸基材料，其具有轻质、阻燃、绝缘、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在电器绝缘制品和航空航天领域得到了广泛的应用近年来，随着芳纶复合材料应用领域的扩展和市场需求激增，对芳纶纸的性能要求越来越高，故芳纶纸基材料高性能化一直是该领域研究热点。间位芳纶纸的机械强度主要取决于纤维本身强度及纤维之间作用。传统湿法抄造得到的间位芳纶纸疏松多孔，纤维表面光滑且呈化学惰性，纸张内部短切纤维与沉析纤维之间无去柔性，应用受到限制。芳纶纳米纤维填充可以显著改善基体界面结合强度，但其制备过程存在溶剂去除和质子化还原周期长

2、等问题，难以工业化生产。因此，发展简单、高效的间位芳纶纸界面增强方法仍存在巨大挑战。有研究者提出“部分溶解-再生焊接”法提升芳纶纸基材料的机械性能，通过溶剂浸渍纤维，使纤维表面溶胀或溶解,赋予纤维分子链一定的活动能力，进一步调节溶剂环境使溶解的纤维沉淀析出，并对纤维结晶区域进行黏附，实现材料的“再生焊接”，从而提升强度口。本课题组也提出将间位芳纶纸浸入DMSO/KOH混合溶剂中，使芳纶纤维溶胀、溶解，接着在水蒸气中再生，最终得到低空隙、高绝缘和机械性能优异的致密间位芳纶纸16。其中碱（KOH）可以加快芳纶纤维的溶解，但纸张中残余碱使纸张吸湿性增强、湿强度降低，不利于间位芳纶纸的长期使用。近期本

3、课题组发现，无碱条件下，极性溶剂也可以溶胀和部分溶解间位芳纶纤维,赋予纤维分子链活动能力，为增强芳纶纤维分子链相互作用、提高间位芳纶纸致密性提供可能。基于上述分析，本研究利用二氯甲烷（DCM）、二甲基亚砒810）、14”-二甲基甲酰胺8岷）力”-二甲基乙酰胺8摩（9等有机溶剂处理间位芳纶纸，使纤维发生不同程度的溶胀和溶解，然后进一步脱除溶剂使溶胀/溶解纤维发生部分融合,实现对间位芳纶纸孔隙的调控，制备高强度的微溶间位芳纶纸。探究了溶剂种类对间位芳纶纸结构与性能的影响。利用扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）对所制备的微溶间位芳纶纸的化学结构及表面形貌进行表征，并研究了浸

4、渍处理对微溶间位芳纶纸力学性能和绝缘性能的影响。1实验1.1原料及试剂间位芳纶纤维（短切纤维和沉析纤维），山东烟台民土达有限公司。二甲基亚飒（DMSO,分析纯）、二氯甲烷（DCM,分析纯）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF,分析纯）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc,分析纯）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、氢氧化钾（KOH ）,天津大茂化学试剂厂。聚醛酰亚胺（PEI,SabicUltratemlOOO）溶于N,N-二甲基乙酰胺中，固含量为分散。在疏解机中加入2/3高度的水，分别加入一定量的沉析纤维和短切纤维，添加质量分数0. 05%的PE0溶液作为分散剂，添加量为0.5% （相对绝干间位芳纶短切纤维

5、）。两种纤维在疏解机中疏解20000转，得到浆料分散液。纸张的成形和压榨。将浆料倒入纸样抄取器的成型器中滤水，得到成形纸张，转移到压榨机中，在0. 4MPa的压力下压榨4mino纸张的干燥。湿纸张在纸样抄取器的真空干燥器中干燥,真空度为0.1MPa,温度105T,干燥时间8min最终制备得到间位芳纶原纸，以下简称原纸。1.2.2微溶间位芳纶纸的制备微溶间位芳纶纸的制备过程如图1所示。将制备好的原纸浸泡于不同的有机溶剂中，置换出纸中的空气，30s后取出浸300s采集光学照片，观察浸渍不同时间纸张外观变化情况。1.3.2微观形貌使用TESCANVEGA-3-SBH, Czech扫描电子显微镜(SE

6、M)对样品的微观形貌进行表征，测试前对样品进行喷金处理，扫描电压为3kVo1.3.3机械性能采用东莞高特威尔有限公司生产的AI-7000-NGD伺服材料多功能高低温控制试验机对样品进行拉伸测试，测试样品大小为40mmX15mb夹具容量为50kgf,以5mmmin的速度进行拉伸测试。每组有3个平行样品，最后求平均值进行分析。1. 3. 4红外光谱分析采用德国布鲁克Bruker公司生产的V70傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR学图像如图2所示。从图2可以看出，浸渍前，原纸外观为白色，几乎不透明。低极性的DCM浸渍处理对原纸的透明性无明显变化，而强极性溶剂DMSO、DMF和DMAc浸渍处理能明显提高原

7、纸的透明性。强极性溶剂浸渍30s后，原纸由完全白色不透明变成部分透明，可以隐约看到纸后面背景文字。浸渍时间延长至300s时，极性溶剂浸渍的原纸基本变成半透明。以DMAc为溶剂配制3%PEI溶液，采用同样的方法处理原纸，从图2中可以看到，纸张也有类似的透明度变化。原因是原纸内部存在许多空气，纤维与空气折射率的差异导致光在纸张内部发生散射，只有少量光线能穿过纸张，故原纸为不透明状态。通过浸渍的方法，强极性溶剂逐渐扩散到聚得到的聚合物溶解在有机溶剂中，然后采用干法或湿法纺丝制得的间位芳纶长丝按照一定的长度切断得到，其结构规整、长短一致，在间位芳纶纸中作为骨架结构主要起到承受载荷的作用。沉析纤维是将间

8、位芳纶酰胺原液在沉析设备剪切力的作用下，凝固生成超短纤维，再经过洗浆，打浆精制得到的高比表面积、片状材料，在间位芳纶纸中作为填充物质起到传递载荷及协同的作用。短切纤维与沉析纤维形成“砖泥”结构共同赋予了纸张一系列优异的性能17。从图3(A)中可以看出，原纸的结构较为疏松，纸张内部沉析纤维呈不规则带状，比表面积较大，缠绕在棒状且表面光滑的短切纤维上，两种纤维之间堆叠松散，有明显的孔隙。采用低极性的DCM浸渍处理纸张，纸张表面未发生明显改变(图3(B),这是因为间位芳纶纤维分子链间存在大量氢键结合,低极性溶剂对间位芳纶纤维不产生作用，从图2也能看出,示。从图4中可以看出，与原纸相比，经过浸渍得到的

9、微溶芳纶纸厚度有所降低，这进一步说明溶剂处理改善了原纸疏松多孔、纤维之间结合力差的问题，增加了纸张的致密程度。图3间位芳纶原纸和不同溶剂润胀处理的微溶间位芳纶纸表面以及横截面SEM图Fig. 3Surfaceandcross-sectionSEMimagesofmeta-aramidbasepaperandmicro-solublemeta-aramidpaperprocessedatdifferentsolvents图4溶剂处理30s后间位芳纶纸的厚度变化Fig. 4Thicknesschangeofslightlysolublemeta-aramidpaperimpregnatedfor3

10、0s2.3溶剂对间位芳纶纸力学性能的影响本研究考察了不同溶剂处理对间位芳纶纸力学性能的影响,结果如图5所示。从图5可知，原纸的力学性能不高，拉伸强度和模量仅为3.3MPa和0. 20GPa,这跟纸张中纤维本身特性以及纤维间的界面结合情况有关。从图3(A)中也可以看出,原纸的纸张内部存在孔隙，沉析纤维无规则地缠绕搭接在短切纤维的表面，二者的结合力较差，因此成纸强度较差。低极性DCM溶剂对纸张的机械性能提升不明显，拉伸强度和模量为3.8MPa和0. 21GPao而在不同强极性溶剂DMSO、DMF、DMAc中分别浸渍30s后，微溶间位芳纶纸的模量和拉伸强度均有不同程度的提升，拉伸强度分别为22. 8

11、.28. 7.23. 3MPa；模量分别是0.68、0. 52. 0. 52GPao拉伸强度提高7 9倍,模量提高23倍。PEI作为一种胶黏剂，可增强芳纶纤维之间的黏结强度，浸渍处理后纸张的拉伸强度和模量为30. 7MPa和0. 55GPa0对照发现，单一 DMAc溶剂处理就能够达到与胶黏剂近似的增强效果。在浸渍过程中，溶剂对纤维产生溶胀和溶解作用，沉析纤维较大的比表面积使得溶剂对其有很好的溶解作用，从而黏附在发生润胀的短切纤维上。极性溶剂使得纤维表面高分子溶解或者部分高分子链段溶胀，随着干燥的进行和溶剂的脱除，溶解的高分子起到胶黏剂的作用，使纤维相互产生黏结作用，溶剂处理增加了短切纤维和沉析

12、纤维的界面结合，使纸张形成了较为均一的结构,因此力学性能得到提高。图5原纸和不同溶剂润胀处理的微溶间位芳纶纸的力学性能Fig. 5Mechanicalpropertiesofbasepaperandmicro-solublemeta-aramidpaperprocessedatdifferentsolvents2.4溶剂对间位芳纶纸结构的影响发生化学变化。另外，浸渍过程中，苯环的结构没有被破坏，因此可以根据C=0H处峰的强度与苯环cC峰强度的相对值来近似判断氢键的相对强度15。图6(b)、图6(c)为芳香骨架的C=0H伸缩振动峰与苯环CC振动峰的放大光谱和强度比。从图6中可以看出，浸渍处理后氢

13、键的相对强度变化不大，但能从图6(a)中明显地看出溶剂处理后酰胺I带C=0H发生了红移，说明了溶剂可能造成间位芳纶纤维的氢键重排。图6间位芳纶原纸以及微溶间位芳纶纸的FT-IR谱图Fig. 6FT-IRspectraofpristinemeta-aramidpaperandslightlysolublemeta-aramidpaper2.5 击穿强度分析图7为间位芳纶原纸和不同溶剂浸渍处理制备的微溶间位芳纶纸的击穿强度。原纸的击穿强度为775kVmm,微溶间位芳纶纸的击穿强度有小幅度降低，基本保持在68kVmm之间，原因可能是浸渍处理时间过长，部分沉析纤维被溶解后从纸张中扩散到溶剂中，最终纤维

14、之间界面相互作用变强,但部分纤维损失，造成力学性能提升、击穿强度下降的趋势。图7间位芳纶原纸和微溶间位芳纶纸的击穿强度Fig. 7Breakdownstrengthofpristinemeta-aramidpaperandslightlysolublemeta-aramidpaper.2.6 微溶间位芳纶纸的形貌分析本研究进一步对比了浸渍前后间位芳纶纸的形貌变化情况,如图8所示。从图8(A)图8(C)可以看出，原纸呈白色不透明状态，溶剂溶胀处理后纸张透明度提升，隐约能看到纸张后面的背景文字。值得注意的是，溶剂处理不会丧失原纸本来的柔性，说明此方法能够在保留间位芳纶纸柔性的同时提升其机械性能。微

15、溶间位芳纶纸与原纸的微观形貌对比如图8(a)图8(c)所示，图中纸张的未浸渍部分与浸渍部分存在明显差异，未浸渍部分纸张表面存在明显的孔洞，纤维之间的结合较为松散，这些孔隙的存在会影响纸张的机械性能。溶剂浸渍后，纸张的孔隙消失，表面变得平整，纤维之间的结合更加紧密，有利于纸张的物理强度。图8原纸和微溶间位芳纶纸的光学照片和微观形貌图Fig. 80pticalphotographandmicro-morphologyofpristinemeta-aramidpaperandslightlysolublearamidpaper注：(A, a)DMS0； (B, b)DMF； (C, c)DMAco3结论本研究利用二氯甲烷(DCM)、二甲基亚碉(DMSO). N,N-二甲基甲酰胺(DMF) N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)等有机溶剂处理间位芳纶纸，制备高强度的微溶间位芳纶纸。3.1 极性溶剂对间位芳纶纤维具有溶胀和部分溶解作