基于芳纶纳米纤维的芳纶纳米纸结构与性能研究进展

芳纶纳米纤维和芳纶纳米纸作为近年来开发的新型先进纳米材料,其应用研究已成为国内外高分子纳米纤维领域的研究热点与发展趋势之一。本文对比分析了基于芳纶纳米纤维的芳纶纳米纸与传统芳纶纸在制备方法、纸张结构、光学性能、机械性能、耐温性以及绝缘性能方面的差别,探讨了芳纶纳米纸在大规模、低成本制备及应用可能存在的问题,指出了芳纶纳米纸未来发展面临的挑战与展望。     

提高芳纶纤维纸性能的方法

对位芳纶纤维在纸页抄造过程中极易絮聚,而影响纸页匀度和成纸性能。本文对影响对位芳纶纤维纸性能的因素进行分析,同时提出了改善芳纶纸性能的方法,如优化短切纤维长度、提高纤维表面润湿状态、添加分散剂等,均可显著改善芳纶纸成纸匀度和性能。     

芳纶纤维表面改性对芳纶纸力学性能的影响

由经过改性处理后的芳纶沉析纤维和芳纶短切纤维制造的芳纶纸,其力学性能会发生一定变化,而如何利用芳纶沉析纤维和芳纶短切纤维的表面改性处理来提升芳纶纸的力学性能是研究的重点.基于此,文章通过试验对芳纶纤维表面实施氯磺酸改性和醋酸酐改性后的芳纶纸力学性能变化情况进行研究分析,探讨芳纶纤维表面改性对芳纶纸力学性能的影响.     

亟待开发的芳纶纤维纸

芳纶纤维纸可制造防弹背心，广泛用于航空、航天、军事、机械、核潜艇等高新科技领域。据悉，日本、韩国餐厅的纸火锅就是用这种材料制成的。     

芳纶纳米纤维涂布增强间位芳纶纸性能研究

本研究以芳纶纳米纤维(ANFs)作为自增强与结构构筑单元,研究了ANFs涂布对芳纶纸的增强效果。结果表明,ANFs发挥了独特的纳米尺度结构、大长径比与高比表面积易形成交联网络结构的优势,显著改善了芳纶纸的各项性能。与芳纶原纸相比,2.0%ANFs涂布芳纶纸(涂布量2 g/m2)的抗张强度、韧性、撕裂强度和表面强度分别提高3.5倍、14.3倍、1.2倍和1.4倍,吸水性下降18.7倍,呈现出更加致密的纸张结构与更加优异的力学性能。本研究表明芳纶纳米纤维是一种极佳的增强增韧构筑单元,在特种纸、复合材料增强等领域应用前景广阔。     

对位芳纶纸性能研究

针对对位芳纶纤维(PPTA)的抄造性能,研究了浆粕纤维与短切纤维的纤维形态、纤维配比以及抄造方式对成纸性能的影响,并添加间位芳纶沉析纤维与PPTA配抄来探讨对位芳纶纸的性能。实验结果表明,采用层合法成形,PPTA浆粕纤维与短切纤维质量比为7∶3时,成纸性能达最佳值,并且添加沉析纤维可以明显增强对位芳纶纸的机械性能。     

芳纶短切纤维-芳纶浆粕增强云母纸性能的研究

为了提高云母纸性能,研究了在CPAM改性剂作用下添加芳纶短切纤维和芳纶浆粕对云母纸性能的影响。采用单因素实验确定了芳纶纤维用量及配比、CPAM改性条件以及丁苯胶乳用量对云母纸性能的影响。实验结果表明,芳纶短切纤维和芳纶浆粕在总用量7%、配比为2∶5时,可改善云母纸的机械性能和电气性能;使用CPAM对云母鳞片进行改性,当改性时间30 min、改性浓度12%、改性剂CPAM用量1%时,芳纶云母复合纸的抗张强度较纯云母纸提高了315.8%,介电强度提高45.6%;丁苯胶乳用量为5%时,芳纶云母复合纸的抗张强度较CPAM改性芳纶云母复合纸的增加了123.9%,对其电气性能没有影响。     

纤维长度对芳纶纤维纸结构和力学性能的影响

讨论芳纶纤维长度对纸页结构和力学性能影响。研究表明,纸页紧度随着纤维长度增加而降低,平均孔径随着纤维长度增加而增加;抗张强度、伸长率、耐破度在长度是1～4mm时,随着纤维长度的增加而增加,4mm以后变化不太明显;撕裂度在1～6mm范围内,都是随着长度的增加而增加。     

对位芳纶纳米纤维用量对对位芳纶纸结构及性能的影响

本研究以原位聚合法制备的对位芳纶纳米纤维及市售对位芳纶沉析纤维为黏结纤维,分别与对位芳纶短切纤维混合,通过湿法抄造制备对位芳纶纸（纳米纸和沉析纸）。详细研究了2种不同原料及其用量对纸张结构及性能的影响规律,并对作用机理进行了探讨。结果表明,采用对位芳纶纳米纤维制备的纳米纸在纸张匀度、机械强度、电气绝缘强度等方面均优于对位芳纶沉析纤维制备的沉析纸。黏结纤维含量均为40%时,纳米纸抗张指数比沉析纸提高了44%,撕裂指数提高了57%,电击穿强度提高了80%。这种差异主要来源于对位芳纶纳米纤维具有更高的表面活性,以及由此产生良好的可加工性及二次组装性能。     

对位芳纶沉析纤维对芳纶纸基材料结构和性能的影响

对位芳纶沉析纤维是一种采用物理沉析法制备而得的新型芳纶纤维,为解析这种纤维的形态特征与其芳纶纸基材料(对位芳纶沉析纤维和对位芳纶短切纤维组成)结构和性能之间的相关性,采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)表征了该纤维的表观形貌;通过纤维质量分析仪(Morfi Compact)分析了该纤维的形态参数;利用压汞仪(MIP)测定了芳纶纸基材料的孔隙结构参数;并探讨了对位芳纶沉析纤维对芳纶纸基材料孔隙结构和物理性能的影响。结果表明,对位芳纶沉析纤维呈薄膜褶皱状、形态细小、表面粗糙、易于分散;纤维质均长度为0.479 mm,细小纤维含量为71.9%,尺寸均一性好、细碎化程度高,利于芳纶纸基材料的复合增强;对位芳纶沉析纤维能显著改善芳纶纸基材料的结构,直接影响其机械性能和绝缘性能,最佳含量应为70%左右。     

对位芳纶纸的增强方法

为了获得更高机械强度和绝缘性能的对位芳纶纸基材料,本实验采用添加热塑性黏结纤维A、间位沉析纤维,利用酚醛树脂浸渍芳纶手抄原纸的方法,来增强纸页的各项性能指标。试验结果表明,这3种增强方式可以在大大改善芳纶纸机械性能的同时,并使其具有较好的耐压强度。扫描电镜观察,增强后的芳纶纸表面更平整,这是由于热塑性黏结纤维受热熔融将对位芳纶纤维粘接起来所致。     

芳纶短切纤维打浆工艺及机理

研究引入了另一种高性能纤维——芳纶1414纤维来代替芳纶1313纤维配抄芳纶纸，并对其进行了打浆处理，结果显示，纸张的抗张强度、撕裂度和绝缘性能有较大幅度提高，实验中还确定了短切纤维更适宜于PFI磨打浆，最佳打浆工艺参数为：纤维长度5mm，打浆间隙0．2mm，转数2000转。最后，研究了短切纤维打浆机理主要是通过层间相对滑动来提高纤维的柔软度，进而改善了纸张的匀度和纤维间结合状况，最终提高了芳纶纸的物理强度。     

对位芳纶纤维的NaOH处理

研究芳纶纤维NaOH处理对其成纸性能的影响。结果表明:用NaOH处理纤维使其表面被刻蚀并粗糙化,纤维表面极性基团增多,从而使纤维成纸的抗张强度和撕裂度均有所提升;最佳处理工艺为:NaOH溶液浓度为20%,处理温度40~45℃,处理时间20 min。     

芳纶纸热压过程中的现象及分析

对位芳纶纸在湿纸页成形后需要热压处理来提升其性能。本文研究了对位芳纶纸热压后纸页各项性能的变化以及热压过程中产生的各种现象并提出了改善方法;同时,借助扫描电子显微镜(SEM)研究了热压后纸页表面纤维结合状态和纸页横截面的微观结构。     

对位芳纶纤维的动态力学分析

基于对对位芳纶纤维及对位芳纶纸进行动态力学分析,探究了对位芳纶纤维在一定频率的交变力作用下的应变行为及纸基材料内部分子的运动。研究表明,温度由低到高时,对位芳纶纸基材料经历了玻璃态、高弹态、黏流态3种不同的状态;由于结晶度较高的对位芳纶短切纤维的贡献,配抄纸样的初始储能模量高于纯浆粕纤维;热压可以使芳纶浆粕纤维发生重结晶,提高结晶度,有利于改善纤维的储能模量;通过动态力学温度谱图,可以从微观角度说明抄造芳纶纸用的对位芳纶短切纤维和对位芳纶浆粕纤维的共混性很好。     

添加芳纶纤维对成纸结构和性能的影响

制备了不同芳纶纤维含量的复合纸,对纸的组织和性能进行了分析。结果表明,未涂布胶乳时,芳纶纤维含量对定量、厚度和紧度无明显影响,但是涂布却明显使定量、厚度和紧度增大。芳纶纤维和涂布都弱化撕裂度指数。随着芳纶纤维含量的增加,抗张强度先增加后减小;涂布明显提高抗张强度。芳纶纤维对耐折度和耐破度影响不明显,但涂布有利于提高耐折度和耐破度。芳纶纤维对纸性能的影响主要包括两方面,一是芳纶纤维的强度比天然纤维的大,其次是芳纶纤维与天然纤维的结合强度比天然纤维间的小,当前者起主导作用时该性能变好,否则就下降。     

对位芳纶纤维成纸性能研究

本研究针对芳纶纤维的抄造特性,初步探讨了芳纶纤维的预处理、打浆性能与纤维微观形态对芳纶纸性能的影响。研究表明,芳纶短切纤维用十二烷基苯磺酸钠(LAS)预处理后,可以明显改善其分散性能;芳纶浆粕纤维在槽式打浆机中进行打浆处理,在一定范围内,随着打浆度的提升,可以有效提升芳纶纸成纸性能。     

PEO分散芳纶纤维及分散机理研究

芳纶纤维的亲水性差、极易絮聚,对芳纶纤维抄纸带来很大的不利。本研究利用聚氧化乙烯(PEO)分散芳纶纤维,研究PEO用量、疏解转数大小对PEO分散效果的影响,并对PEO分散机理进行了初探。实验结果发现,在一定范围内,随着PEO用量的增加会显著提升芳纶纸各项性能,在PEO用量为0.5%时,成纸各项性能达到最佳。疏解转数大小对芳纶纤维的分散效果也有明显的影响,随着转数增大,纸页性能会明显上升,但并不是越大越好。     

对位芳纶沉析纤维及其纸基材料性能的研究

采用扫描电子显微镜、比表面积仪、纤维形态分析仪、X射线衍射仪等对比分析了对位芳纶沉析纤维和对位芳纶浆粕纤维的微观形貌、形态参数、结晶结构以及成纸性能。实验表明,与对位芳纶浆粕纤维相比,对位芳纶沉析纤维呈非粒状且尺寸较小,外形上既像皱膜又像薄片,表面活性高,比表面积大,达到7.35 m2/g;纤维细碎化程度高,长度均一性好,柔软性好,强韧性高;结晶度为28.55%,具备细微丝晶结构,有利于成纸的匀度和强度;配抄成纸机械强度和电气性能均高于对位芳纶浆粕纤维配抄的纸。     

FT-IR分析芳纶纸基纤维氢键结构

高性能芳纶纤维除了刚性芳环结构贡献外,分子链之间的氢键结构也对其性能有显著影响。本研究采用傅里叶红外光谱分析方法,对比了不同芳纶纤维的红外吸收峰与吸收强度的差异性,揭示不同芳纶纤维表观结晶性能的差异性。研究结果表明:所用的3种芳纶纤维化学结构并无明显差别,而吸收强度的不同很大程度来源于大分子链之间的氢键缔合程度的不同。本方法可以应用于其他含酰胺键的聚合物纤维研究工作。