芳綸短切纖維-芳綸漿粕增強云母紙性能的研究
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王臘梅1 陸趙情1，* 張美娟2 丁 威2 魏 寧1 郝 楊1
（1．陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室， 陜西西安，710021;2．浙江仙鶴特種紙有限公司，浙江衢州，324022）
摘要：為了提高云母紙性能，研究了在CPAM改性劑作用下添加芳綸短切纖維和芳綸漿粕對云母紙性能的影響。采用單因素實驗確定了芳綸纖維用量及配比、CPAM改性條件以及丁苯膠乳用量對云母紙性能的影響。實驗結(jié)果表明，芳綸短切纖維和芳綸漿粕在總用量7%、配比為2：5時，可改善云母紙的機械性能和電氣性能；使用CPAM對云母鱗片進(jìn)行改性，當(dāng)改性時間30 min、改性濃度12%、改性劑CPAM用量1%時，芳綸云母復(fù)合紙的抗張強度較純云母紙?zhí)岣吡?15. 8%，介電強度提高45. 6%；丁苯膠乳用量為5%時，芳綸云母復(fù)合紙的抗張強度較CPAM改性芳綸云母復(fù)合紙的增加了123. 9%，對其電氣性能沒有影響。
關(guān)鍵詞：芳綸纖維；云母紙；CPAM;丁苯膠乳
中圖分類號：TS761.2 DOI：10. 11980/j. issn．0254-508X．2016. 04. 007
云母是一種天然生成的層狀硅酸鹽類礦物，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性能。云母紙是一種利用碎云母資源，通過濕法抄造而形成的紙張，保持了云母優(yōu)良的電氣性能，是高級安全電纜、家電、航空航天等領(lǐng)域不可缺少的絕緣材料。純云母紙抄造成形主要依靠鱗片間的靜電引力和范德華力，紙張強度低，不能直接應(yīng)用，一般需加入膠黏劑或樹脂，但過
多的添加劑會降低云母紙優(yōu)異的電氣性能，少膠或無膠云母紙逐漸成為云母紙發(fā)展的方向。芳綸纖維是一種由苯環(huán)和酚胺鍵構(gòu)成主鏈的有機化合物，具有優(yōu)良的物理強度性能和電氣絕緣性能，可作為云母紙基材料優(yōu)良的增強纖維。當(dāng)前，國內(nèi)對芳綸云母紙相關(guān)的研究較少，尚沒有相關(guān)的產(chǎn)品，而國外已經(jīng)開發(fā)出性能優(yōu)異的芳綸云母復(fù)合紙，應(yīng)用于有較高要求的電氣絕緣領(lǐng)域。因此芳綸纖維與云母鱗片通過合適的工藝進(jìn)行復(fù)合，以提高云母紙材料的強度是新興研究的熱點。
本研究主要通過測試不同條件下抄造的芳綸云母復(fù)合紙的機械性能和電氣性能，從而確定云母紙中芳綸短切纖維和芳綸漿粕的用量及其配比，陽離子聚丙烯酰胺( CPAM)改性劑濃度、改性時間和用量，以及丁苯膠乳用量的最佳工藝參數(shù)，獲得性能優(yōu)良的芳綸云母復(fù)合紙，從而在保證云母紙優(yōu)良的絕緣性能前提下提高紙張的機械強度，以延長材料的使用壽命和
穩(wěn)定性。
1實驗
1.1 實驗原料
1.1.1 云母原料及實驗試劑
實驗采用的是白云母，無色透明呈淺色，表面平整光滑，徑厚比大，有良好的解理面，表面活性基團多，云母鱗片由東方電機有限公司提供的廢云母紙疏解分散制得。
聚氧化乙烯( PEO)、CPAM、丁苯膠乳，均由國藥集團化學(xué)試劑公司生產(chǎn)。
1.1.2芳綸纖維
芳綸1414短切纖維，主要性能指標(biāo)：平均直徑12μm，長度6 mm，玻璃化溫度約2700C，相對分子質(zhì)量約2.7萬；芳綸1414漿粕，主要性能指標(biāo)：纖維平均長度介于0. 644~0.869 mm之間，纖維比表面積為7~9 m2/g。均由河北硅谷化工有限公司提供。
1.2實驗方法
1. 2.1芳綸云母復(fù)合紙的成形
芳綸云母復(fù)合紙定量115g/m2。先將芳綸短切纖維放人纖維疏解機中，用量0. 5%的PEO為分散劑，疏解20000轉(zhuǎn)后加入打漿度為350SR的芳綸漿粕，疏解3000轉(zhuǎn)后加入廢云母紙，混合疏解2000轉(zhuǎn)后，立刻加入紙頁成型器中抄造手抄片。經(jīng)104℃干燥器進(jìn)行干燥，干燥時間為10 min。
1.2.2 CPAM改性云母鱗片
配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 2%的CPAM溶液，在芳綸短切纖維和芳綸漿粕添加配比為2:5、分散劑PEO用量0.5%條件下，研究改性濃度、改性劑CPAM用量及改性時間對芳綸云母復(fù)合紙性能的影響。CPAM改性過程在轉(zhuǎn)速為200 r/min的攪拌下完成。
1.3實驗儀器
S260纖維疏解機，TD10 -200紙頁成型器，CS2672D全數(shù)顯耐壓測試儀，DC-HJY03電腦測控厚度緊度儀，062/969921抗張強度測試儀，S-4800掃描電子顯微鏡( SEM)。
2結(jié)果與討論
2.1芳綸短切纖維和芳綸漿粕配比對芳綸云母復(fù)合紙性能的影響
實驗中芳綸纖維總用量為5%~8%，改變芳綸短切纖維和芳綸漿粕的配比，與云母混合抄造獲得芳綸云母復(fù)合紙。
圖1為云母紙及芳綸云母復(fù)合紙的SEM圖。由圖1可以看出，純云母紙是依靠鱗片之間相互疊加而成形，鱗片之間結(jié)合力差，形成的孔隙多，導(dǎo)致云母紙力學(xué)性能低，難以直接應(yīng)用。而芳綸云母復(fù)合紙利用芳綸短切纖維自身細(xì)又長的特點將云母鱗片與芳綸漿粕連在一起，為紙張?zhí)峁┕羌茏饔�；同時芳綸漿粕比較柔軟，易纏繞，附在云母鱗片表面及形成的孔隙之中，兩種芳綸纖維的共同作用提高了云母紙的整體性能。
圖2為芳綸短切纖維與芳綸漿粕配比對芳綸云母復(fù)合紙性能的影響。由圖2可以看出，隨著芳綸纖維總用量的增加，芳綸云母復(fù)合紙的介電性能和抗張強度都所提高，同時，云母紙性能的變化有些波動，主要表現(xiàn)為芳綸短切纖維和芳綸漿粕配比小于1:1時，芳綸云母復(fù)合紙性能較好，同時因為添加芳綸短切纖維和芳綸漿粕，芳綸短切纖維比較長、強度高，可作芳綸云母復(fù)合紙的骨架物質(zhì)，芳綸漿粕比較柔軟，表面分絲帚化，將芳綸短切纖維和云母鱗片交聯(lián)成整體使其結(jié)合更加緊密，兩種纖維共同作用提高芳綸云母復(fù)合紙的整體性能，實驗結(jié)果表明，芳綸纖維最佳用量為7%，芳綸短切纖維與芳綸漿粕最佳配比為2:5。
2.2 CPAM改性云母
實驗研究了改性劑CPAM對芳綸云母復(fù)合紙的影響，主要采用單因素控制法研究了CPAM用量、改性濃度和改性時間這3個因素對芳綸云母復(fù)合紙性能的影響，實驗結(jié)果見圖3。
芳綸纖維屬于有機合成纖維，其表面結(jié)晶度高，疏水能力強，同時云母屬于無機硅酸鹽類礦，鱗片表面光滑、疏水，兩者復(fù)合時難以結(jié)合。因此選用CPAM對云母鱗片表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男�，其分子鏈可以固定在云母鱗片表面，在云母顆粒和纖維之間形成有機高分子鏈橋，有效地將云母鱗片和芳綸纖維連接在一起，提高復(fù)合材料的整體性，消除因為界面結(jié)合孔隙造成的復(fù)合材料缺陷。實驗結(jié)果表明，在CPAM改性時間為30 min、改性濃度為12%、CPAM
用量為1.0%時，芳綸云母復(fù)合紙性能最優(yōu)，抗張強度相對于純云母紙?zhí)岣吡?15.8%，介電強度提高了45.6%。
2.3添加丁苯膠乳
丁苯膠乳外觀為白色乳狀液，顆粒細(xì)小，耐堿性和耐水性良好，能生成強而韌的膜，且成膜的光澤度和平滑度較好，具有高黏合性，與紙基的結(jié)合力強，表面強度好，且丁苯膠乳有更好的膠體穩(wěn)定性和保水性。
在CPAM最佳改性條件下獲得改性云母鱗片，并以最佳配比的芳綸纖維形成混合漿料，分別添加用量1%、3%、5%、7%的丁苯膠乳黏結(jié)劑，實驗研究丁苯膠乳用量對芳綸云母復(fù)合紙性能的影響，實驗結(jié)果見圖4。
圖4結(jié)果表明，丁苯膠乳的加入可以提高芳綸云母復(fù)合紙的抗張強度，當(dāng)丁苯膠乳用量為5%時，芳綸云母復(fù)合紙的抗張強度較CPAM改性芳綸云母復(fù)合紙的提高了123.9%，同時在一定用量內(nèi)紙張的介電強度沒有受到影響。丁苯膠乳通過黏結(jié)特性將芳綸纖維和云母鱗片緊緊連接在一起，填補了云母鱗片與纖維之間的孔隙，使得芳綸云母復(fù)合紙結(jié)合得更加緊密，從而增強了紙張的表面強度，消除了紙張掉毛掉粉現(xiàn)象，但過量丁苯膠乳的加入，會影響到紙張的介電強度。所以丁苯膠乳的最佳用量為5%。
3結(jié)論
3.1實驗研究了添加芳綸纖維對云母紙性能的影響。實驗結(jié)果表明，芳綸短切纖維和芳綸漿粕的加入可以提高芳綸云母復(fù)合紙的強度性能。當(dāng)芳綸短切纖維與芳綸漿粕總用量為7%，且兩者配比為2:5時，芳綸云母復(fù)合紙的整體性能最佳。
3.2利用陽離子聚丙烯酰胺( CPAM)改性云母鱗片，以提高云母與芳綸纖維之間的界面結(jié)合力。實驗結(jié)果表明，CPAM改性時間為30 min、改性濃度為12%、CPAM用量為1.0%時，芳綸云母復(fù)合紙性能最優(yōu)，抗張強度相對純云母紙?zhí)岣吡?15.8%，介電強度提高45. 6%。
3.3為了提高芳綸云母復(fù)合紙的表面結(jié)合力，添加具有膠黏作用的丁苯膠乳。實驗結(jié)果表明，丁苯膠乳用量為5%時，芳綸云母復(fù)合紙的抗張強度較CPAM改性芳綸云母復(fù)合紙的提高了123. 9%，而電氣性能沒有受到影響。
