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浅析高性能纤维纸基功能材料

王方 2019-02-20 2601 71

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造纸技术和纤维制造技术一直在进步,加上各种助剂的开发,人们有了充分条件可以利用无机纤维、金属纤维和合成纤维等非植物纤维生产纸基材料。合成纤维之一的高性能纤维制备成的纸基材料可广泛应用在航空航天、轨道交通和先进绝缘等高科技领域,成为各研究院所的研发重点。本文对高性能纤维、高性能纤维造纸技术和几种主要的高性能纤维材料进行了进行简要介绍。

  摘要:造纸技术和纤维制造技术一直在进步,加上各种助剂的开发,人们有了充分条件可以利用无机纤维、金属纤维和合成纤维等非植物纤维生产纸基材料。合成纤维之一的高性能纤维制备成的纸基材料可广泛应用在航空航天、轨道交通和先进绝缘等高科技领域,成为各研究院所的研发重点。本文对高性能纤维、高性能纤维造纸技术和几种主要的高性能纤维材料进行了进行简要介绍。

  何为高性能纤维?

  植物纤维是一种天然纤维,包括棉、麻和木纤维等,其主要成分是纤维素。合成纤维是将人工合成的、具有适宜分子量并具有可溶(或可熔)性的线型聚合物,经纺丝成形和后处理而制得的化学纤维。

  植物纤维相比合成纤维,具有可循环再生、可降解、吸水性和透气性好等优点,并且植物纤维可以形成氢键,不需加入粘合剂形成的纸张也具有优越的强度性能。但同时植物纤维纸也存在容易老化、返黄、不耐化学腐蚀、易吸湿变形、平滑度和光泽度低、耐温性差、易燃烧等多种缺陷。为了满足一些领域对于纸基材料的特殊功能要求,需要通过合成纤维来改善性能缺陷。通过对合成纤维的功能化,可以赋予纸张新的功能,具有植物纤维无法比拟的优势,能够拓宽纸张的应用范围。

  高性能纤维是合成纤维家族的成员之一,具有高模量、高强度、耐高温、较强的化学稳定性和耐候性等特点,是先进纸基复合材料的重要原材料。它以石油和天然气为原料,经过化学聚合、纺丝和加工等工序后生产。

  高性能纤维主要包括碳纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维和硅酸铝纤维。

  表1 主要的高性能纤维

  

  (资料来源:中国知网)

  高性能纤维造纸主要方法和关键技术

  将高性能纤维加工成高性能纤维纸基材料的方法主要分为湿法与干法两种:

  (1)湿法成形是将短纤维原料、粘结剂(热固性的树脂或是粘合性高的树脂等)加入纸浆中,湿法抄造成形后经热轧工艺制备而成。成纸性能的主要影响因素包括纤维粗细、长度、纤维表面粗糙程度、纤维表面活性基团、分散剂、纸浆、粘结剂、热轧温度、纸厚度等;

  (2)干法成形工艺则比较简单,它是利用气流或梳理成网的工艺,首先将原料纤维与粘合剂(热塑性、热固性粘合剂)均匀地铺设成网,制成厚度可控、均匀的非织造布,再经过轧光机热轧、热风穿透干燥工艺制得高性能纤维纸。

  目前我国高性能纤维纸基材料的制造理论和技术一直落后于美国、日本等发达国家,是我国高性能纤维纸发展的主要限制因素,主要体现在差别化纤维制备、分散技术、成型技术和加强技术等关键技术上。

  差别化纤维制备。高性能纤维无法单独成纸,一般加入黏结纤维或者树脂浸渍加工来提升成纸强度。这种方式存在工艺复杂、纸张热压后发脆、生成的材料性能下降等多种问题,需要寻找差别化功能纤维以提升材料的综合性能。

  分散技术。良好的分散是湿法抄造造纸的必要条件,分散是指纤维在水介质中需成为单根纤维的状态。不同的纤维使用的分散工艺和技术不同,可以从纤维特性、预处理技术、疏解和搅拌方式、分散助剂等方面考虑选择何种工艺和技术。

  成形技术。纤维原料多为细长型,缺乏足够的挺度,在存储和输送过程中容易发生絮聚,要在长纤维上网时提供足够的空间以维持其悬浮状态,才能防止絮聚的发生。由此出现了超低浓成形技术,目前适用于该技术的设备有圆网成型器和斜网成型器。而随着纸基功能材料的发展需要,可能会出现2种甚至2种以上成形方式的结合应用,如圆网-斜网、长网-圆网等。

  增强技术。不同于植物纤维,合成纤维没有氢键结合,要通过增强技术使合成纤维材料达到纸张的物理要求。目前有热压工艺、化学粘结、树脂增强等增强手段。

  几种主要的高性能纤维纸基材料

  高性能纤维纸基材料主要包括高性能芳纶绝缘纸基材料、耐电晕芳纶云母纸基材料、轻质高强对位芳纶蜂窝芯材、耐高温聚酰亚胺纤维纸基材料和高性能纸基摩擦材料等。

  表2 主要的高性能纤维纸基材料

  

  (资料来源:中国知网)

  结语

  本文介绍了高性能纤维、高性能纤维纸基材料以及高性能纤维造纸的主要方法和关键技术。目前我国已经基本掌握了高性能纤维纸基功能材料制备的关键技术,但随着高科技领域对新材料的要求越来越高,仍有许多技术问题需要进一步探索。


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