热压工艺对间位芳纶复合纸微结构与性能的影响

张素风 孙召霞 王 群 豆莞莞

(陕西科技大学轻工与能源学院，陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安，710021)

聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA，芳纶1313)主链中包括交替的苯环和酰胺基团(见图1)，芳香环作为结构骨架，强烈的分子间作用力使其具有很好的热性能、力学性能和化学稳定性［1］。间位芳纶复合纸由间位芳纶短切纤维和沉析纤维经湿法成形制成纸张。为了充分发挥芳纶纤维的优异性能并提高纸张的力学性能、电绝缘性和耐热性，需要对芳纶复合纸进行热压。在受到高温高压作用过程中间位芳纶沉析纤维部分软化并将间位芳纶短切纤维黏结在一起。因此，热压过程中，间位芳纶短切纤维和沉析纤维在纸张结构中的变化，对间位芳纶复合纸性能起着至关重要的作用。本实验重点研究130 ～240℃温度范围内的热压过程对间位芳纶复合纸微观结构的影响，包括纤维形态、纤维和浆粕之间的结构变化和间位芳纶复合纸纸张的机械强度等。

图1 聚间苯二甲酰间苯二胺化学结构图

1 实 验

1.1 实验材料

图2 图像分析过程图

间位芳纶短切纤维和沉析纤维，均为国产;短切纤维的平均长度为6 mm，直径为10 μm;沉析纤维长度或宽度在0.5 ～1.8 mm 范围内，厚度不超过2 μm，加拿大标准游离度(CSF)为375 mL。

1.2 间位芳纶复合纸的抄造和热压

间位芳纶手抄纸利用湿法造纸工艺制成。间位芳纶短切纤维和沉析纤维分别在水中分散，并按2∶3 的质量比混合稀释后，上网成形，经湿压榨、干燥，干燥温度为100℃。热压前纸张定量为116 g/m2。

间位芳纶复合纸的热压在三辊热压机上进行，热压速度为650 mm/min，线压力设为15 MPa。

1.3 扫描电子显微镜(SEM)观察

纸张的横截面在液氮中低温切割制得，然后使用S150 溅射镀膜机将样品喷金240 s，并用JEOL JSM-6400 扫描电镜进行SEM 观察，加速电压为10 kV。空间分辨率为0.15 μm/像素，大小为1000 ×804 像素。采用同样的方法观察各个纸样的表面。

1.4 间位芳纶复合纸物理性能测试

间位芳纶复合纸的厚度、紧度、抗张强度、伸长率、撕裂度均按照国家标准进行测试。每个纸样测定3 个样本。所有的测试都是在恒温恒湿条件下进行。

1.5 图像分析方法

图像分析过程如图2 所示。横截面图像的处理和分析采用图像J软件完成，网址为http://rsb. info.nih. gov/ij。首先，调整间位芳纶复合纸横截面图像，见图2 (a)，将SEM 图的域值转换成二值图像，见图2 (b)，尽可能大地调整对比度，使纤维的外边缘和纸张的孔隙等部位显示为黑色，纤维中心部位显示白色。在阈值图中可以读出域值，做出相对应的阈值图和灰度直方图，见图2 (c)。阈值及其在总测量面积中的面积分数相对应的像素数，通过该分析软件计算得出。

在直方图2 (c)中，纵轴表示不同亮度等级的像素数，横轴表示绝对亮度，数值在0 ～256 之间。灰度级为0 时表示纯黑，为255 时表示纯白。本实验中，图片中一个区域的灰度值可以用来表征短切纤维和沉析纤维的横截面和孔隙程度。

2 结果与讨论

2.1 间位芳纶复合纸横截面及表面SEM 观察

图3 间位芳纶复合纸表面形态SEM 图

图4 间位芳纶复合纸横截面SEM 图

表1 热压后间位芳纶复合纸孔隙结构及纤维的SEM 分析结果

采用扫描电镜对热压过程中纸张微观结构变化进行分析，结果见图3 和图4。由图3 和图4 可以看到，随着热压温度的上升，纸张表面逐渐变得平滑，内部结构更加紧密。如图3 (a)所示，未热压纸的表面可以清晰地看到单根短切纤维和沉析纤维游离状态的轮廓图。图4 (a)纸张横截面中短切纤维和沉析纤维随机且松散地分布在纸张结构内，经过热压后，纸张被压紧，见图4 (b)～4 (d)，纸张表面也变为类似膜状平滑的表面，见图3 (b)～3 (d)。随着热压温度的升高，纸张的表面膜状程度和紧度增加，如图3 (c)和图3 (d)所示。这表明沉析纤维展现出的塑性黏合性将短切纤维固着在一起［2-4］。

2.2 采用图像分析技术分析间位芳纶复合纸孔隙结构变化

纸张孔隙结构分析是定量表征纸张结构变化的有效方法，也是评价纸张组成的一种有效补充方法。表1 所示为采用图像分析技术对SEM图像中的间位芳纶复合纸结构中孔隙结构及纤维相关信息分析的结果。经过热压后，纸张内部的孔隙率显著下降，这与纸张紧度的增加一致。纸张内部的孔隙是由于间位芳纶沉析纤维受热收缩引起的，这是合成纤维的共同性能［5-6］。纸张在热压过程中，由于受到高温高压的作用大部分气体逸出、孔隙消失，只有少量孔隙依然存在，随后当间位芳纶沉析纤维收缩时针孔形成。这些针孔的存在除引起纸张的孔隙率增加外，还可能对纸张的撕裂度，甚至绝缘性能等产生影响［2，7-8］。

2.3 热压过程中间位芳纶复合纸物理性能的变化

热压是制备间位芳纶复合纸非常重要的过程，可以大幅提高纸张的整体性能。本实验选取热压温度在130 ～240℃之间，对纸张分别进行热压处理。图5 所示为热压前后间位芳纶复合纸的物理性能包括纸张紧度、抗张强度、伸长率及撕裂度的变化情况。

由图5 (a)、5 (b)和5 (c)可知，间位芳纶复合纸的紧度、抗张强度、伸长率在经过热压后都显著提高。热压温度为130℃时，纸张紧度为未经热压时的4 倍，抗张强度和伸长率也分别约为未经热压时的5 倍和7 倍;继续提高热压温度，各性能指标的增长速率都趋于缓和。纸张紧度的增加表明纸张中短切纤维和沉析纤维被压得更加紧密［9-10］。间位芳纶复合纸抗张强度的增加说明间位芳纶短切纤维和沉析纤维之间的黏结作用在热压后变得更加强烈。热压后更高的伸长率表明结构拉伸应变能力的提高，它可能是由纸张中熔融的纤维分子延伸运动所导致。

在图5 (d)中，随热压温度的变化，纸张的撕裂指数变化显示出一个与其他物理性能变化不同的趋势。热压温度为130℃时，撕裂强度约为未经热压时的2.2 倍。撕裂强度提高的主要原因是前面所述结构的压实和纤维间的黏结。然而热压温度继续大幅升高会导致纸张撕裂强度下降，这可能是由于间位芳纶短切纤维被熔融部分的沉析纤维黏结而固定。撕裂强度表示撕裂纸张时所需消耗的能量，纸张结构内间位芳纶短切纤维所受的束缚，限制了撕裂应力在纸张内部的传递，导致撕裂强度下降［11-12］。

图5 未经热压和经不同温度热压的间位芳纶复合纸的物理性能

3 结 论

3.1 经过热压后间位芳纶复合纸的表面变得光滑平整，内部结构变得密实，间位芳纶沉析纤维展现出塑性黏合性将短切纤维固定黏结起来。热压过程中，高温高压作用使纸张结构中大部分气体逸出，仅留存少量孔隙，图像分析结果为孔隙率约为20%。

3.2 热压过程可以使间位芳纶复合纸的抗张强度、伸长率和紧度等物理性能同时得到大幅提高。当热压温度为130℃时，间位芳纶复合纸的紧度、抗张强度和伸长率分别约为未经热压处理时的4、5 和7 倍。

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