对位芳纶沉析纤维对芳纶纸基材料结构和性能的影响

陆赵情 江 明 张美云 宋顺喜 杨 斌

(陕西科技大学陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安，710021)

芳纶纸基材料是一种以对位芳纶沉析纤维和对位芳纶短切纤维为原料，利用现代造纸湿法抄造和热压成型技术制得的片状复合材料。因其具有强韧的机械性能、良好的介电性能、理想的耐高温性能以及灵活的可设计性，可作为绝缘材料、电子材料、结构材料在航空航天、交通电力、国防军事等特殊领域广泛应用［1］。

在芳纶纸基材料中，对位芳纶沉析纤维作为填充和黏结纤维，在高温高压的热压过程中塑性变形，黏结自身和对位芳纶短切纤维，共同形成类似钢筋混凝土的结构，从而赋予纸基机械结构和整体强度，因此，对位芳纶沉析纤维的形态特征及其在芳纶纸基材料结构中的含量等均对芳纶纸基材料的结构和性能有着直接的影响［2-3］。然而，由于对位芳纶沉析纤维是近年来新开发的差异化芳纶产品，目前国内外对其研究较少，主要集中于纤维性能表征和成纸制备工艺方面［4-5］，关于这种新型纤维与其纸基材料结构性能的关系尚未见报道。这种现象严重限制了对位芳纶沉析纤维在复合材料领域的应用，阻碍了芳纶纸基材料的进一步发展。

为解析这种新型纤维与芳纶纸基材料结构和性能之间的相关性，本研究首先分析了对位芳纶沉析纤维的表观形貌和形态结构，了解对位芳纶沉析纤维的抄造性能;其次测定芳纶纸基材料的孔径、孔隙率、分形维数等结构参数，定量分析对位芳纶沉析纤维对芳纶纸基材料孔隙结构的影响;最后探讨了对位芳纶沉析纤维对芳纶纸基材料机械强度和绝缘性能的影响。

1实验

1.1 实验原料

对位芳纶沉析纤维 (简称沉析纤维)，国外某公司提供，游离度175 mL;对位芳纶短切纤维 (简称短切纤维)，国内某化学纤维公司提供，长5～6 mm，直径10 μm;聚氧化乙烯 (PEO)，日本助友精化株式会，相对分子质量约为300万～400万;十二烷基苯磺酸钠 (LAS)，分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 纤维形貌观察

将绝干纤维经喷金处理后，在S-4800扫描电子显微镜 (SEM)上进行观察，采用二次电子成像模式，加速电压为3.0 kV。

将绝干纤维在SPA400-SPI3800N原子力显微镜(AFM)上进行观察，扫描范围为5 μm×5 μm，利用其自带软件计算纤维表面粗糙度并生成三维视图。

1.2.2 纤维质量分析

采用德国TECHPAP生产的FS-300纤维质量分析仪 (Morfi Compact)测定沉析纤维的长度、粗度、卷曲指数、扭结指数和细小纤维含量等形态参数。

其中，细小纤维含量FC的计算见式 (1)。

式中，Nf为纤维长度小于200 μm的纤维数量;N为纤维总数。

扭结指数K采用Kibblewhite公式，即式 (2)计算。

式中，N为扭结数量;N的下标为扭结角度的范围;L为样品纤维总长度。

1.2.3 芳纶纸基材料的制备及性能检测

采用LAS溶液预处理短切纤维，烘干后与沉析纤维按一定的质量比混合，加入分散剂PEO，利用标准分散器进行疏解分散后，在ERNSTHAAGEBBS-3抄片器上湿法成形，手抄片定量为45 g/m2。将手抄片原纸通过三辊式热压机热压成形，热压温度控制在250℃，压力14～16 MPa。

按照国家标准检测方法及行业标准测定芳纶纸基材料的各项性能:抗张指数、伸长率用SEO64抗张强度仪测定，撕裂指数用ProTear撕裂强度测定仪测定，耐压强度用CS2672D全数显耐压测试仪测定。

采用SEM观察芳纶纸基材料的表面和截面，表面观察时，样品充分干燥后喷金处理，采用二次电子成像模式，加速电压为3.0 kV。截面观察时，样品需进行液氮冷冻和超薄切面，其加速电压为15 kV。

采用美国Micromeritics公司的Auto PoreⅣ9500压汞仪 (MIP)测试芳纶纸基材料的孔隙结构，仪器测试参数为:低压初始压力5.00 Psi(1 MPa=145 Psi)，低压阶段最高压力30 Psi;高压初始压力30 Psi，最大压力33000 Psi;由压力对应的孔径测试范围5.0 nm ～1000 μm。

2 结果与讨论

2.1 沉析纤维的形态特性

2.1.1 沉析纤维的表观形貌

沉析纤维通过在芳纶聚合体的低温缩聚溶液中添加沉析剂，经高速离心剪切而制得，特殊的制备工艺决定了其独特的表观形貌，如图1所示。

图1 沉析纤维的表观形貌

由图1(a)可知，沉析纤维呈非刚性的薄膜状褶皱结构，分丝帚化现象明显，纤维形态细小，柔软性好，类似一张微型的黄色手帕，其长度为0.2～1.0 mm，比表面积为7～8 m2/g。由图1(b)可知，沉析纤维表面粗糙，具有大量的片状微纤，可能是晶体结构和无定形材料的共同体［6-7］。通过软件分析，沉析纤维表面粗糙度 (Ra)为10.89 nm，结合图1(b)表面高度分析可以看出，微纤结构引起的表面皱褶最高达54.78 nm，与SEM观察到的纤维形貌一致。

沉析纤维的表面粗糙度和形态柔顺性，保证了沉析纤维具备较大的比表面积和较好的分散效果，增加了纤维间的接触点和结合力，为其在湿法成形过程中形成良好匀度和强度的片状材料提供了有利条件［8］。

2.1.2 沉析纤维的形态参数

外语学习者常常会出现交际现场的望而却步，想尝试却又羞于开口或是不敢开口说。这种时候并不是他们真的缺乏口语表达的能力，而是迫于不能承受因万一失误而出错就会在他人面前丢了面子的心理压力。这种不自信，一方面是由于对自己外语语言能力的不确定；另一方面还是因为平时应用该语言的机会太少，无论是语言的熟练度还是心理的承受力都需要相当一段时间的适应。消极的心理暗示若不及时阻止就会极大地阻碍口语输出的顺利进行。而最有效的心理疏导方式就是让外语学习者多接触纯正的目的语应用语境，让他们在真实的语言环境中慢慢放下戒备和恐惧，自然而然地融入交流的过程，从尝试表达到能无拘无束地自由畅谈。

沉析纤维在制备和处理过程中难以避免地会发生一定程度的切断和压溃，纤维润胀和细纤维化现象明显，纤维形态呈现多分散性，因此，沉析纤维的形态特征对其抄造性能和成纸性能有着重要影响，其形态参数如表1所示。

由表1可知，沉析纤维的数均长度为0.394 mm，质均长度为0.479 mm，两者相差不大，说明纤维分布集中，均一性好［9］，这种形态特征使其在湿法抄造时能与短切纤维形成更好的结合，利于成纸强度。Morfi Compact测试过程中，细小纤维指长度小于0.2 mm的纤维。由表1可知，沉析纤维中细小纤维含量为71.9%，表明沉析纤维细碎化程度较高，比表面积较大，胺基含量较多，因而能与纤维、树脂等形成很好的亲和性，增强纸基材料的复合效果。

卷曲是指纤维逐渐连续的弯曲，由表1可知，沉析纤维卷曲指数较小 (21.8%)，说明其细小柔顺，在抄造时能包裹在短切纤维周围，为形成良好的接触创造条件。扭结指数是指纤维曲率的急剧变化，可间接反映纤维的强韧度。扭结指数越小，纤维越强韧，其纸基材料的增强效果越显著［10］。

2.2 沉析纤维对芳纶纸基材料结构的影响

芳纶纸基材料是由沉析纤维和短切纤维组成，其中短切纤维作为骨架材料，均匀贯穿分布在芳纶纸基材料的三维结构中，部分短切纤维因高温高压而产生变形，增大了纤维间的接触面积，利于纤维间结合力的形成。沉析纤维作为填充和黏结材料，分布均匀，紧紧围绕在短切纤维周围，这主要是由其形态特征所决定。热压过程中沉析纤维产生塑性变形，像黏合剂一样将短切纤维镶嵌固着在其里面，从而形成一种类似钢筋混凝土的紧凑结构［11］，具体结构如图2所示。

表1 沉析纤维质量分析结果

图2 芳纶纸基材料的表面和截面形貌

与此同时，实验还发现芳纶纸基材料的内部存在较多孔隙 (见图2)。其原因是沉析纤维热学性能稳定，在热压过程中不能熔融，进而导致纤维间难以完全结合，因此，芳纶纸基材料中沉析纤维的含量对其结构有着直接的影响。采用全自动压汞仪测量不同沉析纤维含量的纸基材料，计算得出其孔径、比表面积、孔隙率和分形维数等结构参数，其结果如表2所示。其中，分形维数是分形理论与材料学相结合的产物，也是综合评价复合材料孔结构特性的重要参量，能够反映出材料孔隙结构的规整程度。分形维数值越小，说明材料的孔隙结构越规整和优化［12-13］。

表2 沉析纤维含量对芳纶纸基材料结构的影响

由表2可知，随着沉析纤维含量的增加，芳纶纸基材料的孔径、比表面积、孔隙率和分形维数均呈现逐渐减小的趋势，这主要是因为沉析纤维的形态柔顺、尺寸细小，且在芳纶纸基材料中主要充当的是填充和黏结材料，因此其配抄含量越大，越有利于纤维间的黏附结合，从而使芳纶纸基材料结构紧凑，孔隙的空间分布情况得到改善，最终使芳纶纸基材料的强度增加。然而这种趋势也在逐渐减缓，由表2还可知，沉析纤维虽然能够显著改善芳纶纸基材料的结构，但改善的程度随纤维含量的增加而逐渐降低。

2.3 沉析纤维对芳纶纸基材料性能的影响

2.3.1 沉析纤维对芳纶纸基材料机械强度的影响

沉析纤维在芳纶纸基材料中充当填充和黏结材料。当芳纶纸基材料发生机械作用时，首先发生破坏的是沉析纤维与短切纤维的结合部分，若没有沉析纤维，芳纶纸基材料就失去机械强度，因此，沉析纤维含量是芳纶纸基材料机械强度的主要控制因素。图4为沉析纤维含量对芳纶纸基材料机械强度的影响。

图3 沉析纤维含量对芳纶纸基材料机械强度的影响

由图3可知，芳纶纸基材料的抗张指数和撕裂指数均呈现先升后降的趋势。当沉析纤维的含量为70%时，芳纶纸基材料的机械性能最佳，其抗张指数为39.4 N·m/g，撕裂指数为19.1 mN·m2/g。这主要是因为沉析纤维独特的形态特征，使其能够显著改善芳纶纸基材料的结构，随着沉析纤维含量的增加，芳纶纸基材料的结构逐渐紧凑，纤维间结合力增加，从而引起芳纶纸基材料整体强度提高。但是随着沉析纤维的进一步增加，沉析纤维对芳纶纸基材料结构的改善能力降低，同时芳纶纸基材料中沉析纤维平均长度减小，最终导致其机械性能下降。

2.3.2 沉析纤维对芳纶纸基材料绝缘性能的影响

芳纶纸基材料的绝缘性能主要是通过测定其耐压强度来进行表征。而耐压强度的大小与材料的孔隙结构存在直接的关系。由于芳纶纤维的电阻率大于空气的电阻率，芳纶纸基材料的孔隙越少，纤维间结合越好，包含的空气量越少，其耐压强度就越大［14］。由表2可知，沉析纤维含量对芳纶纸基材料的孔隙结构具有显著的改善作用。图4为沉析纤维含量对芳纶纸基材料绝缘性能的影响。

图4 沉析纤维含量对芳纶纸基材料绝缘性能的影响

由图4可知，芳纶纸基材料的耐压强度随沉析纤维含量的增加呈现逐步上升趋势。当沉析纤维含量为70%时，芳纶耐压强度为22.2 kV/mm，而实验同时测得纯沉析纤维成纸的耐压强度高达29.7 kV/mm。其主要原因是沉析纤维和短切纤维都具有良好的绝缘性能，但由于沉析纤维形态柔顺细小，其含量越高，纤维组分黏合程度和纸基匀度越大，从而纸基的绝缘性能也就越好。

由以上分析可知，沉析纤维的含量对芳纶纸基材料的性能存在直接的影响。当沉析纤维含量为70%时，芳纶纸基材料的机械性能和绝缘性能能够得到很好的兼顾，此时，其抗张指数为39.4 N·m/g，撕裂指数为19.1 mN·m2/g，耐压强度为22.2 kV/mm。

3 结论

实验分析了对位芳纶沉析纤维与芳纶纸基材料(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。

3.1 对位芳纶沉析纤维的形貌表征表明，沉析纤维呈薄膜褶皱状，表面粗糙度 (Ra)为10.89 nm，其形态柔顺，尺寸细小，分丝帚化现象明显，且易于分散，为纤维之间提供了更多的接触点和更大的结合力，利于成纸匀度和强度的提高。

3.2 对位芳纶沉析纤维的形态分析表明，沉析纤维的质均长度为0.479 mm，细小纤维含量为71.9%，纤维尺寸分布集中，均一性好，细碎化程度高，这使得沉析纤维具有较大的比表面积和较高的表面活性，利于增强芳纶纸基材料的复合效果。

3.3 对位芳纶沉析纤维能够在芳纶纸基材料中均匀分布，其含量与芳纶纸基材料的孔隙结构参数之间存在密切的关系，沉析纤维含量越高，芳纶纸基材料的孔径、比表面积、孔隙率和分形维数均越小，表明芳纶纸基材料的结构越紧凑，纤维间结合越好;综合考虑芳纶纸基材料的机械性能和绝缘性能，沉析纤维的最佳含量应为70%左右。

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