腈纶纤维在密封纸板中的应用研究

李金宝，康 阳，夏新兴（.陕西科技大学轻工与能源学院，陕西西安 700；.浙江理工大学材料与纺织学院，浙江杭州3008）



腈纶纤维在密封纸板中的应用研究

李金宝1，康 阳1，夏新兴2
（1.陕西科技大学轻工与能源学院，陕西西安 710021；2.浙江理工大学材料与纺织学院，浙江杭州310018）

摘 要：以丁苯胶乳为弹性粘合剂，以腈纶纤维、芳纶纤维、矿物纤维以及阔叶木纤维等为增强纤维，以硫酸铝、CPAM、膨润土体系等为助流助滤剂，制备出了非石棉纤维密封纸板.研究了硫酸铝的添加量对密封纸板助留助滤性能的影响，以及腈纶纤维的添加量对密封纸板性能的影响和机理.结果表明：硫酸铝添加量为3%时，其助留助滤效果最佳；随着腈纶纤维添加量增多，密封纸板的抗张指数增大，回弹率先增后减，在添加量为8%时达到最大，压缩率先减后增，在添加量为8%时最小，应力松弛率和热失重率增大.

关键词：腈纶纤维；密封纸板；性能

0　引言

石棉因其具有耐化学腐蚀、抗热、阻燃、耐磨损、耐高温、增强效果好、加工容易、成本低等独特优点，而成为最早用于密封材料的原料之一，并被广泛地应用于密封领域.但自上世纪70年代以来，由于石棉及其高温分解物被确认属于致癌物质，越来越多的国家开始禁用石棉［1］.因此，传统的含石棉的密封材料生产开始越来越多地转为生产无石棉密封材料.

密封材料的生产方法主要有压缩成张法和造纸法［2］.其中，造纸法是二战后由西方国家首先发展起来的一种新型密封材料生产方法（其产品称为抄取板，或密封纸板），具有产量大、效率高、污染小、成本低等优点，是当前最为环保、理想的一种生产工艺［3］.

目前，许多工业发达国家，如美国、日本和德国等，先后研制开发出各种系列无石棉密封垫片［4－8］，旨在将无石棉密封材料推广至各种领域，从而实现全面禁用石棉密封材料.我国在这方面的研究虽然起步较晚，但是经过国内专家学者十多年的潜心研究，已经取得了显著的成效.

刘美红等［9］采用胶乳抄取工艺，对不同配方的抄取密封材料进行了拉伸性能、耐介质性能及压缩回弹性能等测试，并进行了比较及分析，制备出了具有良好综合性能的非石棉纤维抄取纸；熊浩、夏新兴等［10，11］研究了无石棉胶乳抄取板造纸法生产中存在的浆料留着及滤水困难问题以及适用于密封材料的填料；朱磊宁等［12］以丁腈胶乳为弹性黏合剂，以碳纤维、海泡石纤维、纤维素纤维等为代石棉增强纤维，采用胶乳抄取工艺制备出了无石棉密封材料，并经试验筛选获得了具有良好工艺性能的胶乳抄取无石棉密封材料及其最佳配方.

用于非石棉密封材料的纤维种类有很多，包括芳纶浆粕、纤维素纤维、酚醛纤维及矿物纤维等，其中芳纶浆粕是最常用的增强纤维.以这些材料制得的密封材料具有良好的综合性能，在某些方面甚至超过了石棉纤维材料.但由于受所用纤维的制约，其应用仍有一定的局限性，尤其是芳纶纤维价格过高，难以在国内普及推广.

美国Sterling公司开发出了专门用于生产非石棉垫片的聚丙烯腈纤维，即腈纶纤维，价格低于芳纶纤维.由其制得的密封材料在很多性能方面都可与使用芳纶浆粕的密封材料相媲美，其拉伸强度可达24MPa.但在国内并未得到足够重视，有关于腈纶纤维应用在密封材料领域的研究亦鲜有报道.

本研究将腈纶浆粕应用到密封纸板中，以造纸法制备了密封材料，探讨了制备体系的助留助滤性能、腈纶纤维的添加量对所得产品的影响等，以期获得含腈纶纤维密封纸板的最佳工艺.

1　试验部分

1.1 试验原料

硅藻土（SiO2含量90%～94%）；碳酸钙（PCC，97%）；膨润土（蒙脱石含量67.65%，QIBA）；阳离子聚丙烯酰胺（分子量600～700万，BASF）；腈纶浆粕（JLP－502型）、芳纶浆粕（DFP－103型），上海兰邦；丁苯胶乳（Styronal?300型，固含量49%～51%，BASF）；硫酸铝、十二烷基苯磺酸钠（SDBS），均为分析纯；硫磺分散体，自制.

1.2 试验仪器

标准纤维疏解器，NO.SE003型，瑞典L＆W公司；纸样抄取器，ZQJ1－B型，陕西科技大学机械厂；平板硫化机，XLB型，青岛鑫城一鸣橡胶机械有限公司；电脑自动抗张强度测定仪，L＆WSE－062型，瑞典L＆W公司；压缩回弹试验机，SX－A型，咸阳新益摩擦密封设备有限公司；蠕变松弛测试仪，FY－1型，咸阳新益摩擦密封设备有限公司；马弗炉，SX－2.5－10型，北京科伟永兴仪器有限公司；纤维形态分析仪（Morfi Compact），FS－300型，德国Techpap公司.

1.3 试验方法

1.3.1 无石棉纤维密封纸板的制备

在疏解后的混合纤维浆料中依次加入填料、硫酸铝、胶乳、硫磺分散体、CPAM和膨润土，混合均匀后经纸样抄取器抄造成形；再经压榨、干燥得到未硫化密封纸板；最后在平板硫化机中高温加压硫化，得到硫化密封纸板.

纸板定量为1 300g/m2.CPAM和膨润土用量分别为0.12%和0.2%（均以纸张干重计）.硫化工艺为：一段硫化时间20min、压力3MPa、温度110℃；二段硫化时间30min、压力10MPa、温度150℃.

抄纸配方见表1所示.

表1　无石棉密封纸板的试验配方（按干重计）

将疏解后的纸料悬浮液加入抄片器的成形圆筒中，经匀浆辊匀浆后用秒表记录从打开滤水阀门至水全部滤下的时间.

1.3.3 密封纸板的性能检测

（1）抗张指数测定：根据国家标准GB/T453－1989检测密封纸板的抗张力，计算出抗张指数.

（2）压缩回弹性能测定：根据国家标准GB3988－1983检测密封纸板的压缩回弹性能.

（3）应力松弛率测定：根据国家标准GB/T20671.5－2006检测密封纸板的应力松弛率.

（4）热失重率测定：参考行业标准JB/T9141.7－1999检测密封纸板的热失重率.

1.3.4 纤维形态分析［13］

称取0.3g绝干纤维于标准纤维疏解机中加水至1 000mL后疏解20 000转，取10mL纤维悬浮液稀释至1 000mL放入测量容器中，采用Morfi Compact进行分析观测.测定5 000根以上纤维，从而得出纤维的质均长宽比、弯曲指数、细小纤维含量等参数.

2　结果与讨论

2.1 硫酸铝添加量对密封纸板生产过程的助留助滤影响

以硫酸铝的添加量作为变量，按表1中的配方1进行抄纸，并测量总留着率.图1为硫酸铝添加量对密封纸板总留着率的影响情况.由图1可知，随着硫酸铝加入量的增加，总物料留着率明显增大，在3%时留着率达到87.58%.这是因为硫酸铝的添加改变了胶体颗粒表面的电性，使非石棉纤维、填料、胶乳间发生凝聚絮凝作用，增加了浆中纤维、填料和细小组分的留着；当添加量继续增加，在3% 到5%时，留着率几乎不变；在5%之后出现下降，这是因为过量的硫酸铝导致系统电荷扭转，从而影响了纸料中细小组分的留着.

表2为硫酸铝添加量对滤水时间的影响情况.由表2可知，当硫酸铝添加量很低时，胶乳吸附性很差，悬浮液呈乳白色，滤水很快；随着硫酸铝添加量的增加，滤水速率逐渐变慢，胶乳吸附性变好，悬浮液变得澄清，成纸匀度先变好后变差.这可能是因为带正电荷硫酸铝使非石棉纤维、填料、胶乳间发生凝聚絮凝，而纸板定量很大，下层最先留下来的纸料由于絮凝作用而紧密结合，对剩余悬浮液产生强烈的机械截留作用.硫酸铝用量越大，絮凝作用越大，从而使胶乳吸附性变好，乳液变得澄清，截留作用越明显，滤水变慢；硫酸铝添加量在3%以下时，随着添加量增加，纸料悬浮性能变好，成纸两面性减弱，匀度变好；继续增加硫酸铝添加量，滤水速率过慢，纸料悬浮液稳定性变差，产生结块使成纸匀度变差.

综上所述，当硫酸铝添加量为3%时最为合理.此时，制备过程滤水速率适中；胶乳吸附性好，悬浮液澄清稳定；成纸均匀，质量好；总留着率最大，达87.58%.

图1　硫酸铝添加量对总留着率的影响

表2　硫酸铝添加量对滤水时间的影响

2.2 腈纶纤维的形态分析

表3为两种纤维的Morfi Compact分析结果.由表3可知，与芳纶浆粕相比，腈纶浆粕纤维的细小纤维含量更大，弯曲指数更小，扭结指数更小，长宽比小.

表3　两种纤维的Morfi Compact分析结果

细小纤维指长度小于0.2mm的纤维.腈纶浆粕的细小纤维含量高达53.8%，芳纶浆粕为47.4%，说明腈纶浆粕的细碎程度较高，比表面积大，活性基团含量多，从而增大与胶乳等其它纸料的结合面积，增强了复合效果.

扭结指数间接反映了纤维的均一性和强韧性，扭结指数越大，均一性与强韧性越差.腈纶浆粕的扭结指数为40.80%，芳纶浆粕的扭结指数为47.85%，说明腈纶浆粕的强韧性较好，更有利于密封材料的增强，配抄成纸匀度和强度较好.

长宽比是纤维长度与纤维宽度的比值，反映了成纸时单位面积内纤维之间相互交织的次数.在密封纸板中，长宽比大的纤维可作为骨架纤维，长宽比小的纤维可作为功能性增强纤维.芳纶纤维长宽比较大，约为42，腈纶浆粕纤维约为23，说明所制备密封材料中芳纶纤维是骨架纤维，腈纶纤维主要是发挥增强作用.

2.3 腈纶纤维用量对密封纸板性能的影响

2.3.1 腈纶纤维对密封纸板抗张指数的影响

图2表示腈纶纤维用量对密封纸板抗张指数的影响情况.由图2可知，随着腈纶纤维用量的增加，密封纸板抗张指数呈增加趋势，当用量在4% ～8%时增加明显，在8%之后趋于平缓.这可能是因为腈纶浆粕中的细小纤维含量较大，表面含有大量极性基团－CN，与基体具有更好的界面黏合性能，因此随着用量的增大，抗张指数明显提高.

图2　腈纶纤维加入量对密封纸板抗张指数的影响

2.3.2 腈纶纤维对密封纸板压缩回弹性能的影响

图3、图4分别表示腈纶纤维用量对密封纸板回弹率和压缩率的影响情况.由图3～4可知，随着腈纶纤维用量的增加，密封纸板的回弹率呈现先增大后减小的趋势，当用量在8%时达到最大，为38.79%；压缩率呈先减小后增大的趋势，当用量在8%时达到最小，为12.23%.

结合表3，分析造成图3、图4中试验结果的可能原因是：腈纶纤维即为聚丙烯腈纤维，又叫人造羊毛.纤维自身性能极似羊毛，弹性较好，伸长20%时回弹率仍可保持65%，蓬松卷曲而柔软.基于腈纶纤维本身弹性较好的特点，随着腈纶纤维用量的增大，密封纸板的弹性增大，导致回弹率增大，在添加量为8%时达到最大.由于纤维总含量是一定的，当继续增加用量，密封纸板中的骨架纤维变少，受到压力后会产生局部压溃，变形恢复性能变差，即回弹率减小.

腈纶浆粕中含有大量细小纤维，表面含有大量极性基团－CN，优良的界面结合性能提高了密封纸板抵抗变形的能力，使密封纸板可压缩性变差.随着腈纶纤维用量的增加，密封纸板压缩率减小，在8%时达到最小.当继续增加用量时，由于骨架纤维过少，局部压力导致部分结合点断裂，从而压缩率变大.

图3　腈纶纤维加入量对密封纸板回弹率的影响

图4　腈纶纤维加入量对密封纸板压缩率的影响

2.3.3 腈纶纤维对密封纸板蠕变松弛性能的影响

蠕变松弛性能是表征密封材料最重要的性能之一.它反映了密封材料抵抗应力松弛和变形的能力.通常蠕变松弛越慢，应力松弛率越小，则残余压缩载荷越大，密封性能越好［14］.

腈纶纤维用量对密封纸板应力松弛率的影响情况如图5所示.由图5可知，随着腈纶纤维用量的增加，应力松弛率呈逐渐增大的趋势.当腈纶纤维用量在0%～8%之间时增加缓慢，应力松弛率仅从30%增加到了36%，在8%后增加迅速，当用量为12%时应力松弛率达到了60%.这是因为腈纶纤维的耐热性不如芳纶纤维，因此其抵抗应力松弛和变形的能力较差.

图5　腈纶纤维加入量对密封纸板应力松弛率的影响

2.3.4 腈纶纤维对密封纸板热失重率的影响

图6表示腈纶纤维用量对密封纸板热失重率的影响情况.由图6可知，600℃时的热失重率整体大于450℃时的热失重率，且都随腈纶纤维加入量的增加而增大，初始阶段增加趋势明显.当腈纶纤维用量从0%增加到8%时，450℃和600℃下的热失重率分别增加了11.9%和7.9%.增大趋势在腈纶纤维用量为8%之后趋于平缓.这进一步说明腈纶纤维的耐热性较差，在密封材料中不宜添加过多.

图6　腈纶纤维加入量对密封纸板热失重率的影响

3　结论

（1）硫酸铝有效地改善了密封制备过程中的助留助滤，当添加量为3%时最为合理.此时，制备过程滤水速率适中；胶乳吸附性好，悬浮液澄清稳定；成纸均匀，质量好；总留着率最大，达87.58%.

（2）腈纶纤维和芳纶纤维在密封材料中具有很好的协同互补作用.芳纶纤维长宽比大，是密封材料的优良骨架，腈纶浆粕的强韧性更好，更有利于密封材料的增强，配抄成纸匀度和强度更好.

（3）随着腈纶纤维用量的增加，密封纸板抗张指数呈增加趋势，回弹率先增大后减小，压缩率呈先减小后增大的趋势，含腈纶纤维密封材料的压缩回弹性能整体好于不含腈纶纤维材料.

然而，由于腈纶纤维的耐热性较差，会导致密封纸板应变松弛率和热失重率增大.这说明适量的腈纶纤维对密封纸板的性能有所改善，但不宜添加过多.

参考文献

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Study on the application of acrylic fiber in sealing paperboard

LI Jin－bao1，KANG Yang1，XIA Xin－xing2
（1.College of Light Industry and Energy，Shaanxi University of Science ＆Technology，Xi′an 710021，China；2.College of Materials and Textiles，Zhejiang Sci－Tech University，Hangzhou 310018，China）

Abstract：Selecting styrene butadiene latex as elastic adhesive，using acrylic fiber，aramid fiber，mineral fiber and broad－leaved wood fiber as reinforced fiber，applying aluminum sulfate，CPAM and bentonite as retention and drainage agents，non－asbestos fiber sealing paperboard was prepared.The influence of aluminum sulfate amount on retention and drainage performance were studied，as well as the effect and its mechanism of acrylic fiber amount on properties of sealing paperboard.The results showed that retention and drainage performance are best when adding amount of aluminum sulfate is 3%；With adding amount of acrylic fiber increasing，the tensile index of the sealing board increases，the rebound rate increases firstly and then decreases and reaches the maximum when adding amount is 8%，the compression ratio decreases firstly and then increases and reaches the minimum when adding amount is 8%，the stress relaxation rate and heat loss rate increase.

Key words：acrylic fiber；sealing paperboard；properties

作者简介：李金宝（1976－），男，陕西周至人，副教授，博士，研究方向：生物质资源高值化利用、特种纤维纸基材料

基金项目：陕西省科技厅科技统筹创新工程计划项目（2012KTCQ01－36）；浙江理工大学科研启动基金项目（14012081－Y）

收稿日期：2015－03－29

文章编号：1000－5811（2015）04－0013－05

文献标志码：A

中图分类号：TS758(＋).7