二次热处理对芳纶纸蜂窝高度变化趋势及影响因素分析

孙 达，许光群，皮志超

（芜湖创联新材料科技有限公司，安徽 芜湖 241000）

芳纶纸蜂窝重量轻、强度高，且具有优良的阻燃性、介电性，被广泛应用于航空航天、轨道交通和体育器材等领域[1]。在芳纶纸蜂窝表面铺贴胶膜、预浸料，在一定温度和压力下固化可制成芳纶纸蜂窝夹层结构是芳纶纸蜂窝的常用使用方式。调查表明，夹层结构在固化成型后容易出现在高度方向收缩的现象。对芳纶纸蜂窝夹层结构的原材料（胶膜、复合材料、芳纶纸蜂窝）进行分析，发现胶膜和复合材料尺寸、形态不易受温度和压力影响，而芳纶纸蜂窝芯材由于芳纶纸张的吸水性强，尺寸容易受高温环境的影响。

芳纶纸蜂窝是使用芳纶纸、芯条胶和酚醛树脂经涂胶、裁切、铺叠、热压、拉伸、定型、浸胶和固化等工序制成的蜂窝状结构[2]。芯条胶和酚醛树脂性能稳定，不容易受热收缩；芳纶分子是由酰胺键相互连接的芳基所构成的线型大分子[3]，因为酰胺键具有易吸水的性质，芳纶纸在环境中容易吸水膨胀，推测芳纶纸的吸水特性可能是导致夹层结构尺寸问题的重要原因。

本文通过研究温度处理对芳纶纸尺寸变化的影响，分析芳纶纸蜂窝在不同温度下的收缩规律和原因，对芳纶纸蜂窝的生产应用过程具有理论指导意义。

1 实验材料及方法

1.1 烘干处理对芳纶纸尺寸变化的影响

芳纶纸采用烟台民士达特种纸业股份有限公司的YT822 型间位芳纶纸，纸张厚度分别为0.04、0.05、0.08 mm。纸张的M 方向为纸张的机械牵引方向，T 方向为蜂窝高度方向。按照图1 在纸张M、T 方向各绘制5 条长度相等的直线，进行2 次平行试验，测量烘干前后M、T 方向的尺寸变化率。

图1 芳纶纸尺寸变化实验方法

1.2 烘干温度对芳纶纸蜂窝高度变化的影响

采用烟台民士达特种纸业股份有限公司的YT822 型号间位芳纶纸，按照芳纶纸涂胶、叠合、热压、拉伸、烘干、浸胶、净化和固化工序制备芳纶纸蜂窝。按照图1 所示将不同规格蜂窝裁切至规定尺寸，纸张厚度分别为0.04、0.05、0.08 mm，孔格边长选用常见的1.83、2.75、5.5 mm（表1）。按照图2 所示测量指定点位的蜂窝厚度，共做7 组实验，每组测量8 点位并取平均值。

表1 实验样品参数

图2 芳纶纸蜂窝高度变化实验方法

7 组芳纶纸蜂窝片材使用鼓风烘箱分别在90、120、150 ℃条件下烘干1 h，测量烘干后的高度，与烘干前进行对比，计算尺寸变化率。

1.3 烘干后蜂窝块的环境处理

将烘干试验后的样品置于外部环境放置8 h，对比环境处理后的蜂窝相比烘干之前的高度变化。

2 结果与讨论

2.1 烘干处理对芳纶纸尺寸变化的影响

对比不同厚度的芳纶纸（0.04、0.05、0.08 mm）在150 ℃条件纵向、横向尺寸变化的结果。由图3 可知，不同厚度芳纶纸经热处理后在M、T 方向上均会发生收缩。M 向收缩率随纸张厚度增加而增加，T 向收缩率随纸张厚度增加而降低。

图3 芳纶纸M、T 向尺寸在烘干处理后的变化

2.2 烘干处理对蜂窝片高度的影响

2.2.1 烘干温度的影响

烘干处理后的蜂窝均会发生高度方向的收缩。图4—6 为蜂窝孔格边长为1.83 mm 时热处理温度对不同纸张厚度的芳纶纸蜂窝高度影响的实验结果。由图4 所示，选用0.04 mm 纸张的蜂窝（1.83-0.04）在进行二次热处理时，芳纶纸蜂窝在高度方向会发生明显收缩，且烘干温度对蜂窝高度方向的收缩量影响不大。由图5 可知，当增大纸张厚度，1.83-0.05 样品在进行二次热处理时，芳纶纸蜂窝在高度方向也会发生明显收缩，且随着烘干温度的升高，芳纶纸蜂窝在高度方向的收缩量也逐渐增大。1.83-0.08 样品的纸张厚度选用0.08 mm，如图6 所示，二次热处理同样会使蜂窝在高度方向发生收缩，且随着烘干温度的提高，收缩量呈现先上升后降低的趋势，当烘干温度为120 ℃时，收缩量相比90 ℃烘干时明显提高，而150 ℃烘干时的收缩量相比90 ℃有所降低。

图4 1.83-0.04 不同温度烘干后的尺寸变化

图5 1.83-0.05 不同温度烘干后的尺寸变化

图6 1.83-0.08 不同温度烘干后的尺寸变化

图7—9 为当蜂窝孔格边长为2.75 mm 时，热处理温度对不同纸张厚度芳纶纸蜂窝高度的影响。由图7可知，使用纸张厚度为0.04 mm 芳纶纸制造芳纶纸蜂窝时，2.75-0.04 样品在进行热处理后的高度发生明显收缩，且随着烘干温度的提升，收缩量变化不大。提高纸张厚度，对2.75-0.05 样品进行烘干后，芳纶纸蜂窝高度同样发生收缩（图8）。随着烘干温度的提高，2.75-0.05 在高度方向的收缩量呈现先升高后降低的趋势。由图9 可知，2.75-0.08 样品在不同温度热处理后都出现了明显收缩，且随着烘干温度的升高，2.75-0.08 在高度方向的收缩量也呈现逐渐升高的趋势。

图7 2.75-0.04 不同温度烘干后的尺寸变化

图8 2.75-0.05 不同温度烘干后的尺寸变化

图9 2.75-0.08 不同温度烘干后的尺寸变化

图10 为当蜂窝孔格边长为5.5 mm 时，烘干温度对不同纸张厚度芳纶纸蜂窝高度的影响。烘干后的芳纶纸蜂窝在高度方向发生明显收缩，随着烘干温度的升高，收缩量呈现逐渐升高的趋势。

图10 5.5-0.08 不同温度烘干后的尺寸变化

2.2.2 芳纶纸纸张厚度的影响

图11、图12 分别为选用1.83、2.75 mm 孔格蜂窝规格，在不同温度烘干时，芳纶纸纸张厚度对蜂窝高度变化率的影响。蜂窝在高度方向的收缩率呈现随纸张厚度升高而降低的趋势，且这种趋势在孔格边长为1.83 mm 时更为显著。

图11 1.83-0.08 孔格蜂窝尺寸变化率与纸张厚度的关系

图12 2.75-0.08 孔格蜂窝尺寸变化率与纸张厚度的关系

这与芳纶纸烘干时在T 向（蜂窝高度方向）的收缩率趋势一致，说明芳纶纸蜂窝在高度方向的收缩与芳纶纸在加热时的收缩密切相关。

2.3 热处理造成芳纶纸蜂窝在高度方向收缩的原因

由图13 可知，对比1.83-0.08、2.75-0.08 和5.5-0.08 三组样品热处理前和在150 ℃热处理后放置8 h的蜂窝高度。发现放置8 h 后，蜂窝高度与热处理前基本一致。这说明烘干造成的高度收缩在静置8 h 后消失。

图13 环境处理后蜂窝高度与原高度对比

结合芳纶纸热处理收缩的变化规律可以知道，这是因为芳纶纸蜂窝片切后，端面上有许多裸露的纤维，芳纶纸暴露在环境中，在空气中能够快速吸收水分，使端面膨胀，厚度增加。当对样品进行烘干时，芳纶纸张中的水分挥发，体积发生收缩，因此将烘干后的芳纶纸蜂窝片在空气中放置8 h 后，收缩的体积会因为芳纶纸再次吸湿恢复原状。

3 结论

芳纶纸蜂窝片材在进行烘干处理时其高度会发生明显收缩，在空气中静置8 h 后收缩基本恢复，与烘干前状态一致。造成蜂窝高度发生收缩的主要原因是片切后的蜂窝芳纶纸纤维裸露在外，在环境中吸湿膨胀，因此加热后因水分挥发而收缩。高度收缩随着温度的升高基本呈现逐渐升高的趋势，这种趋势随着蜂窝孔格边长的增加逐渐明显。随着芳纶纸厚度的增加，蜂窝高度方向的收缩率逐渐降低，这与芳纶纸在高温下T向尺寸的变化一致。

综上所述，在使用芳纶纸蜂窝前建议进行烘干处理，防止蜂窝放置在空气中体积膨胀，对芳纶纸蜂窝的使用造成不良影响。