間位芳綸纖維配比對泡沫成形體系中泡沫性質(zhì)及紙張性能的影響

芳綸纖維紙基復合材料由于其優(yōu)異的絕緣性能、耐熱性能和強度性能，廣泛應(yīng)用于電氣絕緣、軌道交通和航空航天等領(lǐng)域[1]。但由于芳綸纖維表面光滑、缺少活性官能團、長度較長等缺點，在成紙過程中極易發(fā)生絮聚[2]，導致成紙勻度較差，影響芳綸紙綜合性能。為了改善芳綸纖維的分散性，常用的方法包括：①減小纖維長度，增加纖維粗度；②加入高效分散劑；③對纖維進行改性；④降低成形濃度[3]。其中，降低成形濃度是最簡單也是最有效的改善芳綸纖維分散性方法。一般采用植物纖維造紙，漿料上網(wǎng)濃度通常小于1%，而采用芳綸纖維時，為了保證纖維的均勻分散，上網(wǎng)濃度會低至0.005%~0.05%[4]，導致生產(chǎn)過程中用水量巨大。因此，提高芳綸紙成形濃度的同時保證芳綸紙性能是該領(lǐng)域急需解決的問題。

泡沫成形技術(shù)的出現(xiàn)為上述問題的解決提供了新思路。20世紀70年代，Radvan等人[5]提出泡沫成形技術(shù)，是指以泡沫代替水作為介質(zhì)來實現(xiàn)纖維分散和紙張成形。泡沫成形不僅可以提高長纖維的分散效果，而且可以提高成形濃度，降低造紙用水量[6]。目前，芬蘭國家技術(shù)研究中心（VTT）在泡沫成形領(lǐng)域做了大量的研究工作，主要集中在泡沫成形過程泡沫的表征、表面活性劑對植物纖維分散與成紙性能的影響，以及利用泡沫成形方法制備纖維素基的功能材料等方面[7-11]。2019年4月，VTT和芬蘭科學院共同投資300萬歐元在VTT位于Jyv?skyl?的工廠建設(shè)中試生產(chǎn)線，采用泡沫成形技術(shù)生產(chǎn)多孔材料、絕緣制品及非織造布等產(chǎn)品。然而，國內(nèi)對于泡沫成形技術(shù)的研究相對較少，且主要集中在植物纖維上[12]，在合成纖維的研究方面鮮有報道。

本研究主要是將泡沫成形技術(shù)應(yīng)用于間位芳綸紙的成形，重點研究了芳綸沉析纖維與短切纖維配比對泡沫性質(zhì)與芳綸紙性能的影響。

1實驗

1.1原料

間位芳綸沉析纖維，平均長度0.8mm，打漿度35.5°SR；間位芳綸短切纖維，平均長度6mm。十二烷基硫酸鈉（SDS），分析純，購自天津市北聯(lián)精細化學品開發(fā)有限公司。十二烷基苯磺酸鈉，分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司。聚氧化乙烯（PEO），購自阿拉丁試劑（上海）有限公司。

1.2儀器

IKAEUROSTAR20攪拌器（德國IKA）；AQJ1-B-Ⅱ紙樣抄取器（陜西科技大學造紙機械廠）；TD11-H紙頁壓榨機（咸陽通達輕工設(shè)備有限公司）；LAD07紙張塵埃勻度儀（加拿大）；062抗張強度儀（瑞典L&W）;CS2672CX耐壓測試儀（南京長盛公司）。

1.3實驗方法

1.3.1芳綸紙的抄造

采用十二烷基苯磺酸鈉對芳綸纖維進行預處理[13]，以去除纖維表面油劑。采用泡沫成形方法抄造芳綸紙時，其成形過程如圖1所示。實驗抄造的芳綸紙定量為63g/m2，將沉析纖維與短切纖維按照1∶9、3∶7、6∶4、7∶3、9∶1比例混合，加入0.4g/L的SDS，調(diào)節(jié)纖維質(zhì)量濃度為0.4%。設(shè)定攪拌器轉(zhuǎn)速3000r/min，攪拌漿料20min后，迅速倒入抄片器成形，經(jīng)壓榨、干燥后制得間位芳綸紙。采用水相成形時，芳綸沉析與短切纖維比例為6∶4，PEO用量為絕干纖維量的0.12%[14]。紙張成形之后，對芳綸紙熱壓處理，其條件為溫度250℃，壓力100kN，速度為3m/min。

1.3.2芳綸紙干度的測定

芳綸紙成形后，剪成3cm×7cm的紙片，稱量得到壓榨前紙張質(zhì)量m2；將紙張壓榨4min后，再次稱量得到壓榨后紙張質(zhì)量m3。最后將此紙張剪碎成約1cm×1cm的紙片并置于已經(jīng)恒質(zhì)量的稱量瓶（m1）中，再恒質(zhì)量4h，取出并放于干燥器中冷卻至室溫，記錄稱量瓶和紙樣質(zhì)量為m4。壓榨前后紙張干度的計算按照式（1）和式（2）進行。

壓榨前干度=1-m2-(m4-m1)m2×100%（1）

壓榨后干度=1-m3-(m4-m1)m3×100%（2）

1.3.3纖維保水值測定

稱取約0.5g的絕干漿料，置于離心管內(nèi)，以3000g的離心力離心30min后，取出漿料稱量，置于恒質(zhì)量的稱量瓶稱量，然后放入烘箱中干燥至恒質(zhì)量。保水值的計算如式（3）所示。

保水值=n1-n2n1×100%（3）

式中，n1表示離心后濕漿質(zhì)量，g；n2表示絕干漿質(zhì)量，g。

1.3.4泡沫性質(zhì)表征

采用起泡性、濾水體積和泡沫大小及分布表征泡沫性質(zhì)。實驗配制不同配比的芳綸沉析/短切纖維懸浮液，加入0.4g/L的SDS，攪拌轉(zhuǎn)速為3000r/min，每隔2min記錄一次體系泡沫高度，連續(xù)攪拌20min后記錄最終高度。通常用濾水體積達到50%初始液體體積所用的時間來表征泡沫的穩(wěn)定性[15]。采用顯微鏡獲取泡沫圖片，通過圖像統(tǒng)計法計算泡沫平均尺寸及尺寸分布。

1.3.5芳綸紙性能檢測

對所制備的芳綸紙恒溫恒濕處理24h后進行物理性能檢測?？箯堉笖?shù)根據(jù)國家標準GB/T12914—2018進行計算。擊穿電壓采用耐壓測試儀測定，擊穿強度為擊穿電壓與厚度的比值。

2結(jié)果與討論

2.1泡沫成形對芳綸紙干度的影響

圖2為泡沫成形體系下芳綸纖維配比對芳綸紙干度的影響。與水相成形相比，當沉析與短切纖維配比為6∶4時，泡沫成形制備的芳綸紙壓榨前干度提高了5個百分點，壓榨后芳綸紙干度提高了3個百分點。干度的提高有利于降低干燥能耗[16]。此外，隨著沉析纖維含量的增多，芳綸紙的干度有所下降，主要是由于沉析纖維保水值高（沉析纖維保水值為220.8%，短切纖維的保水值為15.3%）所致。

2.2泡沫性質(zhì)分析

泡沫體系下芳綸纖維配比對泡沫體系起泡性能的影響如圖3所示。由圖3可知，相比于純泡沫（無纖維）體系，纖維的加入會降低起泡高度。隨著沉析纖維含量的增加，起泡高度逐漸降低。這主要是因為纖維的加入會阻隔表面活性劑在氣液界面上的動態(tài)吸附與釋放，對泡沫的生成產(chǎn)生抑制作用。當表面活性劑用量與能量輸入一定時，由于纖維的阻隔作用，體系中傾向于產(chǎn)生更小的泡沫。

泡沫成形體系中，泡沫的穩(wěn)定性直接關(guān)系到漿料輸送過程中纖維分散狀態(tài)的穩(wěn)定性。圖4為芳綸纖維配比對泡沫體系穩(wěn)定性的影響。由圖4可知，與純泡沫（無纖維）體系相比，加入纖維后的濾水速度有所降低，且穩(wěn)定性隨短切纖維含量的增加而增強。據(jù)文獻報道，水從泡沫中濾到底部需經(jīng)過泡沫間的柏拉圖通道[17]。由于纖維存在于泡沫與泡沫之間的柏拉圖通道內(nèi)，阻隔了水的濾出，因此加入纖維后，泡沫體系的穩(wěn)定性有所提高。間位芳綸短切纖維由于長度更長，所以對水的阻隔作用更強，有利于減緩泡沫的演化，因此在泡沫體系中提高短切纖維含量可提高泡沫的穩(wěn)定性。此外，由圖4(b)可知，當沉析纖維與短切纖維配比為7∶3時，泡沫平均尺寸由110μm增加至140μm，致使泡沫之間的柏拉圖通道尺寸增加，因而水更容易濾出，穩(wěn)定性更差。因此，體系穩(wěn)定性隨短切纖維含量的增加而增加。

2.3芳綸纖維配比對芳綸紙性能的影響

2.3.1勻度指數(shù)

圖5為泡沫成形體系下芳綸纖維配比對芳綸紙勻度指數(shù)的影響。由圖5可以看出，在水相體系下，降低成形濃度可有效改善芳綸紙的勻度。當成形濃度為0.4%時，采用泡沫成形方法制備的芳綸紙具有更佳的勻度，且與水相體系0.05%成形濃度下制備的芳綸紙勻度指數(shù)接近。當芳綸紙勻度指數(shù)相近（39）時，采用泡沫成形技術(shù)可以使纖維成形濃度從0.05%提高到0.4%，成形濃度提高8倍。

2.3.2擊穿強度

圖6為泡沫成形下芳綸纖維配比對芳綸紙擊穿強度的影響。由圖6可知，泡沫成形體系中，隨著沉析纖維含量的增多，芳綸紙擊穿強度增大。當成形濃度為0.4%時，兩種成形方法制備的芳綸紙擊穿強度相當，而當水相成形濃度為0.05%時，擊穿強度卻稍低于泡沫成形體系所抄芳綸紙的。這是因為當水相成形濃度為0.4%時，由于在芳綸紙內(nèi)部纖維分布極不均勻，僅能測出沉析纖維集中的區(qū)域，導致測量值偏高。而當成形濃度為0.05%時，在芳綸紙內(nèi)部短切纖維與沉析纖維分布較為均勻，數(shù)據(jù)具有一定的可比性。由此可知，采用泡沫成形方法制備的芳綸紙由于纖維分散性得到改善，在較高的成形濃度下也可獲得較高的擊穿強度。

2.3.3抗張指數(shù)

圖7為泡沫成形體系下芳綸纖維配比對芳綸紙抗張指數(shù)的影響。由圖7可知，隨著沉析纖維含量的增多，抗張指數(shù)呈現(xiàn)先增后減的趨勢，并在芳綸纖維配比為6∶4處達到最大，與水相成形趨勢一致[15]。成形濃度為0.4%時，與水相成形方法相比，泡沫成形方法制備的芳綸紙抗張指數(shù)提高35.4%。降低水相成形濃度，芳綸紙抗張指數(shù)逐漸提高，主要是由于成形濃度的降低提高了纖維的分散性，纖維結(jié)合得到改善所致。

3結(jié)論

以間位芳綸沉析纖維與短切纖維為原料，采用泡沫成形方法研究了間位芳綸沉析與短切纖維配比對泡沫性質(zhì)與芳綸紙性能的影響。

3.1泡沫成形體系下，芳綸紙干度隨短切纖維配比的增大而增大；當沉析纖維與短切纖維配比為6∶4時，泡沫成形可使壓榨后芳綸紙干度提高3個百分點，有利于后續(xù)干燥能耗的節(jié)約。

3.2泡沫成形體系下，隨著短切纖維含量的增多，起泡性和泡沫穩(wěn)定性均增加，泡沫尺寸變小。

3.3與水相成形方法相比，當芳綸紙勻度指數(shù)接近39時，泡沫成形可大幅提高成形濃度，且對芳綸紙的擊穿強度影響不大；在相同的成形濃度（0.4%）下，泡沫成形制備的芳綸紙抗張指數(shù)比水相成形的芳綸紙?zhí)岣?5.4%。

來源：《中國造紙》：http://12-baidu.cn/w/zw/24523.html