混合对位芳纶纤维体系对芳纶纸性能的影响

姚运振 黄毅汪 王伟峰 王 宜 胡 健 梁 云

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

混合对位芳纶纤维体系对芳纶纸性能的影响

姚运振 黄毅汪 王伟峰 王 宜 胡 健 梁 云

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

将长度为1 mm和 6 mm的两种对位芳纶 (PPTA)纤维复配成数均长度和质均长度均分别为 2、3、4、5 mm的混合 PPTA纤维体系。在纤维平均长度相同的情况下,对比了混合 PPTA纤维体系和单一 PPTA纤维体系对纸张结构和性能的影响。结果表明,混合 PPTA纤维体系较单一 PPTA纤维体系更有利于纸张紧度的提高;在纤维平均长度相同的情况下,混合 PPTA纤维体系的力学性能要优于单一 PPTA纤维体系的;采用质均长度表征混合 PPTA纤维体系的长度,其纸张性能随长度的变化规律与单一 PPTA纤维体系的相似。

混合 PPTA纤维;单一 PPTA纤维;纤维长度;纸张性能

纤维平均长度与纸张综合强度存在着密切的相关性,长纤维可以提供更大的结合面积和更好的作用应力分布,纤维间可产生更多的键结合,使得纤维网络强度更大;而短纤维及细小纤维的存在则可能使得纤维的接触更加紧密,有利于纤维的结合,从而提高纸张的物理性能。宋俊富[1]选用北美不同地区的 10种硫酸盐浆,发现纤维质均长度是影响纸张撕裂度的最重要单一指标,而纤维数均长度对纸张抗张强度的影响比质均长度要明显得多;Seth R S[2]通过采用不同质均长度的未干燥过的针叶木未漂硫酸盐浆,得到方程 T=-6.29+11.1D+5.82L-0.985L2,即纸张的抗张强度 T与纤维粗度 D成一次函数关系,与纤维质均长度 L成二次函数的关系,当质均长度达到2.95 mm时,纸张抗张强度达到最大值,随着纤维质均长度的继续增加,纸张抗张强度开始降低;Seth R S[2]在未打浆的针叶木硫酸盐浆中加入 8.2%的细小纤维组分时,纸张弹性模量提高 48%,耐折度提高了近 3.5倍;Richard[3]采用长短配合的混合人造纤维素纤维进行研究,当混合人造纤维质均长度与单一组分长度相同时,发现其分散性与长度的关系式非常相近。不同于传统的植物纤维纸,芳纶纸是一类重要的高性能纤维纸基材料,该材料具有密度小、比强度及比刚度高、抗冲击、突出的耐腐蚀性和自熄性、优良的耐环境和绝缘性、良好的高温稳定性和透电磁波性能等特点,但是以芳纶纸为代表的高性能纤维材料的组成及纸张结构和性能的报道还较少。本实验选用1 mm和 6 mm两种长度的对位芳纶 (PPTA)纤维复配成数均长度和质均长度均分别为 2、3、4、5 mm的混合 PPTA纤维体系,对比了混合 PPTA纤维体系和单一 PPTA纤维体系对纸张结构和性能的影响。

1 实 验

1.1 原料

PPTA纤维,长度 1、2、3、4、5、6 mm,直径15μm;PPTA浆粕,自制。

1.2 仪器

GBJ-A型纤维标准解离器 (PTI);快速凯赛法纸页成形器;J-DHY03A电动厚度测定仪 (国产);L&W062抗张强度测定仪 (瑞典);L&W009撕裂度仪 (瑞典);L&W180耐破度仪 (瑞典);KRK热压机 (日本 )。

1.3 实验方法

将 1 mm和 6 mm PPTA纤维按不同比例混合,控制 PPTA纤维质均长度 (Lw)和数均长度 (Ln)为2、3、4、5 mm,PPTA纤维质均长度和数均长度的计算公式如下:合 PPTA纤维纸还是单一 PPTA纤维纸,其紧度随PPTA纤维长度的增加总体上呈逐渐降低的趋势,可能的原因是:①随着 PPTA纤维长度的增加,纸张结构骨架变大,从而造成纸张厚度增加,紧度降低;②PPTA纤维长度增加导致了 PPTA纤维分散性变差,絮聚团增多,在一定程度上增加了纸张的厚度。

式中:i为 PPTA纤维序号;n为 PPTA纤维的总根数;L为 PPTA纤维的平均长度。

在 PPTA纤维长度分别为 2、3、4、5 mm的情况下,将混合 PPTA纤维所抄造纸的结构和性能与单一PPTA纤维所抄造纸的进行比较。实验中加入 10%的PPTA浆粕对纸张进行增强。

工艺流程:PPTA纤维和 PPTA浆粕混合疏解后进行抄片,定量 45 g/m2,然后进行热压 (200℃、0.4 MPa),最后进行性能检测。

2 结果与讨论

2.1 混合 PPTA纤维体系对纸张紧度的影响

纸张紧度随 PPTA纤维长度的变化见图1。从图1可以看出,PPTA纤维长度相同时 (混合 PPTA纤维长度不论是用数均长度还是质均长度表征),混合PPTA纤维抄造纸的紧度都要高于单一 PPTA纤维的,这可能是由于长短 PPTA纤维的搭配,短 PPTA纤维填补了由于只是单一 PPTA纤维造成的较大孔隙。所以,PPTA纤维长度相同时,混合 PPTA纤维相对于单一 PPTA纤维更有利于纸张紧度的提高。不论是混

图1 纸张紧度随 PPTA纤维长度的变化

PPTA纤维纸的扫描电镜 (SEM)图见图2。从图2可以看出,随着 PPTA纤维长度的增加,纸张的结构变得越来越疏松,骨架越来越大,较大的孔越来越多。

2.2 混合 PPTA纤维体系对纸张抗张强度的影响

混合 PPTA纤维体系对纸张抗张强度的影响见图3。从图3可以看出,相同 PPTA纤维平均长度时,混合 PPTA纤维体系用数均长度表征的纸张抗张强度最高,用质均长度表征的纸张抗张强度与单一 PPTA纤维的接近但稍高于后者。纸张抗张强度随着 PPTA纤维数均长度的增加变化趋势不太明显,随 PPTA纤维质均长度的增加基本呈线性关系。而随着单一PPTA纤维长度的增加,在 4 mm之前也是呈线性关系,但是在 4 mm之后,纸张抗张强度提高不大。在单一 PPTA纤维长度达到 4 mm以后,纸张抗张强度变化不大,这可能是由纸张匀度变化引起的。虽然PPTA纤维长度的提高使得单根 PPTA纤维的接触点增多,应力可分布于更广的面积上,从而提高纸张抗张强度,但 PPTA纤维长度的提高也使 PPTA纤维的絮聚趋势增大,纸张匀度变差,进而降低纸张的抗张强度。PPTA纤维长度在 4 mm之前,前者起主导作用,所以纸张抗张强度随 PPTA纤维长度的增加而提高,达到 4 mm以后,PPTA纤维的絮聚加强,对纸张抗张强度的降低作用与 PPTA纤维长度增加对纸张抗张强度的提高作用有了一定的抵消,导致纸张抗张强度的变化不是很大。

图2 PPTA纤维纸的 SEM图

从图2可以看出,长度为 5 mm时,单一 PPTA纤维有了明显的絮聚现象,相对于长度为 2、3、4 mm的 PPTA纤维的分布更加不均匀。混合 PPTA纤维体系是由 1mm和 6mm的 PPTA纤维复配而成,在长度达到 4 mm之后,虽然长度为 6 mm的 PPTA纤维的比例有提高,但是短 PPTA纤维的存在可降低PPTA纤维的絮聚,使得成纸匀度有很大的改善。因此,随着长 PPTA纤维比例的提高,纸张的抗张强度增大。

2.3 混合 PPTA纤维体系对纸张伸长率的影响

伸长率是衡量纸张强韧性的一项重要指标,伸长率的提高,能促进和改善纸张的内应力分配,减少应力集中,缓冲脉动张力对纸幅的拉断作用,防止和减少纸面的断裂[4]。纸张伸长率随 PPTA纤维长度的变化见图4。从图4可以看出,相同的 PPTA纤维长度时,混合 PPTA纤维体系的伸长率整体上要高于单一PPTA纤维体系的,但是相对于抗张强度,伸长率随质均长度的增加趋势在 PPTA纤维长度为 4 mm之前更接近于单一 PPTA纤维的,而随数均长度的增加,其整体上的变化则不明显,保持在 1.8%左右。随着单一 PPTA纤维长度的增加,纸张的伸长率是呈增加状态的,但在 2～3 mm时的增加速率要高于 3～5 mm时的,这可能也是由于纸张匀度的变差,影响了伸长率的提高。

2.4 混合 PPTA纤维体系对纸张撕裂度的影响

撕裂纸张所包括的功有:把纤维从纸中拉出来的功和把纤维拉断的功,且拉断 1根纤维所做的功比从纸张中拉出 1根纤维所做的功要小得多。所以若要得到撕裂度较高的纸张,需要将应力分布到较大的面积,也就是分布到更多数量的纤维上而不是把力量集中到小面积的少数纤维上[4]。

图5 纸张撕裂度随 PPTA纤维长度的变化

纸张撕裂度随 PPTA纤维长度的变化见图5。由图5可知,混合 PPTA纤维体系用质均长度表征相对于用数均长度表征,纸张撕裂度随 PPTA纤维长度变化的规律更加接近于单一 PPTA纤维体系的。与抗张强度和断裂伸长率随 PPTA纤维长度变化不同的是,相同 PPTA纤维长度时,混合 PPTA纤维体系的纸张撕裂度要比单一 PPTA纤维的高得多。在 PPTA纤维长度为 5 mm时,用数均长度表征的纸张撕裂度几乎是单一 PPTA纤维纸的 2倍,且在 2、3、4、5 mm 4个长度时,混合 PPTA纤维体系用质均长度表征的纸张撕裂度与单一 PPTA纤维纸撕裂度的平均比值为 1.44,高于抗张强度的 1.11。这可能是混合 PPTA纤维体系中 6 mm长 PPTA纤维发挥的作用,长 PPTA纤维的存在对纸张撕裂度的贡献很大,因为长 PPTA纤维提供了更多的纤维接触点。撕裂时,由于纤维是持续地被拉断的,一根纤维的拔出会带动与其接触的相邻纤维的拔出,所以相对于抗张强度,提高长度撕裂纸张时应力的作用范围更广。

纸张撕裂度随 PPTA纤维 3种长度的变化大都呈增加趋势,但是随数均长度的变化不明显。与抗张强度和断裂伸长率不同的是,在单一 PPTA纤维长度达到 4 mm后,纸张撕裂度的增加趋势并没有放缓,而是呈一直增加的状态,5 mm时,达到 2040 mN。这说明,纸张撕裂度在 PPTA纤维长度小于 5 mm的范围内受匀度的影响要小于抗张强度和断裂伸长率。这是因为,在进行撕裂时,纤维是持续地被拉断的,所以纤维的排列情况不是很重要[5-6]。

2.5 混合 PPTA纤维体系对纸张耐破度的影响

纸张耐破度随 PPTA纤维长度的变化见图6。从图6可以看出,耐破度随 PPTA纤维数均长度的增加变化不明显,随质均长度的增加是呈直线增加趋势的,而随单一 PPTA纤维长度的增加,在 4 mm时达到最大值 177 kPa,随后开始下降。这也说明,耐破度受纸张匀度的影响很大。

图6 纸张耐破度随 PPTA纤维长度的变化

与以上几个性能不同的是,在相同的 PPTA纤维长度时,单一 PPTA纤维纸的耐破度要高于混合PPTA纤维体系用质均长度表征的。这与植物纤维纸耐破度的影响因素有一定的差异,植物纤维纸的耐破度是抗张强度及伸长率的函数,即 BS=β×TI×ε1/2,耐破度 BS与抗张强度 TI成正比,与伸长率的平方根ε1/2成正比 (β为相关系数)[4,7]。按植物纤维纸的模型,由于混合 PPTA纤维体系的抗张强度和伸长率均要大于单一 PPTA纤维体系的,所以耐破度也要高于单一 PPTA纤维体系的,而实验的结果却与此相反,原因有待考究。

2.6 短 PPTA纤维的添加量对纸张性能的影响

在相同的平均长度时,混合 PPTA纤维纸的抗张强度、伸长率和撕裂度要高于单一 PPTA纤维纸的。说明 PPTA纤维长短搭配对于纸张的结构和某些性能会有有利影响。由于所有用质均和数均长度表征的混合 PPTA纤维都是由 6 mm和 1 mm的 PPTA纤维按不同的比例复配而成,现探讨 1 mm PPTA短纤维添加量对纸张性能的影响,结果见图7。

从图7可以看出,在 1 mm PPTA短纤维添加量为 40%之前,纸张的抗张强度、伸长率、撕裂度要高于纯 6 mm PPTA纤维纸的,且在添加量为 5%～20%间出现最大值;而耐破度则是随着 1 mm PPTA短纤维含量的增加呈下降趋势。这说明,对于合成纤维纸而言,并不是纤维越长纸的性能越好,某些性能是需要长短纤维组分的合理搭配,才能达到好的效果。

图7 1 mm PPTA短纤维添加量对纸张性能的影响

3 结 论

3.1 在纤维平均长度相同条件下,混合PPTA纤维(长度为 1 mm和 6 mm的 PPTA纤维混合)纸的紧度、抗张强度、伸长率、撕裂度均要高于单一 PPTA纤维纸的。

3.2 混合 PPTA纤维体系用质均长度表征的纸张性能更加接近于单一 PPTA纤维纸的。

3.3 在 PPTA纤维长度为 2～5 mm范围内,随单一PPTA纤维长度的增加,纸张紧度呈下降趋势;抗张强度、伸长率、耐破度受纸张匀度的影响较大,在长度达到 4 mm之后,这些性能增加放缓或降低;而撕裂度则受纸张匀度影响不大,呈一直增加的态势。

3.4 在混合 PPTA纤维中,长度为 1 mm的 PPTA纤维添加量在 40%以内时可提高纸张的抗张强度、伸长率和撕裂度,且添加量在 5%～20%比较合适。

[1] 宋俊富,潘定如,W illiam E Scott.纤维长度和粗度及其对成纸性能的影响[J].中国造纸,1992,11(8):35.

[2] Seth R S.The measurement and significance of fines[J].Pulp and Paper Canada,2003,104(2):41.

[3] Richard J Kerekes,Carolyn J Schell.Effects of fiber length and coarseness on pulp flocculation[J].Tappi Journal,1995,78(2):133.

[4] 胡开堂.纸页结构和性能[M].北京:中国轻工业出版社,2006.[5] 弗里雅捷.纸的性能[M].北京:中国轻工业出版社,1985.

[6] 凯西 J P.制浆造纸化学工艺学[M].3版.北京:轻工业出版社,1988.

[7] Farouk EL-Hosseiny.Effect of fiber length and coarseness on the burst strength of paper[J].Tappi Journal,1999,82(1):202.

The Effect ofM ixed Fiber System on the Properties of Aram id Paper

YAO Yun-zhen＊HUANG Yi-wang WANGWei-feng WANG Yi HU Jian L IANG Yun
(State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)

The mixed fiber system of number average length and length weighted are 2,3,4,5 mm respectivelywere prepared bymixing 1 mm and 6 mm para-aramid fibers,the effectof themixed fiber system compared to single component fiber system on the structure and properties of the resultant paperwere investigated,and the effect of fiber length on the structure and properties of the paperwas also studied.The results showed thatmixed fiber system isof benefit to the incrementof paper density,andwhen the average lengths are the same,itsmechanical properties are better than those of single component fiber system;The change trend of the paper properties of single component fiber system is s imilar to that ofmixed fiber system when the later is characterized byweighted length.

mixed PPTA fiber;single PPTA fiber;fiber length;paper properties

TS762.9

A

0254-508X(2010)12-0014-05

姚运振先生,在读硕士研究生;主要研究方向:高性能纸基与纤维复合材料。

(＊E-mail:418845218@qq.com)

2010-08-23(修改稿)

(责任编辑:陈丽卿)