热压改善对位芳纶纸结构和性能的机理研究

摘要

对位芳纶纸力学性能优异、耐高温且质轻绝缘，可作为蜂窝结构材料或绝缘材料应用于航空航天、交通电力或国防通讯等高科技领域。对位芳纶沉析纤维是近几年研发出来的新型纤维原料，目前产业化的对位芳纶纸均是以浆粕纤维和短切纤维作原料，而沉析纤维相对于浆粕纤维具有更好的湿加工性能和复合增强效果，更重要的是其可单独成纸，且其与短切纤维复合成纸后不经热压也具有较高强度，但是相关研究很少。热压是获得更高性能芳纶纸的重要工段，但是对于热压改善芳纶纸的结构和性能的机理却鲜见研究。
　　本论文首先对比分析了对位芳纶短切纤维、沉析纤维和浆粕纤维在表观形貌、形态参数和结构性能等方面的差别，分析了沉析纤维用于制备非热压成品芳纶纸的可能性，为高性能芳纶纸的原料选择提供理论依据。结果表明:相对于浆粕纤维，沉析纤维尺寸均一性较好，更加柔软可塑，在水中有更好的分散稳定性;沉析纤维的结晶度最低，仅有28.6％，与短切纤维和浆粕纤维的热稳定性相似;不同于浆粕纤维，沉析纤维可单独成纸，不经热压时，芳纶沉析纸的抗张指数、撕裂指数和耐压强度依次为15.3N·m/g、8.4mN·m2/g、10.7kV/mm，芳纶沉析/短切复合纸的抗张指数、撕裂指数和耐压强度依次为34.1N·m/g、20.8mN· m2/g、1.9kV/mm，后者的力学性能接近热压后的芳纶浆粕/短切复合纸的强度。
　　其次分析了热压工艺对于获得更高性能芳纶纸的必要性，结果表明:热压过程中需要力、热协同作用才能有效改善对位芳纶纸的结构和成纸性能;热压后芳纶纸的结构变得致密，孔隙减少，但它们的化学结构不改变，且芳纶沉析纸的分子间氢键缔合程度增大;热压后芳纶纸的结晶度提高，芳纶沉析纸的结晶度由原始的27.9％提高到34.5％，芳纶沉析/短切复合纸的结晶度由66.6％增加到77.3％，但它们的晶型变化不大;此外，热压后芳纶纸的的初始分解温度和TG10％都略有提升，热稳定性略有提高。
　　然后分析了热压对芳纶纤维的表面形貌、表面元素、力学性能、纤维间结合强度等方面的影响，从短切纤维增强芳纶纸强度角度研究了热压是如何改善芳纶纸和芳纶纤维结构和性能的机理。结果表明热压后芳纶纸的性能得到改善主要归因于以下几方面:短切纤维在高温高压下扭曲变形，比表面积增大，增大纤维间的机械啮合力，而且短切纤维表面原纤化增大纤维间的牵制力;热压促使短切纤维和沉析纤维紧密粘结在一起，提高了纤维间的结合强度;芳纶纤维表面的极性基团含量增多，增强了纤维间的润湿作用。
　　最后研究了热压过程中芳纶纸、芳纶纤维的结晶行为以及结晶变化对其热学性能的影响，并分析了芳纶纤维的残余热应力，进一步为热压改善芳纶纸性能提供了理论依据。结果表明:热压后短切纤维的变形和结晶变化使其在偏光显微镜下呈现出明暗相间的现象，且视野中出现更多的短切纤维，它的结晶度略有下降，但晶型不变;沉析纤维的结晶度、晶粒尺寸和晶面间距都增大，且晶型变得完善;芳纶纸结晶度的提高主要依赖于沉析纤维结晶度的增大和单位空间里短切纤维的体积分数的提高;沉析纤维的初始分解温度和玻璃化转变温度略有升高，且在热压过程中发生二次结晶，损耗正切曲线上冷结晶峰消失，但短切纤维的初始分解温度下降;热压不会引起芳纶纤维中产生残余热应力，在残余热应力方面不影响纤维间的结合情况。

目录

摘要

1 绪论

1．1 对位芳纶纤维及其芳纶纸的生产和应用

1．1．1 对位芳纶纤维的制备和结构

1．1．2 对位芳纶纤维的生产概况和应用

1．1．3 对位芳纶纸的生产和应用

1．2 对位芳纶纤维及芳纶纸的结构和性能研究进展

1．2．1 对位芳纶纤维结构研究进展

1．2．2 对位芳纶纸的结构和性能研究进展

1．3 论文研究内容

1．3．1 研究目的及意义

1．3．2 研究内容及方案

1．3．3 技术路线

2 对位芳纶纤维结构表征及其成纸性能研究

2．1 实验部分

2．1．1 实验原料

2．1．2 对位芳纶纤维形貌观察

2．1．3 对位芳纶纤维形态分析

2．1．4 对位芳纶纤维结构分析

2．1．5 对位芳纶纤维热学性能分析

2．1．6 对位芳纶纸的制备

2．1．7 对位芳纶纸性能分析

2．2 结果与讨论

2．2．1 对位芳纶纤维表观形貌观察

2．2．2 对位芳纶纤维形态参数分析

2．2．3 对位芳纶纤维化学结构分析

2．2．4 对位芳纶纤维结晶特性分析

2．2．5 对位芳纶纤维热学性能分析

2．2．6 对位芳纶纸的成纸性能分析

2．3 小结

3 热压对对位芳纶纸性能和结构的影响研究

3．1 实验部分

3．1．1 实验原料

3．1．2 对位芳纶纸制备

3．1．3 对位芳纶纸性能分析

3．1．4 对位芳纶纸结构分析

3．1．5 对位芳纶纸热学性能分析

3．2 结果与讨论

3．2．1 力、热单独作用对对位芳纶纸性能的影响

3．2．2 力、热协同作用对对位芳纶纸性能的影响

3．2．3 热压对对位芳纶纸表观结构的影响

3．2．4 热压对对位芳纶纸化学结构的影响

3．2．5 热压对对位芳纶纸结晶结构的影响

3．2．6 热压对对位芳纶纸热学性能的影响

3．3 小结

4 热压过程中短切增强芳纶纸机理研究

4．1 实验部分

4．1．1 实验原料

4．1．2 对位芳纶纸制备

4．1．3 纸张断面和纤维形貌观察

4．1．4 对位芳纶纤维比表面积分析

4．1．5 对位芳纶纸纤维间内结合强度分析

4．1．6 对位芳纶纤维表面元素分析

4．1．7 对位芳纶纤维力学强度分析

4．2 结果与讨论

4．2．1 热压对对位芳纶纸断面形貌的影响

4．2．2 热压对对位芳纶纸纤维间结合情况的影响

4．2．3 热压对对位芳纶纸纤维间内结合强度的影响

4．2．4 热压对对位芳纶纤维表面元素的影响

4．2．5 热压对对位芳纶短切纤维强度的影响

4．4 小结

5 热压对对位芳纶纤维的结晶和界面残余热应力的影响研究

5．1 实验部分

5．1．1 实验原料

5．1．2 对位芳纶纸和纤维样品制备

5．1．3 对位芳纶纸偏光显微镜观察

5．1．4 对位芳纶纤维结晶结构分析

5．1．5 对位芳纶纤维热重分析

5．1．6 对位芳纶纤维动态力学性能分析

5．1．7 对位芳纶纤维残余热应力分析

5．2 结果与讨论

5．2．1 对位芳纶纸的偏光显微镜观察分析

5．2．2 热压对对位芳纶纤维结晶结构的影响

5．2．3 热压对对位芳纶纤维动态力学性能的影响

5．2．4 热压对对位芳纶纤维热学性能的影响

5．2．5 热压对对位芳纶纤维残余热应力的影响

5．3 结论

6 结论与进一步研究的建议

6．1 结论

6．2 论文创新点

6．3 进一步研究建议

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

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