芳纶纤维结构特点与成纸性能之间的关系研究

摘要

芳纶纤维是上个世纪60年代末一种芳香族聚酰胺纤维，自问世以来，以其优异的机械性能、耐热性能、阻燃性能、电气绝缘性能及耐溶剂等性能而广泛应用于航空、航天、国防、电子、通讯、环保、化工和海洋开发等军民两用领域。芳纶纸作为芳纶纤维高端应用领域中的一种片材，如何充分利用芳纶纤维优异的物化结构性能成为提高其性能和产品档次的关键。近年来，在芳纶聚合物合成工艺以及芳纶纤维纺丝工艺过程中，LiCl/极性溶剂体系的应用逐渐显露其优点。此外，该溶剂体系还能够为芳纶纤维分子量等二级结构与性能的研究打下基础。本课题从芳纶纤维在LiCl/极性溶剂中的溶解性能入手，研究了芳纶纤维内聚能密度、分子量及其分布，结晶度等结构与热压光过程中芳纶纤维耐热性能的关系；以及芳纶纸热压光过程中纤维表面、界面与成纸性能的关系。其中主要结论如下： 芳纶纤维在LiCl/DMAc溶剂体系中的溶解性能比在LiCl/DMF系统中优越。当LiCl在DMAc中质量浓度达5％时，纤维溶解性能较强，此时的溶解液容纳水的能力也较高，溶解液的稳定性较好；溶解温度越高，纤维浓度越低，LiCl浓度越高，溶解性能则越强。然而温度过高时溶解液中由于NH2存在而使溶液颜色变深，适宜的溶解温度范围是80℃～110℃。溶解破坏了芳纶纤维分子链间氢键而破坏其凝聚态结构，纤维初始结晶度下降明显，而化学组成并无明显变化。 确定了芳纶纸纤维分离的新方法及其工艺。利用芳纶短纤维与浆粕的溶解性能巨大差异，依照减量计算方法得出Nomex未压芳纶纸中浆粕与短纤维的配比约为1.53:1。 确定了芳纶纤维结构与溶解性能的关系。芳纶纤维结构中分子量与结晶度是影响溶解性能的主要因素，其中结晶度影响更为显著。随着结晶度提高，内聚能密度增大，纤维分子链间等作用力也随之增强。 确定了芳纶纤维结构与耐热性能的关系。其一，确定了热压光对芳纶纤维粘度及对粘均分子量、内聚能密度，结晶度与玻璃化温度等结构性能的影响。结果显示：热压光导致芳纶纤维粘度、粘均分子量显著下降，而使其内聚能密度，结晶度与玻璃化温度提高。其二，由GPC-MALLS分析得知，造纸用芳纶纤维短纤维及浆粕的重均分子量10～15万，多分散系数在1～2。XRD分析表明，芳纶短纤维结晶度高于浆粕，浆粕呈现非晶态结构。由DSC-TG热分析可得，芳纶短纤维只出现裂解吸热峰，其他特征温度不很明显。相对而言，芳纶浆粕具有明显的玻璃化转变温度(起始于270℃左右)与冷结晶放热峰(起始于300℃左右)。芳纶纤维分子量越大、分子量分散系数越小以及冷结晶度越高，其裂解温度越高，其中纤维冷结晶能力取决于初始结构特点。纤维热裂解导致低分子量级分增多，颜色变深，纤维裂解开始前结晶度越高，则裂解峰积分强度越大。纤维热失重率随平均分子量增大、分子量分散系数减小而减少，然而纤维热失重大小并不取决于热裂解程度。 确定了芳纶纤维及浆粕表面能与其之间的粘接以及复合纸性能的关系并显示：芳纶纤维及浆粕的表面能为35～45mJ/m-2。其中，芳纶短纤维表面能稍高于芳纶浆粕，这使得芳纶短纤维在热压光过程中被芳纶浆粕润湿。纤维表面能越高越利于其表面可润湿性能，粘附功也随之增大。热压导致芳纶复合纸表面能下降，相对于Nomex纸，自制芳纶复合纸的表面能降低得更明显。芳纶短纤维与浆粕的色散分量和极性分量越匹配，表面能之差及界面张力越小，则芳纶复合纸中纤维之间的粘接力越强，抗张指数也越高，而对纸张撕裂度的影响不很明显。

目录

文摘

英文文摘

声明

1文献综述

1.1芳纶纸制造工艺研究进展

1.1.1芳纶纤维成形工艺

1.1.2芳纶纸热压光工艺

1.2芳纶纤维结构与性能研究现状与发展

1.2.1高分子溶液分析法在结构与性能研究中的应用

1.2.2仪器分析法在纤维结构与性能研究中的应用

1.3芳纶纤维表面与界面研究进展

1.3.1纤维界面粘接性能研究进展

1.3.2纤维表面能及材料性能研究进展

1.4课题来源及论文内容与方案、目的与意义

2芳纶纤维溶解及平均分子量的研究

2.1实验部分

2.1.1原料、试剂及仪器

2.1.2实验方法

2.2结果与讨论

2.2.1芳纶纤维溶解特性

2.2.2 Nomex未热压纸抄造比例分析

2.2.3纤维平均分子量与结晶度对溶解性能的影响

2.3小结

3芳纶纤维结构与耐热性能的研究

3.1实验部分

3.1.1原料、试剂

3.1.2实验方法

3.2结果与讨论

3.2.1芳纶纤维结构特点

3.2.2芳纶纤维耐热性能

3.3小结

4芳纶浆粕等温与非等温结晶性能的研究

4.1实验部分

4.1.1原料

4.1.2实验方法

4.2结果与讨论

4.2.1热处理温度对浆粕结晶性能的影响

4.2.2热压优化工艺中保温对成纸机械性能的影响

4.2.3浆粕非等温结晶性能分析

4.2.4浆粕等温结晶性能分析

4.2.5热压光优化工艺下浆粕结晶性能分析

4.3小结

5芳纶纤维表面、界面及其成纸性能的研究

5.1实验部分

5.1.1原料

5.1.2实验方法

5.2结果与讨论

5.2.1芳纶纤维表面接触角的确定

5.2.2芳纶纤维表面能分析

5.2.3芳纶纤维表面能与接触角的关系

5.2.4芳纶纤维界面张力及粘附功分析

5.2.5芳纶纸表面能分析

5.3小结

6结论与建议

6.1结论

6.2建议

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录