熱壓對聚酰亞胺纖維紙性能的影響

陸趙情 徐 強 王志杰

(陜西科技大學輕工與能源學院，陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室，陜西科技大學教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室，陜西西安，710021)

聚酰亞胺是由單體二酐和二胺通過加熱聚合而生成的高分子雜環聚合物，其分子結構中的芳環密度較大，大分子中含有酞酰亞胺結構、含氮五元雜環、苯環、—O—鍵及—C═O鍵等基團［1］。由于聚酰亞胺主鏈鍵能大，分子間作用力強，穩定性好，并且其合成單體較容易制備和提取，使聚酰亞胺成為眾多雜環聚合物中唯一被工業界所接受，并達到萬噸級產量的品種。隨著科學技術的發展，一些高尖端領域如高速列車、航空航天及原子能等行業對耐高溫絕緣紙基材料的性能提出了更高的要求。與典型的高強高模纖維(芳綸纖維等)相比，聚酰亞胺纖維具有更高的熱氧化穩定性、介電性、耐水解性等，同時還有更高的強度和模量［2］，鑒于其優異的性能，歐美及日本等發達國家已經將聚酰亞胺纖維的應用拓展到了造紙領域，聚酰亞胺纖維紙基材料是未來電氣絕緣紙領域發展的一個重要方向。

由于經過濕法抄造的聚酰亞胺纖維紙結構疏松強度較差，紙張經過聚酰亞胺樹脂溶液浸漬后韌性較差，紙張發脆，對紙張進行熱壓處理，一方面可以軟化樹脂黏結劑，提高紙張緊度，增加纖維間結合力，另一方面可以使紙張中的芳綸漿粕起到纖維黏結劑的作用，提高了纖維間的結合力，使紙張形成整體受力的結構，改善紙張的強度性能和電氣性能。因此，熱壓是聚酰亞胺纖維紙生產過程中一道重要的工序，熱壓過程中的壓力和溫度對聚酰亞胺纖維紙的整體性能都有較大的影響。

1實驗

1.1 實驗原料及設備

5 mm聚酰亞胺纖維，長春高琦聚酰亞胺材料有限公司提供;聚酰亞胺樹脂溶液，長春高琦聚酰亞胺材料有限公司提供;打漿度55°SR芳綸1414漿粕，河北硅谷化工有限公司提供;BBS-3型紙頁成形器;XLB400×400×2型平板硫化機;S-4800型掃描電鏡;日本理學D/max 2200PC型自動X射線衍射儀等。

1.2 實驗方法

1.2.1 聚酰亞胺纖維原紙的制備

以聚酰亞胺纖維為主要纖維原料，同時加入6%(對絕干纖維)芳綸1414漿粕和0.06%(對絕干纖維)的PEO(聚氧化乙烯)，抄造定量為48 g/m2的原紙。

1.2.2 原紙的浸漬和熱壓處理

用N，N-二甲基乙酰胺將聚酰亞胺樹脂溶液稀釋至4%，將聚酰亞胺纖維原紙在聚酰亞胺樹脂溶液中浸漬，被樹脂溶液浸透后的聚酰亞胺纖維紙放入鼓風干燥箱中，在80℃的溫度下干燥1.5 h。然后在不同熱壓壓力和溫度下對浸漬后的聚酰亞胺纖維紙進行熱壓。平衡紙張水分24 h，檢測紙張的強度性能和電氣性能。

1.2.3 紙張結晶度的測定

采用日本理學D/max 2200PC型自動X射線衍射儀，用CuK輻射，管壓40 kV，管流40 mA，掃描速度為8°/min，得到紙張的X射線衍射強度曲線。采用圖解分峰法，利用MdiJade軟件對X射線衍射曲線進行多重峰分離，通過結晶峰面積之和除以總面積得到結晶度，考察熱壓溫度對紙張結晶度的影響。

2 結果與討論

2.1 熱壓溫度對聚酰亞胺纖維紙性能的影響

2.1.1 熱壓溫度對聚酰亞胺纖維紙強度性能的影響

紙張在不同溫度下的處理工藝如表1所示，熱壓溫度對紙張強度性能的影響如圖1所示。

圖1 熱壓溫度對紙張強度性能的影響

表1 紙張等壓升溫熱壓工藝

從表1中可以看到，隨著熱壓溫度的提高，紙張的厚度逐漸降低，紙張的緊度提高，主要是由于在高溫下樹脂黏結劑逐步接近玻璃軟化溫度而發生軟化［3］，同時隨著熱壓溫度的上升，原紙中細小的漿粕纖維產生軟化形變，將聚酰亞胺短切纖維黏結到一起，使芳綸漿粕和聚酰亞胺短切纖維共同形成了一種“鋼筋混凝土結構”［4-5］，纖維形成的這種整體受力的網絡結構有利于提高紙張的物理強度，因此當熱壓溫度從180℃上升到220℃時，圖1中的抗張指數曲線呈現出一定的上升趨勢。而溫度上升到220℃以后，抗張指數又有所下降，由于聚酰亞胺纖維和聚酰亞胺樹脂的性質較穩定，其熱分解溫度一般在500℃以上［6］，在熱壓溫度下不會產生物理或化學反應，其自身的強度不會受到影響，分析其原因可能是隨著熱壓溫度的升高，逐步形成的“鋼筋混凝土結構”限制了纖維的相對位移，紙張伸縮性降低所致［7］。

圖1中的撕裂指數曲線顯示，隨著熱壓溫度的上升，紙張的撕裂指數大體呈上升的趨勢。由于纖維長度和纖維間結合的緊密程度是影響紙張撕裂指數的主要因素，當熱壓溫度上升時，芳綸漿粕的軟化形變減小了相鄰纖維間的距離，增加了纖維間的結合力，提高了紙張緊度，纖維間的有效接觸面積增加，將纖維從紙張中拉出來時需要克服摩擦力做的功就越多［8］，從而隨著熱壓溫度的上升，紙張的撕裂指數提高。

實驗通過聚酰亞胺纖維紙的SEM圖進一步探討了熱壓處理對其性能的影響，紙張熱壓前后表面結構和斷面結構變化的SEM圖如圖2所示。

從圖2(a)可以看到，紙張熱壓前表面結構松散，纖維之間有較大的孔隙。從圖2(b)可以發現，熱壓后紙張的表面結構變得致密，纖維間孔隙明顯減小，這對提高紙張的強度性能是十分有利的。從圖2(c)和圖2(d)可以看到，熱壓過后紙張的橫斷面結構也發生了較大的變化，熱壓后纖維之間的間距變小，紙張厚度降低，有助于提高纖維間結合力，從而達到改善紙張強度性能的目的。因此，采用適當的熱壓工藝條件對紙張進行熱壓處理對制備高性能聚酰亞胺纖維紙基材料是至關重要的。

圖2 紙張熱壓前后表面及斷面結構SEM圖

2.1.2 熱壓溫度對聚酰亞胺纖維紙電氣性能的影響

熱壓溫度對紙張電氣性能的影響如圖3所示。

圖3 熱壓溫度對紙張電氣性能的影響

從圖3可以看出，當熱壓溫度從180℃上升到220℃時，紙張的耐 (電)壓強度出現了上升的趨勢，其主要原因是，隨著溫度的升高纖維間結合更加緊密，紙張孔隙度降低，暴露在電極間的纖維增加，而纖維的電阻率大于空氣的電阻率，從而紙張的最小擊穿電壓增大，紙張的耐壓強度提高。隨著溫度的進一步上升，由于紙張的抗張強度性能下降而最終導致耐壓強度出現了下降的趨勢。

隨著熱壓溫度的升高，聚酰亞胺樹脂黏結劑和漿粕發生軟化使紙張結構更加致密，紙張中空氣的體積率下降。一般而言，聚酰亞胺的介電常數在3.4 F/m左右［9］，而空氣的介電常數為1 F/m，最終導致紙張的介電常數出現小幅度上升的趨勢。另一方面，熱壓溫度對纖維的結晶度會造成一定影響［10］，而結晶度與聚合物的介電常數成正比關系［11］，為進一步探討和證明熱壓溫度與紙張介電性能的關系，實驗通過X射線衍射儀 (XRD)對經過不同熱壓溫度處理的紙樣的結晶度進行檢測和對比分析，其譜圖如圖4所示。

圖4 聚酰亞胺纖維紙的X射線衍射圖

衍射峰積峰強度值高說明晶化程度好，結晶度高。從圖4可以看出，經過高溫熱壓后紙張的積峰強度高于低溫熱壓處理紙張的積峰強度。原因是在較高溫度下高分子從無序的卷團移動到正在生長的晶體的表面，提高了分子的活動性，纖維中的分子鏈段發生重排從而加快了結晶。通過測定不同熱壓溫度處理的紙樣的結晶度發現，當熱壓溫度從180℃提高到260℃時，紙張的結晶度從7.01%提高到了16.7%，增幅較明顯，紙張結晶度的上升最終導致紙張介電常數增大。可見，熱壓溫度的升高是紙張介電常數增大的一個主要原因，實驗結果與有關研究結論相一致［12］。

2.2 熱壓壓力對聚酰亞胺纖維紙性能的影響

2.2.1 熱壓壓力對聚酰亞胺纖維紙強度性能的影響

紙張在不同熱壓壓力下的處理工藝見表2，熱壓壓力對紙張強度性能的影響如圖5所示。

表2 紙張等溫升壓的熱壓工藝

圖5 熱壓壓力對紙張強度性能的影響

從表2可以看到，隨著熱壓壓力的增加，紙張厚度迅速降低，從壓力為3 MPa時的0.227 mm降低到壓力為15 MPa時的0.175 mm，下降十分明顯，表明在高溫下，隨著壓力的增大紙張中纖維的間距縮小，紙張緊度提高。圖5的抗張指數曲線顯示，紙張的抗張指數隨著熱壓壓力的增加大體上呈現出上升的趨勢，主要是纖維間連接更加緊密，纖維間結合力增大的緣故。紙張的撕裂指數隨著熱壓壓力的提高呈現出下降的趨勢，可能是因為聚酰亞胺黏結劑屬于高強度耐高溫黏結劑，即使在300℃的高溫下，其黏結強度仍可達到30 MPa［13］，聚酰亞胺樹脂較大黏粘結力限制了纖維的相對位移。當纖維間的結合強度大于纖維自身強度時，在紙張測試的過程當中纖維不能夠發生相對滑動而斷裂，導致紙張韌性降低，最終撕裂指數降低。

2.2.2 熱壓壓力對紙張電氣性能的影響

熱壓壓力對紙張電氣性能的影響如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著熱壓壓力的增大，纖維間距離被拉近，紙張緊度增大而孔隙度減小，暴露在電極間的纖維數量增多，紙張的最小擊穿電壓增大，從而紙張的耐壓強度隨著壓力的增大出現上升的趨勢。同時，較大的壓力使紙張的結構更加致密，紙張的孔隙度降低，紙張中空氣體積率下降，而聚酰亞胺纖維的介電常數比空氣大［7］，所以紙張的介電常數隨著熱壓壓力的提高而增大。

圖6 熱壓壓力對紙張電氣性能的影響

3 結論

實驗探討了熱壓溫度和熱壓壓力對聚酰亞胺纖維紙性能的影響。

3.1 聚酰亞胺纖維紙的抗張指數隨著熱壓溫度的升高出現先上升后下降的趨勢，而隨著壓力的增大而上升;撕裂指數隨著熱壓溫度的升高而增大，隨著熱壓壓力的增大而降低。

3.2 熱壓溫度的變化對纖維的結晶度有一定的影響，并且聚酰亞胺纖維紙的介電常數隨著熱壓溫度的增加出現了上升的趨勢;耐 (電)壓強度受紙張緊度的影響較大，隨著紙張緊度的增大而上升。

3.3 當熱壓壓力為12MPa、熱壓溫度為220℃時，聚酰亞胺纖維紙有較好的綜合性能。

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