間位芳綸纖維配比對泡沫成形體系中泡沫性質及紙張性能的影響

甄曉麗 張美云 宋順喜 王珮瑤

摘要：采用泡沫成形方法抄造間位芳綸紙，研究了泡沫成形體系下芳綸沉析纖維與短切纖維配比對泡沫性質及紙張性能的影響。結果表明，與水相成形方法相比，采用泡沫成形方法可使壓榨后紙幅干度提高3個百分點。提高短切纖維含量，有利于提高濕紙幅于度、體系的起泡性能和泡沫穩定性。與水相成形相比，采用泡沫成形方法有利于分散長纖維，同時提高成形濃度。當達到相同的勻度指數時，采用泡沫成形方法可使抄紙成形濃度提高8倍;當成形濃度為0.4%時，泡沫成形制備的芳綸紙抗張指數與水相成形相比可提高35.4%，且擊穿強度基本不受影響;因此，泡沫成形方法對于提高芳綸紙成形濃度、節約干燥能耗、改善紙張性能方面具有突出優勢。

關鍵詞：間位芳綸纖維;配比;成形濃度;泡沫成形;紙張性質

中圖分類號：TS722

文獻標識碼：A

DOI： 10. 11980/j.issn.0254-508X.2019. 12. 004

芳綸纖維紙基復合材料由于其優異的絕緣性能、耐熱性能和強度性能，廣泛應用于電氣絕緣、軌道交通和航空航天等領域[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，上網濃度會低至0.005%～0.05%[4]，導致生產過程中用水量巨大。因此，提高芳綸紙成形濃度的同時保證芳綸紙性能是該領域急需解決的問題。

泡沫成形技術的出現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，是指以泡沫代替水作為介質來實現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，芬蘭國家技術研究中心（VTT）在泡沫成形領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Jyvaskyla的工廠建設中試生產線，采用泡沫成形技術生產多孔材料、絕緣制品及非織造布等產品。然而，國內對于泡沫成形技術的研究相對較少，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應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0.8 mm，打漿度35.5°SR;間位芳綸短切纖維，平均長度6 mm。十二烷基硫酸鈉（SDS），分析純，購自天津市北聯精細化學品開發有限公司。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

IKA EUROSTAR 20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63 g/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0.4 g/L的SDS，調節纖維質量濃度為0.4%。設定攪拌器轉速3000 r/min，攪拌漿料20 min后，迅速倒入抄片器成形，經壓榨、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100 kN，速度為3 m/min。

1.3.2芳綸紙干度的測定

芳綸紙成形后，剪成3 cmx7 cm的紙片，稱量得到壓榨前紙張質量m2;將紙張壓榨4 min后，再次稱量得到壓榨后紙張質量m3。最后將此紙張剪碎成約1 cmx1 cm的紙片并置于已經恒質量的稱量瓶（m1）中，再恒質量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0.5 g的絕干漿料，置于離心管內，以3000 g的離心力離心30 min后，取出漿料稱量，置于恒質量的稱量瓶稱量，然后放入烘箱中干燥至恒質量。保水值的計算如式（3）所示。

保水值=n1-n2/n1×100%

（3）

式中，n1表示離心后濕漿質量，g;n2表示絕干漿質量，g。

1.3.4泡沫性質表征

采用起泡性、濾水體積和泡沫大小及分布表征泡沫性質。實驗配制不同配比的芳綸沉析/短切纖維懸浮液，加入0.4 g/L的SDS，攪拌轉速為3000 r/min，每隔2 min記錄一次體系泡沫高度，連續攪拌20 min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定性[15]。采用顯微鏡獲取泡沫圖片，通過圖像統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24 h后進行物理性能檢測?？箯堉笖蹈鶕覙藴蔊B/T 12914-2018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吸附與釋放，對泡沫的生成產生抑制作用。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，體系中傾向于產生更小的泡沫。

泡沫成形體系中，泡沫的穩定性直接關系到漿料輸送過程中纖維分散狀態的穩定性。圖4為芳綸纖維配比對泡沫體系穩定性的影響。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，且穩定性隨短切纖維含量的增加而增強。據文獻報道，水從泡沫中濾到底部需經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，阻隔了水的濾出，因此加入纖維后，泡沫體系的穩定性有所提高。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110 um增加至140 um，致使泡沫之間的柏拉圖通道尺寸增加，因而水更容易濾出，穩定性更差。因此，體系穩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

圖5為泡沫成形體系下芳綸纖維配比對芳綸紙勻度指數的影響。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接近。當芳綸紙勻度指數相近（39）時，采用泡沫成形技術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，由于在芳綸紙內部纖維分布極不均勻，僅能測出沉析纖維集中的區域，導致測量值偏高。而當成形濃度為0.05%時，在芳綸紙內部短切纖維與沉析纖維分布較為均勻，數據具有一定的可比性。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

圖7為泡沫成形體系下芳綸纖維配比對芳綸紙抗張指數的影響。由圖7可知，隨著沉析纖維含量的增多，抗張指數呈現先增后減的趨勢，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提高35.4%。降低水相成形濃度，芳綸紙抗張指數逐漸提高，主要是由于成形濃度的降低提高了纖維的分散性，纖維結合得到改善所致。

3結論

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，有利于后續干燥能耗的節約。

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比水相成形的芳綸紙提高35.4%。

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（責任編輯：董風霞）