姚運(yùn)振 黃毅汪 王偉峰 王 宜 胡 健 梁 云

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640)

混合對位芳綸纖維體系對芳綸紙性能的影響

姚運(yùn)振 黃毅汪 王偉峰 王 宜 胡 健 梁 云

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640)

將長度為1 mm和 6 mm的兩種對位芳綸 (PPTA)纖維復(fù)配成數(shù)均長度和質(zhì)均長度均分別為 2、3、4、5 mm的混合 PPTA纖維體系。在纖維平均長度相同的情況下,對比了混合 PPTA纖維體系和單一 PPTA纖維體系對紙張結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明,混合 PPTA纖維體系較單一 PPTA纖維體系更有利于紙張緊度的提高;在纖維平均長度相同的情況下,混合 PPTA纖維體系的力學(xué)性能要優(yōu)于單一 PPTA纖維體系的;采用質(zhì)均長度表征混合 PPTA纖維體系的長度,其紙張性能隨長度的變化規(guī)律與單一 PPTA纖維體系的相似。

混合 PPTA纖維;單一 PPTA纖維;纖維長度;紙張性能

纖維平均長度與紙張綜合強(qiáng)度存在著密切的相關(guān)性,長纖維可以提供更大的結(jié)合面積和更好的作用應(yīng)力分布,纖維間可產(chǎn)生更多的鍵結(jié)合,使得纖維網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度更大;而短纖維及細(xì)小纖維的存在則可能使得纖維的接觸更加緊密,有利于纖維的結(jié)合,從而提高紙張的物理性能。宋俊富[1]選用北美不同地區(qū)的 10種硫酸鹽漿,發(fā)現(xiàn)纖維質(zhì)均長度是影響紙張撕裂度的最重要單一指標(biāo),而纖維數(shù)均長度對紙張抗張強(qiáng)度的影響比質(zhì)均長度要明顯得多;Seth R S[2]通過采用不同質(zhì)均長度的未干燥過的針葉木未漂硫酸鹽漿,得到方程 T=-6.29+11.1D+5.82L-0.985L2,即紙張的抗張強(qiáng)度 T與纖維粗度 D成一次函數(shù)關(guān)系,與纖維質(zhì)均長度 L成二次函數(shù)的關(guān)系,當(dāng)質(zhì)均長度達(dá)到2.95 mm時(shí),紙張抗張強(qiáng)度達(dá)到最大值,隨著纖維質(zhì)均長度的繼續(xù)增加,紙張抗張強(qiáng)度開始降低;Seth R S[2]在未打漿的針葉木硫酸鹽漿中加入 8.2%的細(xì)小纖維組分時(shí),紙張彈性模量提高 48%,耐折度提高了近 3.5倍;Richard[3]采用長短配合的混合人造纖維素纖維進(jìn)行研究,當(dāng)混合人造纖維質(zhì)均長度與單一組分長度相同時(shí),發(fā)現(xiàn)其分散性與長度的關(guān)系式非常相近。不同于傳統(tǒng)的植物纖維紙,芳綸紙是一類重要的高性能纖維紙基材料,該材料具有密度小、比強(qiáng)度及比剛度高、抗沖擊、突出的耐腐蝕性和自熄性、優(yōu)良的耐環(huán)境和絕緣性、良好的高溫穩(wěn)定性和透電磁波性能等特點(diǎn),但是以芳綸紙為代表的高性能纖維材料的組成及紙張結(jié)構(gòu)和性能的報(bào)道還較少。本實(shí)驗(yàn)選用1 mm和 6 mm兩種長度的對位芳綸 (PPTA)纖維復(fù)配成數(shù)均長度和質(zhì)均長度均分別為 2、3、4、5 mm的混合 PPTA纖維體系,對比了混合 PPTA纖維體系和單一 PPTA纖維體系對紙張結(jié)構(gòu)和性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料

PPTA纖維,長度 1、2、3、4、5、6 mm,直徑15μm;PPTA漿粕,自制。

1.2 儀器

GBJ-A型纖維標(biāo)準(zhǔn)解離器 (PTI);快速凱賽法紙頁成形器;J-DHY03A電動厚度測定儀 (國產(chǎn));L&W062抗張強(qiáng)度測定儀 (瑞典);L&W009撕裂度儀 (瑞典);L&W180耐破度儀 (瑞典);KRK熱壓機(jī) (日本 )。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將 1 mm和 6 mm PPTA纖維按不同比例混合,控制 PPTA纖維質(zhì)均長度 (Lw)和數(shù)均長度 (Ln)為2、3、4、5 mm,PPTA纖維質(zhì)均長度和數(shù)均長度的計(jì)算公式如下:合 PPTA纖維紙還是單一 PPTA纖維紙,其緊度隨PPTA纖維長度的增加總體上呈逐漸降低的趨勢,可能的原因是:①隨著 PPTA纖維長度的增加,紙張結(jié)構(gòu)骨架變大,從而造成紙張厚度增加,緊度降低;②PPTA纖維長度增加導(dǎo)致了 PPTA纖維分散性變差,絮聚團(tuán)增多,在一定程度上增加了紙張的厚度。

式中:i為 PPTA纖維序號;n為 PPTA纖維的總根數(shù);L為 PPTA纖維的平均長度。

在 PPTA纖維長度分別為 2、3、4、5 mm的情況下,將混合 PPTA纖維所抄造紙的結(jié)構(gòu)和性能與單一PPTA纖維所抄造紙的進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)中加入 10%的PPTA漿粕對紙張進(jìn)行增強(qiáng)。

工藝流程:PPTA纖維和 PPTA漿粕混合疏解后進(jìn)行抄片,定量 45 g/m2,然后進(jìn)行熱壓 (200℃、0.4 MPa),最后進(jìn)行性能檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合 PPTA纖維體系對紙張緊度的影響

紙張緊度隨 PPTA纖維長度的變化見圖1。從圖1可以看出,PPTA纖維長度相同時(shí) (混合 PPTA纖維長度不論是用數(shù)均長度還是質(zhì)均長度表征),混合PPTA纖維抄造紙的緊度都要高于單一 PPTA纖維的,這可能是由于長短 PPTA纖維的搭配,短 PPTA纖維填補(bǔ)了由于只是單一 PPTA纖維造成的較大孔隙。所以,PPTA纖維長度相同時(shí),混合 PPTA纖維相對于單一 PPTA纖維更有利于紙張緊度的提高。不論是混

圖1 紙張緊度隨 PPTA纖維長度的變化

PPTA纖維紙的掃描電鏡 (SEM)圖見圖2。從圖2可以看出,隨著 PPTA纖維長度的增加,紙張的結(jié)構(gòu)變得越來越疏松,骨架越來越大,較大的孔越來越多。

2.2 混合 PPTA纖維體系對紙張抗張強(qiáng)度的影響

混合 PPTA纖維體系對紙張抗張強(qiáng)度的影響見圖3。從圖3可以看出,相同 PPTA纖維平均長度時(shí),混合 PPTA纖維體系用數(shù)均長度表征的紙張抗張強(qiáng)度最高,用質(zhì)均長度表征的紙張抗張強(qiáng)度與單一 PPTA纖維的接近但稍高于后者。紙張抗張強(qiáng)度隨著 PPTA纖維數(shù)均長度的增加變化趨勢不太明顯,隨 PPTA纖維質(zhì)均長度的增加基本呈線性關(guān)系。而隨著單一PPTA纖維長度的增加,在 4 mm之前也是呈線性關(guān)系,但是在 4 mm之后,紙張抗張強(qiáng)度提高不大。在單一 PPTA纖維長度達(dá)到 4 mm以后,紙張抗張強(qiáng)度變化不大,這可能是由紙張勻度變化引起的。雖然PPTA纖維長度的提高使得單根 PPTA纖維的接觸點(diǎn)增多,應(yīng)力可分布于更廣的面積上,從而提高紙張抗張強(qiáng)度,但 PPTA纖維長度的提高也使 PPTA纖維的絮聚趨勢增大,紙張勻度變差,進(jìn)而降低紙張的抗張強(qiáng)度。PPTA纖維長度在 4 mm之前,前者起主導(dǎo)作用,所以紙張抗張強(qiáng)度隨 PPTA纖維長度的增加而提高,達(dá)到 4 mm以后,PPTA纖維的絮聚加強(qiáng),對紙張抗張強(qiáng)度的降低作用與 PPTA纖維長度增加對紙張抗張強(qiáng)度的提高作用有了一定的抵消,導(dǎo)致紙張抗張強(qiáng)度的變化不是很大。

圖2 PPTA纖維紙的 SEM圖

從圖2可以看出,長度為 5 mm時(shí),單一 PPTA纖維有了明顯的絮聚現(xiàn)象,相對于長度為 2、3、4 mm的 PPTA纖維的分布更加不均勻?；旌?PPTA纖維體系是由 1mm和 6mm的 PPTA纖維復(fù)配而成,在長度達(dá)到 4 mm之后,雖然長度為 6 mm的 PPTA纖維的比例有提高,但是短 PPTA纖維的存在可降低PPTA纖維的絮聚,使得成紙勻度有很大的改善。因此,隨著長 PPTA纖維比例的提高,紙張的抗張強(qiáng)度增大。

2.3 混合 PPTA纖維體系對紙張伸長率的影響

伸長率是衡量紙張強(qiáng)韌性的一項(xiàng)重要指標(biāo),伸長率的提高,能促進(jìn)和改善紙張的內(nèi)應(yīng)力分配,減少應(yīng)力集中,緩沖脈動張力對紙幅的拉斷作用,防止和減少紙面的斷裂[4]。紙張伸長率隨 PPTA纖維長度的變化見圖4。從圖4可以看出,相同的 PPTA纖維長度時(shí),混合 PPTA纖維體系的伸長率整體上要高于單一PPTA纖維體系的,但是相對于抗張強(qiáng)度,伸長率隨質(zhì)均長度的增加趨勢在 PPTA纖維長度為 4 mm之前更接近于單一 PPTA纖維的,而隨數(shù)均長度的增加,其整體上的變化則不明顯,保持在 1.8%左右。隨著單一 PPTA纖維長度的增加,紙張的伸長率是呈增加狀態(tài)的,但在 2～3 mm時(shí)的增加速率要高于 3～5 mm時(shí)的,這可能也是由于紙張勻度的變差,影響了伸長率的提高。

2.4 混合 PPTA纖維體系對紙張撕裂度的影響

撕裂紙張所包括的功有:把纖維從紙中拉出來的功和把纖維拉斷的功,且拉斷 1根纖維所做的功比從紙張中拉出 1根纖維所做的功要小得多。所以若要得到撕裂度較高的紙張,需要將應(yīng)力分布到較大的面積,也就是分布到更多數(shù)量的纖維上而不是把力量集中到小面積的少數(shù)纖維上[4]。

圖5 紙張撕裂度隨 PPTA纖維長度的變化

紙張撕裂度隨 PPTA纖維長度的變化見圖5。由圖5可知,混合 PPTA纖維體系用質(zhì)均長度表征相對于用數(shù)均長度表征,紙張撕裂度隨 PPTA纖維長度變化的規(guī)律更加接近于單一 PPTA纖維體系的。與抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率隨 PPTA纖維長度變化不同的是,相同 PPTA纖維長度時(shí),混合 PPTA纖維體系的紙張撕裂度要比單一 PPTA纖維的高得多。在 PPTA纖維長度為 5 mm時(shí),用數(shù)均長度表征的紙張撕裂度幾乎是單一 PPTA纖維紙的 2倍,且在 2、3、4、5 mm 4個長度時(shí),混合 PPTA纖維體系用質(zhì)均長度表征的紙張撕裂度與單一 PPTA纖維紙撕裂度的平均比值為 1.44,高于抗張強(qiáng)度的 1.11。這可能是混合 PPTA纖維體系中 6 mm長 PPTA纖維發(fā)揮的作用,長 PPTA纖維的存在對紙張撕裂度的貢獻(xiàn)很大,因?yàn)殚L PPTA纖維提供了更多的纖維接觸點(diǎn)。撕裂時(shí),由于纖維是持續(xù)地被拉斷的,一根纖維的拔出會帶動與其接觸的相鄰纖維的拔出,所以相對于抗張強(qiáng)度,提高長度撕裂紙張時(shí)應(yīng)力的作用范圍更廣。

紙張撕裂度隨 PPTA纖維 3種長度的變化大都呈增加趨勢,但是隨數(shù)均長度的變化不明顯。與抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率不同的是,在單一 PPTA纖維長度達(dá)到 4 mm后,紙張撕裂度的增加趨勢并沒有放緩,而是呈一直增加的狀態(tài),5 mm時(shí),達(dá)到 2040 mN。這說明,紙張撕裂度在 PPTA纖維長度小于 5 mm的范圍內(nèi)受勻度的影響要小于抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率。這是因?yàn)?在進(jìn)行撕裂時(shí),纖維是持續(xù)地被拉斷的,所以纖維的排列情況不是很重要[5-6]。

2.5 混合 PPTA纖維體系對紙張耐破度的影響

紙張耐破度隨 PPTA纖維長度的變化見圖6。從圖6可以看出,耐破度隨 PPTA纖維數(shù)均長度的增加變化不明顯,隨質(zhì)均長度的增加是呈直線增加趨勢的,而隨單一 PPTA纖維長度的增加,在 4 mm時(shí)達(dá)到最大值 177 kPa,隨后開始下降。這也說明,耐破度受紙張勻度的影響很大。

圖6 紙張耐破度隨 PPTA纖維長度的變化

與以上幾個性能不同的是,在相同的 PPTA纖維長度時(shí),單一 PPTA纖維紙的耐破度要高于混合PPTA纖維體系用質(zhì)均長度表征的。這與植物纖維紙耐破度的影響因素有一定的差異,植物纖維紙的耐破度是抗張強(qiáng)度及伸長率的函數(shù),即 BS=β×TI×ε1/2,耐破度 BS與抗張強(qiáng)度 TI成正比,與伸長率的平方根ε1/2成正比 (β為相關(guān)系數(shù))[4,7]。按植物纖維紙的模型,由于混合 PPTA纖維體系的抗張強(qiáng)度和伸長率均要大于單一 PPTA纖維體系的,所以耐破度也要高于單一 PPTA纖維體系的,而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻與此相反,原因有待考究。

2.6 短 PPTA纖維的添加量對紙張性能的影響

在相同的平均長度時(shí),混合 PPTA纖維紙的抗張強(qiáng)度、伸長率和撕裂度要高于單一 PPTA纖維紙的。說明 PPTA纖維長短搭配對于紙張的結(jié)構(gòu)和某些性能會有有利影響。由于所有用質(zhì)均和數(shù)均長度表征的混合 PPTA纖維都是由 6 mm和 1 mm的 PPTA纖維按不同的比例復(fù)配而成,現(xiàn)探討 1 mm PPTA短纖維添加量對紙張性能的影響,結(jié)果見圖7。

從圖7可以看出,在 1 mm PPTA短纖維添加量為 40%之前,紙張的抗張強(qiáng)度、伸長率、撕裂度要高于純 6 mm PPTA纖維紙的,且在添加量為 5%～20%間出現(xiàn)最大值;而耐破度則是隨著 1 mm PPTA短纖維含量的增加呈下降趨勢。這說明,對于合成纖維紙而言,并不是纖維越長紙的性能越好,某些性能是需要長短纖維組分的合理搭配,才能達(dá)到好的效果。

圖7 1 mm PPTA短纖維添加量對紙張性能的影響

3 結(jié) 論

3.1 在纖維平均長度相同條件下,混合PPTA纖維(長度為 1 mm和 6 mm的 PPTA纖維混合)紙的緊度、抗張強(qiáng)度、伸長率、撕裂度均要高于單一 PPTA纖維紙的。

3.2 混合 PPTA纖維體系用質(zhì)均長度表征的紙張性能更加接近于單一 PPTA纖維紙的。

3.3 在 PPTA纖維長度為 2～5 mm范圍內(nèi),隨單一PPTA纖維長度的增加,紙張緊度呈下降趨勢;抗張強(qiáng)度、伸長率、耐破度受紙張勻度的影響較大,在長度達(dá)到 4 mm之后,這些性能增加放緩或降低;而撕裂度則受紙張勻度影響不大,呈一直增加的態(tài)勢。

3.4 在混合 PPTA纖維中,長度為 1 mm的 PPTA纖維添加量在 40%以內(nèi)時(shí)可提高紙張的抗張強(qiáng)度、伸長率和撕裂度,且添加量在 5%～20%比較合適。

[1] 宋俊富,潘定如,W illiam E Scott.纖維長度和粗度及其對成紙性能的影響[J].中國造紙,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] 胡開堂.紙頁結(jié)構(gòu)和性能[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,2006.[5] 弗里雅捷.紙的性能[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,1985.

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[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

姚運(yùn)振先生,在讀碩士研究生;主要研究方向:高性能紙基與纖維復(fù)合材料。

(＊E-mail:418845218@qq.com)

2010-08-23(修改稿)

(責(zé)任編輯:陳麗卿)