芳纶纸基复合材料的研究与开发

芳纶纸基复合材料的研究与开发

芳伦纸基材料是指根据造纸技术将芳伦短纤维和芳伦浆糊加工成纸，并以热压制的形式获得的材料。该材料首先由杜邦公司研制成功，1967年在美国SPRUANCE厂投产，主要有两大系列产品，NOMEX系列和KEVLAR系列。起初，NOMEX纸基材料主要用于军事，特别是宽频高透波率材料，用在火控雷达天线罩、敌我识别器透波窗口、预警雷达天线罩、气象雷达天线罩、警戒雷达天线罩、红外透波窗口等飞机和导弹的零部件中。1芳纶短纤维原料的加工芳纶纸基材料的结构如图1所示，芳纶纸基材料由芳纶短纤维和芳纶浆粕2种纤维原料制成。芳纶短纤维提供材料的机械强度，芳纶浆粕提供材料的介电质强度并作为纤维之间的粘结材料。与无纺布成形方式比较，造纸方法可以任意地将多种纤维原料复合在一起，纤维在材料中的排列方式可灵活调整，且分布均匀。2复合材料的性能目前，杜邦公司已经开发出9个型号的Nomex纸基材料，其性能如表1、表2所示。其中常用型号为type410,type411,type414,type418。芳纶纸基材料具有如下特点：(1)强韧的机械性能：很高的拉伸强度、撕裂强度，耐磨性良好，并具有良好的弹性和柔韧性，再加工性能良好；(2)优良的电介质强度：不添加其他树脂可承受18～40kV/mm的短时间电应力；(3)良好的耐高温性能：在220℃条件下放置10年，材料仍能保持良好的机械性能和电性能；(4)良好的化学稳定性和适应性：绝大多数溶剂对材料的性能没有影响，耐强酸强碱，防虫、防霉变；(5)能适应所有的油漆、胶粘剂、变压器油、润滑油、制冷剂，优异的低温性能（在-196℃条件下材料的拉伸强度比室温条件下高）；(6)对潮湿环境不敏感、抗辐射能力强（800MEGARADS的离子辐射8次，材料仍能保持有用的机械强度和电介质强度）；(7)阻燃并且在高温条件下不会生成有毒物质。3芳纶纸基材料国外芳纶纸基复合材料的技术仍然为杜邦公司所垄断，并申请了多项专利。随着NOMEX纸基材料应用的迅猛发展，围绕其复合材料性能和应用的研究越来越多，杜邦公司不断开发出新型号的芳纶纸，以适应不同的用途[12,13,14,15,16,17]，同时也在不断改性NOMEX纸，以获得更好的耐溶剂性、尺寸稳定性及较好的印刷性能。在我国，随着芳纶纤维制造技术的发展，芳纶1313（与杜邦NOMEX化学结构相同）和芳纶1414（与杜邦KEVLAR化学结构相同）已分别在广东新会彩艳集团和成都造纸厂成功地实现了产业化，这为芳纶纸基材料的开发和应用打下了基础。由于市场需求，国内的一些造纸研究单位已经对芳纶纸基材料进行了一些研究。但这些研究未能真正从交叉学科的角度出发，缺乏材料学方面及成形技术的研究，因此，目前研制的芳纶纸基材料只能满足一些低档次的技术要求，中高档的材料目前依赖进口。我国自行研制的芳纶纸基材料由于性能差，强度只有进口材料的1/2，羊皮化现象严重。对纸基有高性能要求的都采用进口材料。但进口材料价格昂贵，约40万元/t，所以一般领域内不可能接受。4银联纸基材料的产业化一些重要技术4.1芳纶纤维在水介质中的分散特性为了保证材料有足够的机械强度，芳纶短纤维必须具有足够的长度。由于纤维在水介质中易絮聚缠绕，给抄造造成较大困难，另外芳纶纤维对水介质的润湿性也较差，影响纤维在水介质中的分散。而且合成纤维的长度要求比传统的植物纤维长，在浆池、泵和管道等流送设备中如果遇上旋涡就会缠绕絮聚。因此芳纶纤维在水介质中的分散絮聚特性及相应的纤维分散技术是芳纶纸基复合材料国产化的一项重要研究内容。从20世纪70年代以来，由于以合成纤维为原料制造高性能纸基材料技术的发展已成为一个非常活跃的研究领域。从纤维表面改性、通过复配表面活性剂改善纤维对水的界面特性、高分子分散助剂（改变粘度并改变纤维界面特性）等方面提出了大量的专利技术。并且对纤维在水介质中的分散模型也开展了系统的研究。由于这一环节技术密度大，涉及学科多，国内科研单位通常回避这一技术难题，往往通过切短纤维或者混合植物纤维来应付这一困难。这样，抄造出来的纸基材料用途非常有限，满足不了现代工业对纸基材料的高性能要求。4.2水介质的流量纤维在水介质中的拥挤因子（指在分散介质中，以纤维平均长度为直径的球体中所含纤维的数量）随纤维直径的平方成正比增加。如拥挤因子过大，纤维的分散情况将急剧恶化。为保证适合成形的拥挤因子，必须将纤维的浓度降到较低的程度，水介质的流量非常巨大。传统的造纸成形技术已不能满足这一要求，必须采用一种新的斜网成形技术。随着20世纪六、七十年代高性能纸基材料的出现，发展了斜网成形技术。采用斜网成形可以有效地防止用长网成形时可能出现的“后浪追前浪”现象，以及用圆网成形时出现的不均匀现象，使得芳纶纤维可以均匀地抄造成纸，这是芳纶纸生产技术的一项关键技术。尽管成形原理相似，国外研究者仍为满足不同产品性能要求，发展了各种结构的斜网成形器，并且提出了完备的专利技术保护方案，在国内这一技术仍是空白。在一些中国专利中所提及的斜网成形技术并非真正的斜网成形，只是改良后的长网成形，并不能从根本上解决芳纶纸的成形问题。因此，发展具有自主知识产权的斜网成形技术非常急迫。4.3热压工艺问题在纤维抄造成形之后热压技术成为最关键的一个环节。纤维几何形状尺寸、芳纶纤维和芳纶浆粕组成、热压工艺、纤维在材料中的排列等因素对材料性能的影响相互牵制。尽管西方发达国家对这一问题研究比较透彻，但由于技术保密的原因，公开发表的文献并不多。而国内对这一问题技术的复杂性认识不够，因此基本上只是孤立地从热压工艺进行研究，所以芳纶纤维的优异力学性能在纸基材料中远未得到发挥。本课题组将杜邦Nomex纸与国产芳纶纸做了比较，结果如图2所示。从图2可看出，国产芳纶纸在热压成形后，纤维出现弯曲变形，从截面照片中看出，国产芳纶纸的浆粕没有均匀地分布在纤维中间，而是迁移到表面。这些都说明，在热压工艺上，对于温度、时间、压力的控制，以及纤维和浆粕的配比和尺寸都尚有许多技术难关，有待攻破。5阻燃整理用材料本基于芳纶纤维的优越性能和纸基材料的独特性能，芳纶纤维纸基材料在各行各业中被迅速推广应用。(1）航空航天：飞机、导弹、卫星宽频透波材料，大刚性次受力结构部件（用于机翼、整流罩、机舱内衬板、飞机门、地板、天花板、货舱和隔墙）；(2）工业：发电机、马达、变压器绝缘材料，模压、热压、空压、空调设备隔热材料，造纸压光辊等；(3）汽车、战车：火花塞、耐高温软管等热防护材料，发动机隔热材料，辐射软管阻燃材料；(4）公共设施：影剧院、宾馆的隔热阻燃材料，如背景幕、墙纸、聚光灯隔热材料、装饰材料等；(5）日用产品：仿羊皮纸灯罩、扬声器振膜、声音感应线圈绝缘材料、