特種芳綸纖維在造紙中的應用

芳綸纖維是一種纖維的總稱，它最早是二十世紀六七十年代由美國的杜邦（Dupont）公司研究開發(fā)的一種合成纖維。芳綸纖維的產(chǎn)能最早主要集中在美國、日本和歐洲的國家，如美國的杜邦公司、日本的帝人公司等。而我國對芳綸纖維的研發(fā)起步比較晚，在二十世紀八十年代，有多家相關(guān)的單位進行了芳綸纖維的研究開發(fā)，并且通過近些年相關(guān)研究人員的不懈努力，取得了一些成果，但較之美國、日本以及歐洲國家，依然處芳綸纖維是一種新型的合成纖維。根據(jù)化學結(jié)構(gòu)的不同，主要分為兩種：芳綸1414（對位芳酰胺纖維）和芳綸1313（間位芳酰胺纖維）。

2.1芳綸1414（對位芳酰胺纖維）的結(jié)構(gòu)和性能
對位芳酰胺纖維是聚對苯二甲酰二胺的簡稱，它是由苯二甲酰氯和苯二胺通過縮聚而得，再采用
干噴濕紡絲方法制備。英文縮寫為PPTA（poly-pphenyleneferephthalamide)。對位芳酰胺纖維在芳綸纖維生產(chǎn)中發(fā)展最快，產(chǎn)能主要集中于美國、日本以及歐洲。其商品名主要有美國杜邦公司的Kevlar纖維，日本帝人公司的Technora纖維，俄羅斯的Terlon纖維等。由于其功能團在苯環(huán)的1，4位，所以我們國家稱其為芳綸1414。PPTA的化學結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

PMIA的化學結(jié)構(gòu)式如圖2所示。從結(jié)構(gòu)式可以看出：（1）PMIA的酰胺基團是通過間位苯基的形式相互連接而成的，其共價鍵無共軛效應；

（2）內(nèi)旋轉(zhuǎn)位能比對位芳綸纖維小一些，大分子鏈呈現(xiàn)出柔性結(jié)構(gòu)。
PMIA是一種綜合性能優(yōu)良的特種纖維，有著耐高溫的特性，并且具有熱穩(wěn)定性，可以在220℃的高溫條件下使用10年以上，在240℃下受熱1000小時，其機械強度仍然有原來的65%，在370℃以上的條件下才會分解出少量的氣體；具有很好的電絕緣性；同時，也具有阻燃性、可紡性、耐輻射性以及化學穩(wěn)定性。PMIA主要用在耐高溫防護服、消防服以及軍服；還用來制造耐高溫絕緣材料，如耐運輸帶、蜂窩結(jié)構(gòu)護墻材料等。

芳綸的產(chǎn)品主要有短纖維、長絲纖維以及漿粕三大類，被廣泛地用在防護材料、纖維增強材料、耐摩擦材料以及工程用紙原料等方面。

3.1芳綸紙的出現(xiàn)

最早出現(xiàn)的芳綸紙是上世紀六十年代的Nomex紙，它是由美國杜邦公司研發(fā)成功的。它是用Nomex短纖維和芳綸漿粕作為原料，采用斜網(wǎng)抄造濕法成形制得。Nomex短纖維由Nomex長絲切斷成3～8mm而成，短纖維對成紙的貢獻主要是紙張的力學強度。芳綸漿粕填充在短纖維間，起著填充和黏結(jié)的作用。在經(jīng)過熱壓作用，使得部分熔融，芳綸漿粕通過黏結(jié)短切纖維以及自身的黏結(jié)作用共同形成了紙張整體的力學結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的用途，美國杜邦公司先后開發(fā)了不同的Nomex紙。常用型號有：T410(熱軋的絕緣用紙)、T411（T410未經(jīng)熱軋的原紙）、T412（蜂窩用紙）、T414（與T410不同熱軋工藝的絕緣用紙）。表1為不同型號的Nomex紙的性能比較。 

 從公式可以看出纖維長度的影響較大，當纖維的長度越大時，其堆積因子越大，單根纖維間接觸的概率也就越大，纖維就更加容易發(fā)生絮聚；纖維寬度也對纖維的絮聚有影響，是因為纖維寬度的大小可以改變懸浮液中的纖維數(shù)目，并且還會影響到纖維彎曲時的剛性，從而影響到纖維間相互接觸的力大小，所以越細的纖維越容易發(fā)生絮聚。

纖維柔軟度對纖維絮聚的影響主要體現(xiàn)在漿料的輸送過程中，纖維懸浮液中的剪切力使得單根的纖維呈現(xiàn)出線性運動和旋轉(zhuǎn)運動的狀態(tài)。纖維的柔軟度不同，其運動軌跡也不同。纖維的柔軟度越大，其運動越復雜，軌跡也更多樣，纖維也就更加容易發(fā)生絮聚。纖維在懸浮液狀態(tài)時，纖維和纖維間、液體和液體間、纖維和液體間都會互相影響，從而導致體系的黏度變化。
纖維懸浮液的流動性和纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強弱密切相關(guān)，體系流動性可以很好地反饋體系中的分散效果，可以通過液體的黏度大小來評價分散性能的好壞。一般黏度小時，纖維流動時阻力小，體系的分散性好；黏度大時，纖維彼此纏繞，纖維流動時阻力大，體系的分散性能也就差。芳綸纖維在懸浮液中容易發(fā)生絮聚主要是因為芳綸纖維之間的機械纏繞。芳綸纖維在流體中，受到流體的作用，相互機械交織的機會增多，從而更加不易分散。湍流既有助于纖維的分散又可以影響纖維的絮聚，所以，適當?shù)耐牧鳎梢蕴峁w系適當?shù)耐膭蛹凹羟辛?，可以有效地破壞纖維形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而減少纖維間的絮聚。但是，如果體系的湍動減弱，纖維間又會絮聚在一起。所以，在流體利用中，高強度微湍流更有助于體系纖維的分散。劉俊華等人[12]研究了漿料濃度、黏度、纖維長度、寬度及長徑比對纖維分散性能的影響情況，并研究了加入分散劑聚氧化乙烯（PEO）對分散體系的影響。

3.2.2與液體相關(guān)的纖維表面的Z-電位
在漿料中的纖維，就像膠體懸浮液一樣，有動電表面力和靜電表面力的存在。當濃度低、剪切力小時，這種膠體作用力是促成纖維絮聚的主要因素。相關(guān)實驗也發(fā)現(xiàn)，如果在漿料體系中加入陰離子表面活性劑，體系的分散性會明顯有所增強，這主要是因為在懸浮液中的纖維大都是帶負電荷的，加入陰離子表面活性劑，可以增加纖維表面的Z-電位，使得懸浮液中的纖維間斥力增大，進而減少纖維之間的碰撞，從而減少纖維間發(fā)生絮聚的概率。為了解決以上問題，可以添加表面活性劑提高芳綸纖維分散性；表面活性劑的疏水端朝向芳綸纖維分子，親水端朝向水中。表面活性劑的作用主要有2個方面作用：（1）增加芳綸纖維懸浮液的黏度，降低懸浮液的表面張力，提高纖維的表面潤濕性；（2）增大纖維的表面電荷量，使得纖維與纖維之間的斥力增大。
周雪松等人通過對不同分散體系（分別用表面活性劑十二烷基硫酸鈉和表面活性劑B處理）的Z-電位采用ZetaPlus進行測定，用數(shù)碼相機記錄了芳綸纖維在不同體系中的分散性能，從而評價芳綸纖維的分散性能，并對不同分散體系的纖維進行抄紙，測定其紙張的勻度。結(jié)果表明表面活性劑可以改善芳綸纖維的分散性。

楊斌等人研究了PEO分散芳綸纖維及分散機理的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，隨著PEO用量的增加芳綸紙的各項物理性能也增加，但PEO用量0.5％時，成紙的各項性能達到最佳。還可以對芳綸纖維化學或物理改性來改善芳綸纖維表面的化學惰性，增加纖維比表面積，使表面更加粗糙，在纖維表面引入-COOH、-OH、-C=O等活性基團進而可以改變纖維表面能以及界面張力等參數(shù)，實現(xiàn)增強材料性能的目的；主要有磷酸溶改性、硅烷偶聯(lián)劑改性、硝化還原法改性、NaOH法改性、表面氧化、等離子改性等都可以改善芳綸纖維與芳綸漿粕的界面結(jié)合，從而提高芳綸紙的抗張強度和撕裂度。

YoonH.S等人對芳綸纖維進行改性。采用沉析法制備出對位芳綸沉析纖維，這樣不僅保留了對位芳綸纖維優(yōu)良的機械性能，而且還使纖維具備了更強的復合效果和更佳的增強性能，非常適合制備芳綸紙基復合材料。沉析纖維具有表面粗糙度、形態(tài)柔順性，細碎化程度高，保證了沉析纖維具備較大的比表面積（7～9g/m2），沉析纖維中胺基含量較多，從而能夠與纖維樹脂等形成很強的親和力，增強了紙基材料的復合效果。

陸趙情、江明等人研究了對位芳綸沉析纖維對芳綸紙基材料的結(jié)構(gòu)和性能的影響，結(jié)果表明芳綸沉析纖維尺寸均一性好，細碎化程度高，利于芳綸紙基材料的復合增強；同時沉析纖維的最佳含量在70％時，能明顯改善芳綸紙基材料的機械性能和絕緣性能。張美云等人[20]研究了超聲波處理對于對位芳綸短切纖維和漿粕纖維分散性能的影響及成紙的影響。結(jié)果表明，超聲波分別處理9min和12min時，體系的分散性能最好，成紙的抗張強度和撕裂度也有所提高。

隨著科技的快速發(fā)展，我們國家對芳綸產(chǎn)品的需求也越來越大。比較國內(nèi)外對芳綸纖維的研究可以看出，我們國家對芳綸纖維在造紙方面的應用研究仍有很長的路要走。尤其芳綸纖維的分散過程是一個復雜的動態(tài)平衡過程。防止芳綸纖維在造紙過程中絮聚是至關(guān)重要的。