一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸及其制备方法，本发明专利技术利用具有特殊纳米结构、纤维直径小、长径比大、表面活性高、耐热性能优异等优点的对位芳纶纳米纤维作为对位芳纶纸的自增强材料，将芳纶短切、浆粕、沉析纤维和芳纶纳米纤维经过混合疏解分散制成均匀的悬浮液，抄造成形，压榨、干燥并进一步在热压机上进行热压得到芳纶纸。芳纶纳米纤维的引入，使得纳米级芳纶纤维及其形成的芳纶纳米膜起到了良好的界面填充、包覆与增强效果，为各组分间的结合提供更多的结合位点，同时减少了组分间的孔隙与空洞，显著改善了芳纶纸组分间的结合强度，大幅提升其机械性能和绝缘性能。

Self reinforced aramid fiber paper with aramid nano fiber and preparation method thereof

The invention discloses a self reinforcing aramid paper with aramid nanofibers and a preparation method. The present invention is a self reinforcing material of aramid nanofibers with special nano structure, small fiber diameter, large diameter ratio, high surface activity and excellent heat resistance. The tangent, pulp, precipitate fiber and aramid nanofibers were mixed and dispersed to make a uniform suspension, forming, pressing, drying and further pressing the aramid paper on the hot press. The introduction of aramid nanofibers makes the nano aramid fiber and its aramid nanofibers have a good interface filling, coating and enhancement effect, providing more binding sites for the combination of each component, reducing the pores and holes between the components, and greatly improving the bonding strength between the aramid paper components. The mechanical and insulation properties are enhanced by amplitude.

【技术实现步骤摘要】
一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸及其制备方法
本专利技术属于聚合物纳米材料和造纸领域，具体涉及一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸及其制备方法。
技术介绍
对位芳纶纤维(PPTA)是一种高强度、高模量、绝缘性和耐高温性能优异的高性能合成纤维，是防护和增强材料的理想原料。对位芳纶纸是利用对位芳纶短切纤维和对位芳纶浆粕纤维或对位芳纶沉析纤维为原料通过湿法造纸抄造成形并经过热压工艺制备而成。由于对位芳纶纤维分子链内部π-π共轭形成的刚性链状结构、分子链间氢键以及范德华等作用力使其形成的致密有序的二维网络状结构，虽然保证了纤维本身高强、高模、耐高温等特性，但同时这种结构特点也使得芳纶纤维表面光滑、活性基团少、化学惰性较强等缺陷，导致芳纶纤维在成纸过程中各组分间缺乏有效结合、界面结合力差、匀度差，原纸强度低等问题，不能充分发挥芳纶纤维本身优异的性能。针对此问题，目前主要的解决思路是添加第三种黏结性纤维、树脂浸渍以及溶剂溶解法来增强芳纶纸。(1)专利申请号为200610022082.5的中国专利技术专利提出了“以热塑性纤维作黏合剂生产芳纶纸的制造方法”，通过添加第三种具有明显熔融温度的热塑性黏结纤维，如聚苯硫醚(PPS)、聚酯纤维(PET)等，在高温高压热压过程中，这种具有明显熔融温度的黏结纤维发生熔融，提升纤维间的结合力；(2)专利申请号为201210433947.2的中国专利技术专利提出了“一种聚酰亚胺树脂增强间位芳纶纸的制备方法”，采用聚酰亚胺树脂浸渍原纸后经过热压机热压来增强芳纶纸。(3)专利申请号为201610405271.4的中国专利技术专利提出了“一种高强度芳纶纸张及其溶解复压自增强的制备方法”，通过将原纸浸渍与氯化钙/氯化锂体系中，使得间位芳纶纤维发生自溶解来增加纤维之间的接触和粘合力。但是，上述方法虽然能在一定程度上增强对位芳纶纸，但是引入第三种黏结性纤维则会导致最终成纸耐温性下降、热塑性纤维熔融后可能会造成纸张更大的空隙或孔洞，不利于绝缘性能的提高；通过聚酰亚胺树脂浸渍过程中，原纸对聚酰亚胺树脂的吸收率难以控制、制备工艺复杂，且经过树脂浸渍后纸张会变脆，不利于后续在绝缘、蜂窝芯材等领域的加工应用；通过溶剂溶解法只适用于间位芳纶纸，而对位芳纶纸无法溶解于氯化钙/氯化锂体系，只能溶解于浓硫酸中，因此该方法加工过程复杂，且对设备腐蚀严重，不利于工业化应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸及其制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术采用新工艺、新方法研发生产出综合性能优异的芳纶纸，避免了目前解决芳纶纸增强时采用的引入第三种热塑性黏结纤维或者通过树脂浸渍而导致的芳纶纸综合性能下降等问题，可以在电气绝缘领域作为高端绝缘材料或者在航空航天领域作为结构减重材料，应用前景广阔。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，以重量份数计，所述的对位芳纶纸制备原料包括：对位芳纶纤维：90～99份，芳纶纳米纤维：1～10份；所述的对位芳纶纤维为对位芳纶纤维X和对位芳纶纤维Y的混合体系，其中，对位芳纶纤维X和对位芳纶纤维Y的重量比为(3～4)﹕(6～7)，所述的对位芳纶纤维X为对位芳纶短切纤维；所述的对位芳纶纤维Y为对位芳纶沉析纤维和对位芳纶浆粕纤维中的一种或两种。进一步地，所述芳纶纳米纤维由以下方法制备：步骤(1)：将对位芳纶纤维A、氢氧化钾和二甲基亚砜置于容器中，在密封条件下搅拌，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；步骤(2)：将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在搅拌作用下，向其高压注射去离子水，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；步骤(3)：将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过200～500目尼龙滤膜真空抽滤，得到芳纶纳米纤维前驱体；步骤(4)：将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维前驱体通过无水乙醇和去离子水反复洗涤，分散浓度为0.5～5mg/mL，得到胶体状芳纶纳米纤维；步骤(5)：将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维在搅拌作用下分散于去离子水中，得到水分散的芳纶纳米纤维。进一步地，步骤(1)中对位芳纶纤维A、氢氧化钾和二甲基亚砜比例为1g：1.5g：500ml，所述的对位芳纶纤维A是对位芳纶纱线纤维、对位芳纶短切纤维、对位芳纶浆粕纤维和对位芳纶沉析纤维中的一种。进一步地，步骤(2)中所述的高压注射是利用不锈钢高压射流泵，射流压力为5～15MPa，射流速度为0.2～2.0mL/s；射流去离子水与对位芳纶纤维A的质量比为1:1～5:1。进一步地，步骤(4)中洗涤用无水乙醇的体积与芳纶纳米纤维前驱体质量的比为1mL:5mg～1mL:2mg；所述洗涤用去离子水与芳纶纳米纤维前驱体的质量比为10:1～5:1。进一步地，步骤(1)中搅拌是指在密封条件下，在30～50℃温度下搅拌5～8天；步骤(2)中搅拌转速为600～3000rpm；步骤(5)中搅拌转数为500～2500rpm，搅拌时间30～180min。一种上述的对位芳纶纸的制备方法，包括以下步骤：步骤一：将对位芳纶纤维X疏解分散，制得浆料悬浮液A；步骤二：将对位芳纶纤维Y经过原纤化处理并添加到步骤一中得到的浆料悬浮液A，疏解分散制得浆料悬浮液B，原纤化处理程度具体为打浆度达到45～60°SR；步骤三：将芳纶纳米纤维添加到步骤二中制得的浆料悬浮液B中，再疏解分散，制得浆料悬浮液C；步骤四：将步骤三中得到的浆料悬浮液C抄造成形，压榨、干燥并进行热压得到芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸。进一步地，步骤一中进行疏解时添加分子量为300～500万的聚氧化乙烯作为分散剂，用量为对位芳纶纤维X绝干质量的0.1～0.5％。进一步地，步骤三中疏解时添加阳离子聚丙烯酰胺作为助留剂，用量为芳纶纳米纤维质量的0.01～0.05％。进一步地，步骤一中疏解转数为10000～30000r，步骤二中疏解转数为10000～20000r，步骤三中疏解转数为5000～10000r。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术利用DMSO/KOH体系成功制备了对位芳纶纳米纤维，制得的芳纶纳米纤维不仅具有独特的纳米尺度结构、大的长径比和比表面积、同时又保留了芳纶宏观纤维优异的力学性能和耐温性能，为其带来常规化学纤维无法实现的机械性能、电性能，而且还可以分散于水相体系，解决了目前DMSO/KOH体系制备芳纶纳米纤维只能分散于KOH/DMSO体系中、无法均匀稳定地分散于水相体系中、不能长时间保存等问题，极大地拓展了其在造纸领域的应用。最关键的是，本专利技术利用具有特殊纳米结构、纤维直径小、长径比大、表面活性高、耐热性能优异等优点的对位芳纶纳米纤维作为对位芳纶纸的自增强材料，一方面由于纳米级结构以及自相似相容性特性，使得芳纶纳米纤维在芳纶短切纤维、浆粕纤维等组分间形成氢键结合，起到了良好的界面填充与增强效果，减少了组分间的空隙；另一方面，由于芳纶纳米纤维具有很强的成膜性且成膜强度很高，因此，芳纶纳米纤维在与芳纶纸中的各组分在分散、成形过程中可以产生芳纶纳米膜，厚度仅为两百纳米左右，这种形成的芳纶纳米膜不仅可以为芳纶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，其特征在于，以重量份数计，所述的对位芳纶纸制备原料包括：对位芳纶纤维：90～99份，芳纶纳米纤维：1～10份；所述的对位芳纶纤维为对位芳纶纤维X和对位芳纶纤维Y的混合体系，其中，对位芳纶纤维X和对位芳纶纤维Y的重量比为(3～4)﹕(6～7)，所述的对位芳纶纤维X为对位芳纶短切纤维；所述的对位芳纶纤维Y为对位芳纶沉析纤维和对位芳纶浆粕纤维中的一种或两种。

【技术特征摘要】
1.一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，其特征在于，以重量份数计，所述的对位芳纶纸制备原料包括：对位芳纶纤维：90～99份，芳纶纳米纤维：1～10份；所述的对位芳纶纤维为对位芳纶纤维X和对位芳纶纤维Y的混合体系，其中，对位芳纶纤维X和对位芳纶纤维Y的重量比为(3～4)﹕(6～7)，所述的对位芳纶纤维X为对位芳纶短切纤维；所述的对位芳纶纤维Y为对位芳纶沉析纤维和对位芳纶浆粕纤维中的一种或两种。2.根据权利要求1所述的一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，其特征在于，所述芳纶纳米纤维由以下方法制备：步骤(1)：将对位芳纶纤维A、氢氧化钾和二甲基亚砜置于容器中，在密封条件下搅拌，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；步骤(2)：将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在搅拌作用下，向其高压注射去离子水，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；步骤(3)：将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过200～500目尼龙滤膜真空抽滤，得到芳纶纳米纤维前驱体；步骤(4)：将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维前驱体通过无水乙醇和去离子水反复洗涤，分散浓度为0.5～5mg/mL，得到胶体状芳纶纳米纤维；步骤(5)：将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维在搅拌作用下分散于去离子水中，得到水分散的芳纶纳米纤维。3.根据权利要求2所述的一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，其特征在于，步骤(1)中对位芳纶纤维A、氢氧化钾和二甲基亚砜比例为1g：1.5g：500ml，所述的对位芳纶纤维A是对位芳纶纱线纤维、对位芳纶短切纤维、对位芳纶浆粕纤维和对位芳纶沉析纤维中的一种。4.根据权利要求2所述的一种利用芳纶纳米纤维自增强的对位芳纶纸，其特征在于，步骤(2)中所述的高压注射是利用不锈钢高压射流泵，射...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨斌，张美云，陆赵情，宋顺喜，罗晶晶，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61