本发明属于造纸工业和材料工业交叉技术领域，涉及一种对位间位芳纶电气绝缘纸的制备方法。
背景技术：
以间位芳纶(聚间苯二甲酰间苯二胺)浆粕纤维和间位芳纶短切纤维为原料，利用现代造纸湿法造纸技术抄造和热压成型制得的片状复合材料，是一种高性能合成纤维纸基材料。因其具有强韧的机械性能、良好的介电性能、理想的耐高温性能以及灵活的可设计性，可作为绝缘材料、电子材料、结构材料在航空航天、交通电力、国防军事等特殊领域广泛应用。
间位芳纶纸基材料的国产化还面临重重难题，有原料质量的问题、纤维分散和湿法成网工艺及设备的问题，特别是热压成型工艺问题。形成的间位芳纶纸机械强度性能差，且羊皮化现象严重，纸张介电性能不好、绝缘性能较差，成为制约芳纶纸进一步应用于结构材料以及绝缘材料领域的瓶颈。
对位芳纶(聚对苯二甲酰对苯二胺)，英文简称PPTA，对位芳纶纤维主链中存在对苯撑基使主链刚性较大，分子链内旋转能较高，高分子呈现平面刚性伸直链构象。对位芳纶纤维通过液晶纺丝法制备，具有突出的拉伸强度、拉伸模量、耐热性、介电性能。与间位芳纶纤维相比，对位芳纶纤维强度是其3～7倍，具有“合成钢丝”的美誉。耐热性能良好，玻璃化转变温度为345℃，分解温度为560℃。极限氧指数为28～30。
间位芳纶(聚间苯二甲酰间苯二胺)，英文简称PMIA，间位芳纶浆粕由芳纶聚合体溶液细流在沉析剂或凝固液中，由沉析设备高速剧烈搅拌凝固成细碎的浆粕状态，制得沉析纤维，也叫浆粕。间位芳纶浆粕高分子链存在亲水基团，在水中具有良好的分散性，与高性能短切纤维混杂制备耐高温绝缘纸。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种对位间位芳纶电气绝缘纸的制备方法，采用不同对位芳纶短切纤维与间位芳纶短切纤维配比，制备出高强度，介电性能良好的芳纶电气绝缘纸。
本发明所采用的技术方案是，一种对位间位芳纶电气绝缘纸的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，对对位芳纶短切纤维进行预处理，备用；
步骤2，对间位芳纶短切纤维进行预处理；
步骤3，将经步骤1预处理后的对位短切纤维与经步骤2预处理后的间位芳纶短切纤维混合在疏解机中进行第一次疏解；然后再加入间位芳纶浆粕纤维，进行二次疏解；最后再加入分散剂，进行第三次疏解，得悬浮液；
步骤4，将步骤3得到的悬浮液注入纸页成型器中进行脱水成型，经压榨、干燥处理后得芳纶电气绝缘纸原纸；
步骤5，将步骤4所得的芳纶电气绝缘纸原纸进行热压成型，得芳纶电气绝缘纸。
本发明的特点还在于，
其中步骤1的预处理过程为：
将对位芳纶短切纤维在摩尔浓度为1.0×10-3mol/L～3×10-3mol/L、温度为40℃～60℃的十二烷基苯磺酸钠溶液中浸泡0.5h～1h，然后水洗3～5次，最后在100℃～105℃真空干燥箱中烘至绝干。
其中步骤2的预处理过程为：
将间位芳纶短切纤维在摩尔浓度为1.0×10-3mol/L～3×10-3mol/L、温度为40℃～60℃的十二烷基苯磺酸钠溶液中浸泡0.5h～1h，然后水洗3～5次，最后在100℃～105℃真空干燥箱中烘至绝干。
其中步骤3中对位芳纶短切纤维与间位芳纶短切纤维的质量比为1:3、2:2或3:1，进行第二次疏解时加入的间位芳纶浆粕纤维质量占纸张定量的60％。
其中步骤3中的分散剂为聚氧化乙烯，添加量为相对于对位芳纶短切纤维、间位芳纶短切纤维与间位芳纶浆粕纤维绝干质量的0.05％～0.07％，第一次疏解的疏解参数为：疏解机疏解15000r～25000r；第二次疏解的疏解参数为：疏解机疏解15000r～25000r；第三次疏解的疏解参数为：疏解机疏解15000r～25000r。
其中步骤4的具体过程为：将步骤3所得的悬浮液注入纸页成型器中，制备出定量为100g/m2芳纶纸湿片，然后经油压机压榨处理1min～3min，除去湿纸片中多余的水分，最后将压榨处理后的湿纸片在纸张烘干器中进行烘干。
其中步骤4中油压机的压力为0.4MPa～0.6MPa。
其中步骤4中在纸张烘干器中的烘干温度为95℃～105℃，烘干时间为5min～8min。
其中步骤5的具体过程为：
首先将步骤4制备出的芳纶电气绝缘纸原纸在平板硫化机上预热30s～50s，然后在平板硫化机上热压2～4次，最后再放在三辊热压机上热压1～3次。
其中步骤5中在平板硫化机上的热压参数为：热压温度为270℃～290℃，热压时间为3min～5min，热压压力为12MPa～18MPa；
其中步骤5中在三辊热压机上的热压参数为：热压温度为230℃～250℃，热压压力100bar～140bar，辊速0.5～1.5m/min。
本发明的有益效果是，本发明提供的制备方法采用对位芳纶短切纤维、间位芳纶短切纤维与间位芳纶浆粕纤维作为原材料。混杂纤维的组成可以采用两种形式，即不同性能的纤维的混杂或相同性能的不同几何尺寸纤维的混杂。混杂纤维可能会产生不同于单一纤维的混杂效应，从而发挥组分纤维的增强与増韧作用。控制热压温度，使温度低于短切纤维的熔点，使得间位芳纶浆粕纤维大部分发生熔融，并且一定的压力条件使得纸张紧度提高，分子链排列更加规整有序，浆粕纤维形变和迁移的结果是使得纤维间空隙变小和变少，纤维间结合面积更大，纤维结合更紧密，使成纸抗张指数大幅度提高并且耐压强度也大幅度提高，对位芳纶纤维增强间位芳纶纸的优点在于可以最大限度地利用短切纤维的高强特性，提高间位芳纶纸的强度性能。对位芳纶与间位芳纶短切纤维相互复配时，产生不同于单一组分的性能，这可以是纤维的热分散作用，成纸耐压强度大幅度提高。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种对位间位芳纶电气绝缘纸的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，对对位芳纶短切纤维进行预处理，备用；
对位芳纶短切纤维的预处理过程为：将对位芳纶短切纤维在摩尔浓度为1.0×10-3mol/L～3×10-3mol/L、温度为40℃～60℃的十二烷基苯磺酸钠溶液中浸泡0.5h～1h，然后水洗3～5次，最后在100℃～105℃真空干燥箱中烘至绝干。
步骤2，对间位芳纶短切纤维进行预处理；
间位芳纶短切纤维的预处理过程为：将间位芳纶短切纤维在摩尔浓度为1.0×10-3mol/L～3×10-3mol/L、温度为40℃～60℃的十二烷基苯磺酸钠溶液中浸泡0.5h～1h，然后水洗3～5次，最后在100℃～105℃真空干燥箱中烘至绝干。
步骤3，将经步骤1预处理后的对位芳纶短切纤维与经步骤2预处理后的间位芳纶短切纤维混合在疏解机中进行第一次疏解；然后再加入间位芳纶浆粕纤维，进行二次疏解；最后再加入分散剂，进行第三次疏解，得悬浮液；
步骤3中对位芳纶短切纤维与(第一次疏解时)间位芳纶短切纤维的质量之和占纸张定量的40％，(第二次疏解时)间位芳纶浆粕纤维质量占纸张定量的60％，对位芳纶短切纤维与间位芳纶短切纤维的质量比为1:3、2:2或3:1；
步骤3中的分散剂为聚氧化乙烯，添加量为相对于对位短切纤维、(第一次疏解)间位芳纶短切纤维与(第二次疏解)间位芳纶浆粕纤维绝干质量的0.05％～0.07％，第一次疏解的疏解参数为：疏解机疏解15000r～25000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％；第二次疏解的疏解参数为：疏解机疏解15000r～25000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％；第三次疏解的疏解参数为：疏解机疏解15000r～25000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％。
步骤4，将步骤3得到的悬浮液注入纸页成型器中进行脱水成型，经压榨、干燥处理后得芳纶电气绝缘纸原纸；
步骤4的具体过程为：将步骤3所得的悬浮液注入纸页成型器中，制备出定量为100g/m2芳纶纸湿片(即纸张定量为100g/m2)，然后经油压机压榨处理1min～3min，除去湿纸片中多余的水分，最后将压榨处理后的湿纸片在纸张烘干器中进行烘干。
其中油压机的压力为0.4MPa～0.6MPa，纸张烘干器中的烘干温度为95℃～105℃，烘干时间为5min～8min；
步骤5，将步骤4所得的芳纶电气绝缘纸原纸进行热压成型，得芳纶电气绝缘纸；步骤5的具体过程为：
首先将步骤4制备出的芳纶电气绝缘纸原纸在平板硫化机上预热30s～50s，然后在平板硫化机上热压2～4次，最后再放在三辊热压机上热压1～3次。
在平板硫化机上的热压参数为：热压温度为270℃～290℃，热压时间为3min～5min，热压压力为12MPa～18MPa。
在三辊热压机上的热压参数为：热压温度为230℃～250℃，热压压力100bar～140bar，辊速0.5～1.5m/min。
实施例1
对对位芳纶短切纤维进行预处理，预处理过程为：将对位芳纶短切纤维在摩尔浓度为1.0×10-3mol/L、温度为40℃的十二烷基苯磺酸钠溶液中浸泡0.5h，然后水洗3次，最后在100℃真空干燥箱中烘至绝干，备用；对间位芳纶短切纤维进行预处理，预处理过程为：将间位芳纶短切纤维在摩尔浓度为1.0×10-3mol/L、温度为40℃的十二烷基苯磺酸钠溶液中浸泡0.5h，然后水洗3次，最后在100℃真空干燥箱中烘至绝干；称取1.27g预处理后的绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维，在疏解机中疏解15000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％(绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维的总质量为1.27g)，其中绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维的质量比为1：3，然后称取1.90g绝干间位芳纶浆粕纤维进行疏解，疏解15000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％，最后加入相对于对位短切纤维、(第一次疏解)间位芳纶短切纤维与(第二次疏解)间位芳纶浆粕纤维绝干质量0.05％的(分散剂)聚氧化乙烯进行疏解，疏解15000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％，得悬浮液，将得到的悬浮液注入纸页成型器中，制备出定量为100g/m2芳纶纸湿片，然后经油压机在0.4MPa的压力下压榨处理1min，除去湿纸片中多余的水分，最后将压榨处理后的湿纸片在纸张烘干器中进行烘干，烘干温度为95℃，烘干时间为5min，得芳纶电气绝缘纸原纸；将得到的芳纶电气绝缘纸原纸先在平板硫化机上预热30s，然后在平板硫化机上热压2次，热压温度为270℃，热压时间为3min，热压压力为12MPa；最后再放在三辊热压机上热压1次，热压温度为230℃，热压压力为100bar，辊速为0.5m/min，得芳纶电气绝缘纸。
实施例2
对对位芳纶短切纤维进行预处理，预处理过程为：将对位芳纶短切纤维在摩尔浓度为3.0×10-3mol/L、温度为60℃的十二烷基苯磺酸钠溶液中浸泡1h，然后水洗5次，最后在105℃真空干燥箱中烘至绝干，备用；对间位芳纶短切纤维进行预处理，预处理过程为：将间位芳纶短切纤维在摩尔浓度为3.0×10-3mol/L、温度为60℃的十二烷基苯磺酸钠溶液中浸泡1h，然后水洗5次，最后在105℃真空干燥箱中烘至绝干；称取1.27g预处理后的绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维，在疏解机中疏解25000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％(绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维的总质量为1.27g)，其中绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维的质量比为3：1，然后称取1.90g绝干间位芳纶浆粕纤维进行疏解，疏解25000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％，最后加入相对于对位短切纤维、(第一次疏解)间位芳纶短切纤维与(第二次疏解)间位芳纶浆粕纤维绝干质量0.07％的(分散剂)聚氧化乙烯进行疏解，疏解25000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％，得悬浮液，将得到的悬浮液注入纸页成型器中，制备出定量为100g/m2芳纶纸湿片，然后经油压机在0.6MPa的压力下压榨处理3min，除去湿纸片中多余的水分，最后将压榨处理后的湿纸片在纸张烘干器中进行烘干，烘干温度为105℃，烘干时间为8min，得芳纶电气绝缘纸原纸；将得到的芳纶电气绝缘纸原纸先在平板硫化机上预热50s，然后在平板硫化机上热压4次，热压温度为290℃，热压时间为5min，热压压力为18MPa；最后再放在三辊热压机上热压3次，热压温度为240℃，热压压力为140bar，辊速为1.5m/min，得芳纶电气绝缘纸。
实施例3
对对位芳纶短切纤维进行预处理，预处理过程为：将对位芳纶短切纤维在摩尔浓度为2.0×10-3mol/L、温度为50℃的十二烷基苯磺酸钠溶液中浸泡0.75h，然后水洗4次，最后在102℃真空干燥箱中烘至绝干，备用；对间位芳纶短切纤维进行预处理，预处理过程为：将间位芳纶短切纤维在摩尔浓度为2.0×10-3mol/L、温度为50℃的十二烷基苯磺酸钠溶液中浸泡0.75h，然后水洗4次，最后在102℃真空干燥箱中烘至绝干；称取1.27g预处理后的绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维，在疏解机中疏解20000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％(绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维的总质量为1.27g)，其中绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维的质量比为3：1，然后称取1.90g绝干间位芳纶浆粕纤维进行疏解，疏解20000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％，最后加入相对于对位短切纤维、(第一次疏解)间位芳纶短切纤维与(第二次疏解)间位芳纶浆粕纤维绝干质量0.06％的(分散剂)聚氧化乙烯进行疏解，疏解20000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％，得悬浮液，将得到的悬浮液注入纸页成型器中，制备出定量为100g/m2芳纶纸湿片，然后经油压机在0.5MPa的压力下压榨处理2min，除去湿纸片中多余的水分，最后将压榨处理后的湿纸片在纸张烘干器中进行烘干，烘干温度为100℃，烘干时间为6.5min，得芳纶电气绝缘纸原纸；将得到的芳纶电气绝缘纸原纸先在平板硫化机上预热40s，然后在平板硫化机上热压3次，热压温度为280℃，热压时间为4min，热压压力为15MPa；最后再放在三辊热压机上热压2次，热压温度为240℃，热压压力为120bar，辊速为1m/min，得芳纶电气绝缘纸，所得芳纶电气绝缘纸的抗张指数为152.8N·m·g-1，耐压强度为16.8kV·mm-1。
实施例4
对对位芳纶短切纤维进行预处理，预处理过程为：将对位芳纶短切纤维在摩尔浓度为2.0×10-3mol/L、温度为50℃的十二烷基苯磺酸钠溶液中浸泡0.75h，然后水洗4次，最后在102℃真空干燥箱中烘至绝干，备用；对间位芳纶短切纤维进行预处理，预处理过程为：将间位芳纶短切纤维在摩尔浓度为2.0×10-3mol/L、温度为50℃的十二烷基苯磺酸钠溶液中浸泡0.75h，然后水洗4次，最后在102℃真空干燥箱中烘至绝干；称取1.27g预处理后的绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维，在疏解机中疏解20000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％(绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维的总质量为1.27g)，其中绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维的质量比为2：2，然后称取1.90g绝干间位芳纶浆粕纤维进行疏解，疏解20000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％，最后加入相对于对位短切纤维、(第一次疏解)间位芳纶短切纤维与(第二次疏解)间位芳纶浆粕纤维绝干质量0.06％的(分散剂)聚氧化乙烯进行疏解，疏解20000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％，得悬浮液，将得到的悬浮液注入纸页成型器中，制备出定量为100g/m2芳纶纸湿片，然后经油压机在0.5MPa的压力下压榨处理2min，除去湿纸片中多余的水分，最后将压榨处理后的湿纸片在纸张烘干器中进行烘干，烘干温度为100℃，烘干时间为6.5min，得芳纶电气绝缘纸原纸；将得到的芳纶电气绝缘纸原纸先在平板硫化机上预热40s，然后在平板硫化机上热压3次，热压温度为280℃，热压时间为4min，热压压力为15MPa；最后再放在三辊热压机上热压2次，热压温度为240℃，热压压力为120bar，辊速为1m/min，得芳纶电气绝缘纸，所得芳纶电气绝缘纸的抗张指数为130.4N·m·g-1，耐压强度为26.0kV·mm-1。
实施例5
对对位芳纶短切纤维进行预处理，预处理过程为：将对位芳纶短切纤维在摩尔浓度为2.0×10-3mol/L、温度为50℃的十二烷基苯磺酸钠溶液中浸泡0.75h，然后水洗4次，最后在102℃真空干燥箱中烘至绝干，备用；对间位芳纶短切纤维进行预处理，预处理过程为：将间位芳纶短切纤维在摩尔浓度为2.0×10-3mol/L、温度为50℃的十二烷基苯磺酸钠溶液中浸泡0.75h，然后水洗4次，最后在102℃真空干燥箱中烘至绝干；称取1.27g预处理后的绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维，在疏解机中疏解20000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％(绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维的总质量为1.27g)，其中绝干对位芳纶短切纤维和间位芳纶短切纤维的质量比为1：3，然后称取1.90g绝干间位芳纶浆粕纤维进行疏解，疏解20000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％，最后加入相对于对位短切纤维、(第一次疏解)间位芳纶短切纤维与(第二次疏解)间位芳纶浆粕纤维绝干质量0.06％的(分散剂)聚氧化乙烯进行疏解，疏解20000r，疏解浓度控制在质量百分比0.3％，得悬浮液，将得到的悬浮液注入纸页成型器中，制备出定量为100g/m2芳纶纸湿片，然后经油压机在0.5MPa的压力下压榨处理2min，除去湿纸片中多余的水分，最后将压榨处理后的湿纸片在纸张烘干器中进行烘干，烘干温度为100℃，烘干时间为6.5min，得芳纶电气绝缘纸原纸；将得到的芳纶电气绝缘纸原纸先在平板硫化机上预热40s，然后在平板硫化机上热压3次，热压温度为280℃，热压时间为4min，热压压力为15MPa；最后再放在三辊热压机上热压2次，热压温度为240℃，热压压力为120bar，辊速为1m/min，得芳纶电气绝缘纸，所得芳纶电气绝缘纸的抗张指数为109.7N·m·g-1，耐压强度为14.9kV·mm-1。
上述实施例3～5的制备方法中，不同对位/间位短切纤维配比得到的芳纶电气绝缘纸的强度性能(抗张指数)如下表1所示，
表1
不同对位/间位短切纤维配比得到的芳纶电气绝缘纸的电气性能(耐压强度)如下表2所示，
表2
将采用上述实施例4的制备方法制备出的芳纶电气绝缘纸与Nomex 410纸的物理性能进行对比，结果如下表3所示，
表3
注：自制芳纶纸为采用上述实施例4的制备方法得到的芳纶电气绝缘纸。
由上述实施例3～5可以看出，采用平板硫化机进行热压，热压温度280℃、预热时间40s，热压压力15MPa、热压时间4min，结合三辊热压机上热压2次，热压温度为240℃，热压压力为120bar，辊速为1m/min，当对位芳纶短切纤维与间位芳纶短切纤维配比为2:2时，芳纶电气绝缘纸抗张指数优于Nomex T410纸，耐压强度相近。采用平板硫化机热压阶段，芳纶电气绝缘纸在温度与压力双重作用下，热压实际温度高于实际设置温度，浆粕纤维熔融程度较高，粘流性增强，紧密地包裹在短切纤维表面，纤维间有效结合面积变大，短切纤维与浆粕分子间相互渗透融合，短切纤维增强相与浆粕基体相之间形成的相界面粘结性能大幅度提升。并且对位芳纶短切纤维与间位芳纶短切纤维混杂，可产生不同于单一组分纸张性能，纸张抗张强度与耐压强度均发生较大改变。采用三辊热压机热压阶段，芳纶电气绝缘纸经热压光作用，纸张表面强度进一步提升，纸张表面更加平滑，匀度提升，进一步提升了纸张强度性能。采用平板硫化机热压处理与三辊热压机热压处理相结合的热压方式，制备出对位/间位芳纶电气绝缘纸纸强度性能高于Nomex T410纸，耐压强度与Nomex T410纸相近。
本发明一种对位间位芳纶电气绝缘纸的制备方法，芳纶纸在热压过程中，预热环节是较为重要的一个环节，芳纶纸原纸是短切纤维与间位浆粕纤维随机排列而构成的互穿网络结构，纸张中存在大量微小的孔隙，芳纶纸原纸在存放过程中，由于毛细管作用以及芳纶纤维具有一定的亲水性，纸张中因此存在一定水分，纸张未经预热直接进行热压成型，由于水分蒸发且无法有效散发，纸张表面产生较多气泡，从而严重影响纸张表观状态以及强度性能，纸张经预热后再进行热压成型，纸张中水分有效的散发，纸张在热压成型之前，保持干燥，消除纸张中水分对纸张强度性能的影响，从而获得理想的纸张状态。