提高芳纶纸伸长率的制造工艺的制作方法

1.本发明属于芳纶纸制造技术领域，尤其涉及一种提高芳纶纸伸长率的制造工艺。


背景技术：

2.由于间位芳纶纸基材料优异的化学和热稳定性、耐热性和机械强度，近年来其在国防、电力、交通等高端领域备受关注。它们独特的物理和结构特性使其具有特别优异的拉伸、电气和化学性能，间位芳纶纸基材料是由间位芳纶短纤维和沉析纤维采用一种成网造纸工艺制备的。
3.现有专利号为cn201610769485.x一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法，公开了间位芳纶纸浆的添加是制备高密度绝缘硬纸板的关键技术，纸浆纤维的表面惰性较高，纤维界面结合强度较弱，因此采用低温等离子体处理工艺，增加纤维表面的o/c比例，提高纤维间的结合力，从而在不影响纸板强度的同时，提高了纸板的密度。现有的芳纶纸制备方法中通过对芳纶进行低温等离子体处理，是以改变纸板的密度为技术动机的发明，使得制纸易于压缩，从而获得一定密度的芳纶纸板，应用于厚度为1-4mm的纸板，更多考量为纸板的刚性。
4.间位芳纶短纤维的非极性性质和光滑的表面使其在应用和化学结合方面存在困难，因为间位芳纶短纤维的化学结构是松散的，它们的粘附性很差。黏结不良的纤维在达到纤维的全部延伸潜能之前就会失效，而在黏结良好的纤维中，纤维在失效之前会承受更高的应力和更大的应变。因此，如何制造良好纸张延伸强度具有一定难度。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决上述技术问题，而提供提高芳纶纸伸长率的制造工艺，从而实现评估单个芳纶原纸纤维的极端拉伸行为，等离子体处理改变纤维表面形态，同时创造活跃的极性官能团，在等离子体的影响下，进一步改变纤维性质，最终达到提高机械性能的拉伸强度和伸长率的目的。为了达到上述目的，本发明技术方案如下：
6.提高芳纶纸伸长率的制造工艺，包括以下步骤：
7.间位芳纶浆液经过纤伸浴后得到初生纤维；
8.所述初生纤维经过等离子体处理10-90min，等离子体处理射频频率为10-15mhz，射频功率200-220w；
9.等离子体处理后的所述初生纤维经过水洗、干燥、干热拉伸得到间位芳纶短切纤维；
10.将质量份比例20-80％的间位芳纶短切纤维和20-80％的间位芳纶沉析纤维通过抄片机混合，真空干燥烘干得到芳纶原纸。
11.具体的，所述纤伸浴的步骤之前为间位芳纶浆液混合浓度为80-100％的二甲基乙酰胺溶剂。
12.具体的，所述初生纤维经过水洗、干燥、干热拉伸得到间位芳纶短切纤维具体步骤
为干燥温度为120-130℃，再经过320-350℃热板上拉伸1-1.2倍得到间位芳纶短切纤维。
13.具体的，制备所述间位芳纶沉析纤维的步骤中包括间位芳纶浆液混合浓度为10-50％的二甲基乙酰胺溶剂进入制浆设备。
14.具体的，所述间位芳纶沉析纤维比表面积为20-65m2/g。
15.具体的，所述间位芳纶短切纤维切断长度为2-10mm。
16.具体的，所述真空干燥烘干得到芳纶原纸的步骤中，烘干温度为80-95℃。
17.与现有技术相比，本发明提高芳纶纸伸长率的制造工艺的有益效果主要体现在：
18.采用等离子体对初生纤维进行改性，来提高初生纤维的分散性，等离子体处理对初生纤维的表面形貌和化学成分有显著影响。高能等离子体处理后制备的间位芳纶短切纤维表面极性基团增多，润湿性能提高，能够增加比表面积，在与间位芳纶沉析纤维进行混合制造芳纶原纸，更多的间位芳纶沉析纤维能与间位芳纶短切纤维复合，有利于增加间位芳纶沉析纤维与间位芳纶短切纤维的界面结合力，提高最终芳纶原纸的拉伸强度和伸长率。
附图说明
19.图1为本发明实施例的制备间位芳纶短切纤维流程示意图；
20.图2为本实施例中等离子体处理前间位芳纶短切纤维形态；
21.图3为本实施例中等离子体处理后间位芳纶短切纤维形态；
具体实施方式
22.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
23.实施例1：
24.参照附图1所示，本实施例为提高芳纶纸伸长率的制造工艺，包括以下步骤：
25.通过湿法纺丝工艺制备间位芳纶短切纤维，湿法纺丝工艺包括间位芳纶浆液混合浓度为80％的二甲基乙酰胺溶剂进入热甬道内进行脱泡和加热，热甬道通入氮气，纤伸浴后得到初生纤维；
26.初生纤维经过等离子体处理，低压空气射频等离子体处理10min，射频频率为10mhz，射频功率200w；等离子体作用于聚合物，可以在表面形成含氧官能团，处理过程中有两个过程是同时发生的，水蒸汽产生的自由物种与氧原子和碳原子刻蚀聚合物的表面，并生成活性极性官能团。等离子体处理对初生纤维最外层的原子层进行刻蚀而不影响其力学性能，增加表面自由能及其离散度，尤其是极性成分。等离子体处理改变纤维表面形态，同时创造活跃的极性官能团。在等离子体的影响下，进一步改变纤维性质，最终达到提高机械性能的拉伸强度和伸长率的目的。通过低压空气射频(rf)等离子体处理后，改变间位芳纶短纤维的自由表面官能团及其极性和离散度，从而提高纤维的力学性能。
27.等离子体处理后的初生纤维经过水洗、干燥、干热拉伸得到间位芳纶短切纤维；干燥温度为120℃，再经过320℃热板上拉伸1倍得到间位芳纶短切纤维；
28.间位芳纶短切纤维切断长度为2mm。
29.制备间位芳纶沉析纤维，间位芳纶浆液混合浓度为10％的二甲基乙酰胺溶剂进入制浆设备，用去离子水清洗掉二甲基乙酰胺溶剂，得到比表面积为20m2/g的间位芳纶沉析
纤维。
30.将质量份比例20％的间位芳纶短切纤维和80％的间位芳纶沉析纤维通过抄片机混合，真空干燥烘干得到芳纶原纸；烘干温度为80℃。
31.使用扫描电子显微镜(sem)对芳纶原纸表面形貌进行了分析，并对机械性能和延伸性能进行了检测，以确定最佳的拉伸性能。
32.参见附图2-3所示，正常未经过等离子体处理的间位芳纶短纤维和经等离子体处理后的间位芳纶短纤维最终制造的芳纶原纸表面形貌有明显的差异。等离子体处理后制备的芳纶原纸表面粗糙，等离子体刻蚀产生大量的空腔和纤维毛刺，等离子体处理由于离子、电子和自由基的轰击导致聚合物降解。纤维表面粗糙度的状态如图2所示，表面粗糙度的变化趋势与sem上可见的趋势一致，随着等离子体处理时间的增加，更多更大的“毛刺”均匀地分布在粗糙的纤维表面上，片状显示为沉析纤维结构，圆柱形显示为短切纤维。等离子体处理超过90min后，芳纶原纸表面粗糙度降低，这与连续的蚀刻过程有关。
33.扫描电镜分析表明，等离子体处理去除了纤维表面的有机材料，降低了碳、氮含量。纤维表面的氧含量增加了1wt％。此外，芳纶原纸活化前后的接触角相对降低了15％，自由表面的能级增加了10％。此外，极性组分值显著增加了20％。极性组分值的增加显著改变了原纤维表面形貌(图2)。等离子体处理后，亲水性、接触角和极性组分的变化增强了纤维的力学性能，以及纤维和纤维之间的结合力。间位芳纶短纤维经等离子体处理后制备的芳纶原纸拉伸强度提高7％，提高纤维表面粗糙度，并最终提高纤维复合材料的性能。等离子体表面改性是利用等离子体的高能量在纤维表面形成自由基等活性中心，自由基随后可进行裂解、自由基转移、氧化、歧化、耦合等反应，也可以与氛围中的氮气、氨气等发生反应，从而在纤维表面生成各种极性基团，如羧基、胺基、酰胺基和腈基等，提高纤维表面的极性，改善纤维的润湿性。纤维表面属性的改变取决于等离子体处理的时间。扫描电镜分析表明，经过等离子体处理后，芳纶原纸表面形貌发生了变化，粗糙度有所增加，电镜观察纤维表面有凹坑。随着等离子体处理时间的延长，纤维与水的接触角减小，纤维的亲水性增强，等离子体处理时间为10min，未经过等离子体处理的间位芳纶短纤维和经等离子体处理后的间位芳纶短纤维制备的芳纶原纸，其他试验参数不变情况下，表面c元素质量分数下降超过5％，表面o元素质量分数上升超过7％，接触角由21.481
°
降低到15.4
°
，芳纶原纸的断裂比强度由4cn/dtex提高到6cn/dtex。
34.实施例2：
35.与实施例1的区别在于，湿法纺丝工艺包括间位芳纶浆液混合浓度为100％的二甲基乙酰胺溶剂进入热甬道内进行脱泡和加热；
36.初生纤维经过等离子体处理，低压空气射频等离子体处理90min，射频频率为15mhz，射频功率220w；
37.等离子体处理后的初生纤维经过水洗、干燥、干热拉伸得到间位芳纶短切纤维；干燥温度为130℃，再经过350℃热板上拉伸1.2倍得到间位芳纶短切纤维；
38.间位芳纶短切纤维切断长度为10mm。
39.制备间位芳纶沉析纤维，间位芳纶浆液混合浓度为50％的二甲基乙酰胺溶剂进入制浆设备，得到比表面积为65m2/g的间位芳纶沉析纤维。
40.将质量份比例80％的间位芳纶短切纤维和20％的间位芳纶沉析纤维通过抄片机
混合，真空干燥烘干得到芳纶原纸；烘干温度为95℃。
41.正常未经过等离子体处理的间位芳纶短纤维和经等离子体处理后的间位芳纶短纤维制备的芳纶原纸表面形貌有明显的差异，芳纶原纸活化前后的接触角相对降低了25％，自由表面的能级增加了30％。此外，极性组分值显著增加了30％。芳纶原纸经等离子体处理后拉伸强度提高6％。等离子体处理后，亲水性、接触角和极性组分的变化增强了纤维的力学性能，以及纤维和纤维之间的结合力，最终使得芳纶原纸的机械强度有所提高，包括伸长率和拉伸强度。
42.应用本实施例时，采用等离子体对初生纤维进行改性，来提高初生纤维的分散性，等离子体处理对初生纤维的表面形貌和化学成分有显著影响。高能等离子体处理后制备的间位芳纶短切纤维表面极性基团增多，润湿性能提高，能够增加比表面积，在与间位芳纶沉析纤维进行混合制造芳纶原纸，更多的间位芳纶沉析纤维能与间位芳纶短切纤维复合，有利于增加间位芳纶沉析纤维与间位芳纶短切纤维的界面结合力，提高最终芳纶原纸的拉伸强度和伸长率；制备的芳纶原纸为厚度在0.04-0.76mm的薄纸，具有柔软性能，伸长率为关键因素。
43.在本发明的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
45.虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。