一种高性能PBO纸及其制备方法与流程

本发明具体涉及一种高性能pbo纸及其制备方法，属于特种纸制备领域。

背景技术：

1、纸自从被发明以来，随着造纸原料来源的发展，纸的用途也越来越广泛。特别是近代以来，各种高性能纤维的开发成熟，采用高性能纤维制备的特种纸也进一步加快了纸张产业的发展。其中，芳纶纸张开发较早，生产工艺也相对成熟，一般应用于国防军事、航空航天、轨道交通、电力电子等领域。相比于芳纶纤维，pbo纤维（聚对苯撑苯并二噁唑纤维）具有更优异的力学性能、耐热阻燃性能等。因此，用pbo纤维作原料制备的纸张在性能上更加优异，且会具有优异的介电性、耐烧蚀性等特殊性能。

2、目前，pbo纤维采用液晶纺丝法，纤维成型后，其取向好、分子规整度高，使得pbo纤维的力学性能特别优异，但是pbo纤维表面极性差，表面光滑，造成纤维间的抱合力不足，即使得pbo纸的初始性能不足。pbo纸张生产过程中，主要面临纤维和浆粕在水中分散性不好，容易团聚，成型后纸张不均匀，影响表观；以及，成纸后，纤维结合力不足，生产过程中纸张不易连续牵引，纸张强度低等问题。

3、现有技术“cn114790664a高强度聚苯撑苯并双噁唑纸基材料”中采用制备pbo纤维前驱体，然后将pbo原纸浸泡在前驱体溶液中，利用pbo纤维与前驱体结构相似，增大pbo纤维与前驱体的包覆，再经热压干燥后，形成一种pbo纸基复合材料，以达到增强pbo纸性能的目的。然而，该方法需要制备pbo前驱体，工艺复杂，并且采用大量有机试剂作溶剂，在热压干燥过程中，有机溶剂挥发，造成环境污染，损伤操作人员健康。

4、“cn112726283a一种耐高温蜂窝芯材用聚对苯撑苯并二噁唑纤维纸基材料及其制备方法” 制备的纸基材料具有耐高温性能好和机械强度高的特点，可以解决现有pbo纤维增强复合材料内部结合强度低，高温条件（300℃）下复合材料性能稳定性差的问题。但其采用芳纶沉析浆粕作粘合剂，然而，芳纶的耐温性要低于pbo纤维，纸张整体耐温性会低于纯pbo纸张，并且芳纶沉析浆粕制备工艺更复杂，造成纸张的成本会增加。

5、“cn1683712 pbo纤维纸基材料及其制备方法与应用”目的在于提供pbo纤维纸基材料和以pbo纤维为主的纸基复合材料，但由于pbo纤维表面光滑，未经处理的pbo纤维之间的结合差，以及，pbo纤维与树脂的亲和力较差，因此，该方法需更复杂的工艺来解决纤维结合问题。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中pbo纤维和浆粕在制备pbo纸过程中，面临纤维或/和浆粕在水溶液中分散不均匀、亲水性不足，最终影响pbo纸的综合性能等问题。在本技术方案中，pbo纤维或/和浆粕能有效的改善纤维表面的亲水性，分散剂能有效促进pbo纤维或/和浆粕在水中的分散，最终，经湿法抄纸工艺制备的pbo纸张，具有优异的力学性能和耐高温性。

2、为了实现上述技术目的，提出如下的技术方案：

3、本技术方案第一目的在于，提出：一种高性能pbo纸，以单丝纤度为1.5～3.0d的pbo纤维长丝为原料，经预处理后，分别切为长度为3～6mm的短切纤维和长度为0.8～1.6mm的短纤维；然后，分别制为pbo浆粕和pbo短切纤维分散液，混合，打浆，形分散液；上网，加压成型；烘干，即得；

4、所述高性能pbo纸的成品指标包括：撕裂指数≥9.07 mn·m2·g-1，抗张能量吸收≥3.4 j·m-2，拉伸强度≥7.6mpa，断裂伸长率≤1.0%。

5、本技术方案第二目的在于，提出：一种高性能pbo纸的制备方法，包括如下步骤：

6、1）预处理

7、以单丝纤度为1.5～3.0d的pbo纤维长丝为原料，在400～600℃条件下，以拉伸比为1.00～1.02，处理5～30s，收卷备用；

8、该pbo纤维的预处理，主要是实现：增加pbo纤维的表面活性，提升纤维间的抱合力，以及，提高纤维在溶液中的分散性，便于后续pbo浆粕的制备，同时，提升后续成品纸张的力学性能，即保证后续工序的制备效率和制备质量。

9、其中，选用规格为“单丝纤度为1.5～3.0d的pbo纤维长丝”为原料，若纤度低于1.5d，在预处理时容易断裂，影响成品率；纤度高于3.0d，预处理时不易完全活化，影响后续纸张成型，以及，降低纸张性能；

10、在400～600℃条件下进行处理，该温度在能保证pbo纤维力学性能的基础上完成纤维活化。若高于600℃，纤维损伤很大，纸张不易成型；若低于400℃，不能达到纤维预处理的目的；

11、拉伸比为1.00～1.02，较好的保证在pbo纤维连续化预处理过程中，不会造成大的性能的变化，即纤维不会在预处理过程中收缩，因此，最低拉伸比为1.0，而若拉伸比大于1.02，将会对纤维力学性能造成影响；

12、处理5～30s，保证pbo纤维既能达到预处理目的，又不会因处理时间过长，影响纤维性能。如：低于5s，处理时间过短，纤维预处理不足，无法实现后续目的；高于30s，处理时间过长，纤维性能损伤严重，严重影响后续纸张成型和纸张性能；

13、2）短切纤维和短纤维的制备

14、将预处理后的pbo纤维分别切成两种不同的规格：长度为0.8～1.6mm的短纤维和长度为3～6mm的短切纤维；

15、其中，将短切纤维长度限定为3～6mm，是为了在后续分散工序中，容易分散。较长的短切纤维，不容易分散；较短的短切纤维，纸张成型后力学性能较低，为此，综合各因素后，将短切纤维长度限定为3～6mm；

16、短纤维长度限定为0.8～1.6mm，是为了在后续的浆粕制备工序中，更容易溶胀、分散；

17、3）pbo浆粕的制备

18、以短纤维质量与处理剂溶液体积之比为1:10～100计，将经步骤2）处理的短纤维置于搅拌罐中，然后，加入处理剂溶液，常温搅拌处理5～60min；

19、其中，处理剂溶液为5～30%浓度的硫酸与0.05～2%浓度的高锰酸钾混合液，或者，为5～30%浓度的硝酸溶液；

20、在该处理工序中，短纤维质量与处理剂溶液以体积之比为1:10～100，进行混合，该限定既能充分分散处理短纤维，又能保证处理剂的有效利用，并有效降低成本。常温搅拌处理5～60min，涉及的“常温”为本领域中一般含义，一般指温度为15-28℃；该处理时间的限定，可充分处理纤维，不因时间过长，降低生产效率，且时间过长还会损伤纤维。此外，短纤维在该处理剂溶液中，处理剂破坏纤维之间的连接，使纤维原纤化，纤维断裂得更细小，且纤维表面粗糙化，在后续造纸过程中能够达到较好的粘合作用，提升纸张力学性能；而选用该浓度的处理剂，能够保证pbo浆粕的形成，又避免过度损伤纤维。

21、纯水洗涤至中性，过滤，烘干；加水配制成pbo纤维浓度为0.2～10%的水溶液，该浓度内的纤维能更好地分散，如：浓度过大，纤维团聚，浓度过小，影响纸张成型；然后，加入分散剂，控制分散剂浓度为0.5～1.0%（该浓度的控制，有效辅助纤维分散，以及，保证分散剂能更好地溶解，提高分散剂的利用率。如：小于该浓度，不能辅助纤维分散；大于该浓度，分散剂溶解困难，且，成本太高），在打浆机中以2000～4000r/min，打浆5～10min，制成pbo浆粕；

22、其中，分散剂为羟乙基纤维素、木质素磺酸钠、马来酸-丙烯酸共聚物、聚氧乙烯醚及非离子型聚丙烯酰胺中的一种或者任意两种以上的混合；

23、“打浆机以2000～4000r/min，打浆5～10min”，保证浆粕分散更均匀，后续更好地粘合纸张成型。分散剂粘附到短纤维上，提升纤维表面极性，增强亲水性，使得水分子更容易包覆单根纤维，减弱纤维之间的吸附，从而提高纤维在水中的分散。纤维分散得均匀，成型后，纸张外观更好，纸张的性能更稳定；

24、4）pbo短切纤维分散液的制备

25、向短切纤维中加入纯水，配制成pbo纤维浓度为0.2～10%的水溶液，该浓度内的纤维能更好地分散，如：浓度过大，纤维团聚，浓度过小，影响纸张成型；然后，加入分散剂，控制分散剂浓度为0.5～1.0%（同样，该浓度的控制，有效辅助纤维分散，以及，保证分散剂能更好地溶解，提高分散剂的利用率。如：小于该浓度，不能辅助纤维分散；大于该浓度，分散剂溶解困难，且，成本较高），在打浆机中以2000～4000r/min，打浆0.5～5min，制成pbo短切纤维分散液；

26、其中，分散剂为羟乙基纤维素、木质素磺酸钠、马来酸-丙烯酸共聚物、聚氧乙烯醚及非离子型聚丙烯酰胺中的一种或者任意两种以上的混合；

27、“打浆机以2000～4000r/min，打浆5～10min”，保证浆粕分散更均匀，后续更好地粘合纸张成型。分散剂粘附到短切纤维上，提升纤维表面极性，增强亲水性，使得水分子更容易包覆单根纤维，减弱纤维之间的吸附，从而提高纤维在水中的分散。纤维分散得均匀，成型后，纸张外观更好，纸张的性能更稳定；

28、5）pbo纸的制备

29、以pbo浆粕与pbo短切纤维分散液的体积比为0.5～5：1计，将经步骤3）所得的pbo浆粕和经步骤4）所得的pbo短切纤维分散液置于搅拌罐中，在打浆机中以2000～4000r/min，打浆0.5～2min，形成均匀的分散液，然后，上网，常温下加压成型；烘干，得到pbo纸；

30、其中，pbo浆粕的体积与pbo短切纤维分散液的体积之比为0.5～5：1进行混合，较好的保证了纸张中pbo浆粕与pbo短切纤维之间的恰当比例，并在该比例下，纸张的性能也得到保证；

31、“以2000～4000r/min，打浆0.5～2min”，充分分散pbo浆粕和pbo短切纤维，保证得到的纸张均匀、性能高。若在该工序中，分散不均匀，纸张不易成型，或者，成型的纸张外观不均匀、性能不好等。

32、采用本技术方案，带来的有益技术效果为：

33、在本发明中，通过对各工序及对应条件的特别控制，不仅保证制备得到高性能（如：力学性能、耐高温性）的pbo纸，而且实现该制备工艺的可控性、稳定性和顺利性。同时，解决现有技术中pbo纤维和浆粕在制备pbo纸过程中，面临纤维或/和浆粕在水溶液中分散不均匀、亲水性不足，最终影响pbo纸的综合性能等问题；

34、此外，不需要有机溶剂清洗纤维表面，有效的避开环保问题。此外，使用的试剂种类较少，减少了操作过程，操作简便易行。