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  20  专注高分子材料抗紫外线、抗黄变

学习了解下“高性能纤维纸基功能材料”

       特种纸广泛应用广泛。特种纸的制造涉及造纸、材料、化学等多个学科,所用原料包括植物纤维、合成纤维、无机纤维、动物纤维、金属纤维等。根据纤维特性的差异,对纤维进行复合或者混杂,可制造出具有不同性能、功能和用途的特种纸。

        植物纤维特性与纸张缺陷。植物纤维作为造纸的主要原料,与合成纤维相比,具有可降解、可循环再生的优势。造纸用植物纤维长度通常为1~3mm,直径约10~50μm,形态呈纺锤状或扁带状。纤维表面大量的羟基在纸浆浓缩、压榨、干燥等过程中可形成氢键,使得纸张在没有黏合剂的条件下也具有优异的强度性能。此外,由植物纤维交织形成的多孔网络结构,赋予纸张优良的透气性、吸水性。与非木材纤维相比,木浆纤维长度大、杂细胞少、成纸综合性能优异,是制造植物纤维特种纸的主要纤维原料。2016年,我国纸浆消耗约9797万吨,其中木浆占29%,而国产木浆仅占木浆消耗的10%,剩余19%为进口木浆。因此,受资源、环境制约,我国木浆资源短缺,产量无法满足需求,仍需依赖进口。

       植物纤维的理化性质造成其制造的纸张在结构与性能存在一定的局限性。植物纤维糖苷键不稳定,纤维表面羟基易氧化,导致纸张易老化、返黄、不耐化学腐蚀;纤维表面的亲水基团导致纸张抗水性差,易吸湿变形;由于纤维相互交织形成纸页,因此纸张表面平滑度和光泽度不会太高,需要加填或者涂布以改善纸张相关性能;此外,纸张耐温性差、易燃烧。

       植物纤维的缺陷使得以其制造的纸张无法满足特殊功能需求,必须通过提高制造成本,采用特殊化学品,或者通过物理、化学加工,甚至采用合成纤维来改善其性能缺陷。

       以下谈谈高性能纤维特性及其发展趋势。

       合成纤维与合成纤维纸。纤维制造技术的发展、造纸技术的进步以及各种助剂的出现,为人们利用合成纤维、无机纤维、金属纤维等非植物纤维造纸创造了有利条件。以石油、天然气等物质为原料,经化学聚合、纺丝成形及后加工而成的合成纤维作为传统造纸纤维原料的重要补充,在提高纸张机械强度、耐溶剂性,改善纸张耐水性、防潮性和尺寸稳定性等方面效果显著。常用的合成纤维主要有涤纶(PET)、维纶(PVA)、氨纶(PU)、锦纶(PA)、丙纶(PP)、腈纶(PAN)。与植物纤维不同,合成纤维的化学结构、分子质量以及纺丝和后加工工艺可灵活设计,通过纤维形态结构设计、纤维的复合或组合,可极大地丰富造纸纤维原料。

      通过对合成纤维自身进行功能化处理,还可赋予纸张新的功能。一些合成纤维可在光、热、电、力信号作用发生可逆伸缩或变色,该类纤维在防伪纸、纸基传感器领域具有潜在应用价值;有的纤维对电磁波有屏蔽作用,甚至可吸收或反射放射线等功能,可用于制备屏蔽纸;上海苍洪销售的紫外线吸收剂在合成纤维中也有重要的应用,它可以赋予合成纤维屏蔽紫外线、增强耐候、抗黄变等性能。因此,合成纤维纸在纤维原料的可设计性以及纸张的功能性方面具有植物纤维无法比拟优势,作为造纸纤维原料的有力补充,可极大地拓宽纸张的应用领域。

      高性能纤维及发展趋势。高性能纤维是合成纤维家族的成员之一,具有高的模量和强度,一般还具有良好的耐热性、介电性能以及优异的化学稳定性。高性能纤维主要分为高性能有机纤维和高性能无机纤维。高性能有机纤维主要包括芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维等;高性能无机纤维的典型代表有碳纤维和玄武岩纤维。一般来讲,高性能纤维强度大于17.6 cN/dtex,弹性模量大于440 cN/dtex,玻璃化温度在200℃以上。该类纤维常用于高端复合材料,如芳纶1414用于制作导弹壳体的复合材料。

      纸基材料的发展对纤维功能性提出了更高要求。目前纤维新材料的发展趋势主要体现在纤维形态差别化、纤维尺度纳米化、常规纤维功能化以及功能纤维智能化四个方面。

      高性能纤维纸基功能材料介绍。高性能纤维纸基功能材料是以芳纶纤维、碳纤维、聚酰亚胺纤维等高性能纤维为原料,经现代造纸技术制备的具有特定性能和用途、结构和性能不同于普通纸张,高附加值的功能材料。它是多学科交叉的高新技术产品,具有密度小、比强度高、比刚度大、耐高温等优异特性,是机电装备、轨道交通、航空航天等领域具有一定战略意义的结构与功能材料。高性能纤维纸基功能材料是造纸工业对接国家重大战略需求的重要领域,其制造难度大,长期受到发达国家封锁。尽管目前制备此类材料的关键技术已取得较大突破,但用于高端领域的产品性能仍与发达国家存在差距,无法满足国家重大工程对基础材料的基本需求。

      以下对几种重要的高性能纤维纸基材料做个简要介绍。

      芳纶云母绝缘纸基材料。高压变频电机、超高电压变压器、牵引电机等大型绝缘设备对材料绝缘性、可靠性、安全性和紧凑性要求越来越高。传统纯芳纶纸强度高、介电性能和化学稳定性好,但耐电晕性差,而传统纯云母纸耐电晕性能好,但需玻璃布和胶黏剂补强。芳纶云母纸基材料是以芳纶纤维和云母为原料,通过现代造纸技术制备的高性能复合材料,兼具耐高温、耐电晕和优异强度,可应用于高压/变频电机和牵引电机等高端电气绝缘材料。芳纶云母纸的增强技术以及提高其对恶劣环境的适应性一直是近些年国内外研究热点与难点。如何将表面惰性较强的高性能纤维与仅靠范德华力和静电引力产生结合的片状云母鳞片有效地复合、产生良好的界面结合,并充分发挥高性能纤维耐温与绝缘性能等优势,是未来实现芳纶云母绝缘纸性能提升的关键。

       耐高温聚酰亚胺纤维纸基材料。聚酰亚胺纤维纸基复合材料比芳纶纸具有更高的强度和耐温性,是一类更具发展前景的战略性功能材料。聚酰亚胺纤维表面没有活性基团,化学性质比较稳定,使得聚酰亚胺纤维湿法造纸面临着较大的技术挑战:聚酰亚胺纤维浆料打浆和疏解的过程中很难发生纤维的分丝帚化,在纸页的干燥过程中纤维之间也不会产生氢键结合,导致成形质量差、强度低,无法充分发挥聚酰亚胺纤维的性能优势。因此,选择合适的黏结纤维来提高纤维间结合力是开发高性能聚酰亚胺纤维纸的关键。

       高性能纸基摩擦材料。随着运输设备向着高速、重载、安全、舒适的方向发展,对摩擦材料的摩擦磨损性能、高温制动性能和环保性能要求越来越高。纸基摩擦材料是一种应用于自动变速器、差速器等湿式离合制动装置中的关键功能材料,具有机械性能良好、摩擦系数适中、摩擦噪音小以及对偶损伤弱等优异特性。我国纸基摩擦材料整体技术水平及产业规模仍处初期阶段。与发达国家相比,国产摩擦材料产品在材料与能量负荷设计、摩擦系数调控等方面尚存代际差距。因此,突破高性能、长寿命摩擦材料技术已成为支撑我国装备现代化的重要途径。

       芳纶纸基蜂窝结构减重材料。芳纶纸因其优异的机械性能、阻燃性、抗腐蚀性、比重小等特点,以芳纶纸为原料通过浸胶、蜂窝叠层、拉伸、黏结、复合加工而成的芳纶纸基蜂窝结构材料,具有重量轻、强度高、抗冲击、耐腐蚀、隔音隔热、便于大面积整体成型等优异性能,可作为飞机、高铁、船舶、汽车实现轻量化的关键结构减重材料。2014年10月国家发改委、财政部、工业和信息化部联合印发《关键材料升级换代工程实施方案》中,将芳纶纸列入国家“先进轨道交通行业急需新材料”。因此,应进一步提升国产芳纶纸用纤维原料和芳纶纸的质量稳定性和综合性能,加强产业战略布局,提高国际竞争力。

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