芳綸纖維-NFC-納米TiO2紙基材料成紙及界面性能的研究.pdf

1、間位芳綸紙基材料是以芳綸短切纖維和芳綸沉析（或芳綸漿粕）纖維為原料，利用現(xiàn)代造紙濕法抄造技術(shù)抄造成紙，再經(jīng)后續(xù)加工處理后制備所得。因芳綸纖維本身高的取向度和結(jié)晶度，使其具有較高的比強(qiáng)度、比模量，介電性能、并兼具優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性能和低密度等特性，其產(chǎn)品也多種多樣，包括耐高溫絕緣材料、輕質(zhì)化蜂窩材料、高性能電子材料等，在現(xiàn)代高科技領(lǐng)域如電子電工、航空航天、國防軍事、軌道交通等都有著廣泛的應(yīng)用。芳綸紙基材料中，由于芳綸短切纖維本身的

2、皮-芯層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致纖維表面呈化學(xué)惰性，和沉析纖維基體結(jié)合性差，導(dǎo)致紙張結(jié)構(gòu)疏松多孔，嚴(yán)重影響了成紙的機(jī)械強(qiáng)度和介電性能。此外，芳綸紙?jiān)谑褂眠^程中會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，也嚴(yán)重影響了芳綸紙的使用壽命。
　　納米纖維素（NFC）和納米TiO2因?yàn)榫哂袃?yōu)異的增強(qiáng)效果和耐熱性能，在改善復(fù)合材料性能方面有著廣泛的應(yīng)用。本課題在芳綸紙基材料中引入性能優(yōu)異的NFC和納米TiO2，來改善芳綸紙的強(qiáng)度和絕緣性能差等問題。
　　首先對(duì)比分析了間位芳綸短切

3、纖維和沉析纖維在表觀形貌和形態(tài)參數(shù)等方面的差異，以及對(duì)紙頁結(jié)構(gòu)的影響，明確了芳綸紙的強(qiáng)度主要依靠短切和沉析纖維的物理交織，結(jié)合強(qiáng)度弱。繼而采用磷酸溶液對(duì)芳綸短切纖維進(jìn)行改性來增加其表面粗糙度和活性，并研究了NFC含量對(duì)芳綸紙基材料性能的影響。結(jié)果表明當(dāng)NFC的含量為20％時(shí)，成紙的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、層間結(jié)合強(qiáng)度和抗張能量吸收（TEA）分別達(dá)到了最大值22.44 N·m·g-1，13.33 mN·m2·g-1，138.22J·m-2和2

4、9.71/J·m-2。FT-IR表明強(qiáng)度性能的提升主要是因?yàn)镹FC表面的羥基和芳綸纖維表面的活性基團(tuán)能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的氫鍵締合作用。SEM圖象表明NFC像“蛛網(wǎng)”或“蠶絲”狀的薄膜結(jié)構(gòu)粘接在芳綸纖維上，作為短切纖維和沉析纖維的界面粘結(jié)橋梁和填充劑，從而使紙張的界面粘結(jié)強(qiáng)度大幅度提高。
　　然后利用KH-550改性納米TiO2，獲得分散均一的納米粒子，再以網(wǎng)狀NFC作為載體分散和負(fù)載無機(jī)納米TiO2，采用分光光度計(jì)研究了二者的分散穩(wěn)定性

5、和均勻性，結(jié)果表明NFC因其特殊的的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和表面活性不但可以作為載體截留納米TiO2，還起到了分散納米TiO2的作用。FT-IR表明NFC/納米TiO2通過氫鍵組裝成了緊密的有機(jī)-無機(jī)雜化納米材料。
　　接著研究了NFC/納米TiO2有機(jī)-無機(jī)雜化納米材對(duì)間位芳綸紙基材料力學(xué)性能、應(yīng)力-應(yīng)變、絕緣強(qiáng)度和抗老化性能的影響。結(jié)果表明當(dāng)芳綸纖維/NFC/納米TiO2三者的比例為8.7:0.5:0.8時(shí)，復(fù)合紙的抗張指數(shù)、斷裂應(yīng)力和

6、絕緣強(qiáng)度分別達(dá)到了最大值16.42N·m·g-1，6.991MPa和9.81kV·mm-1，同時(shí)也具備了較強(qiáng)的抗老化性能。
　　最后探討了NFC/納米TiO2的增強(qiáng)機(jī)理，主要分為兩點(diǎn)：一是NFC/納米TiO2之間形成了有機(jī)-無機(jī)界面相，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，界面層的活性增強(qiáng)，從而增加了界面的結(jié)合強(qiáng)度；二是NFC負(fù)載了納米TiO2后表面粗糙度大幅度提高，從53nm提高到了101.1nm，與芳綸纖維之間產(chǎn)生了較強(qiáng)的界面嚙合強(qiáng)度，改善了界面結(jié)合