（轻工技术与工程专业论文）芳纶纤维动态机械特性与成纸相关性研究.pdf

m a s t e ro f e n g i n e e r i n g t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n g m e i y u nz h a n gs u f e n g m a y , 2 0 1 0 芳纶纤维动态机械特性与成纸相关性研究 摘要 芳纶13l3 纤维，全称为聚间苯二甲酰间苯二胺纤维，英文简称 p m i a 。芳纶l3l3 纤维具有超高强度、高模量、耐高温、耐酸耐碱 等优良特性。由芳纶13l3 纤维生产的后加工产品芳纶绝缘纸，具有 良好的机械性能和绝缘性能，是一种高附加值的特种纤维纸，广泛 应用于高温过滤材料、高温防护服、电气绝缘和蜂窝结构材料等领 域，是目前世界上发展最快的耐高温绝缘材料。 在本课题组前期研究的基础上，本论文系统地研究了芳纶1313 纤维的形态、物理化学性能和在湿法造纸中的抄造性能，采用多媒 体显微镜、i r 、x r d 等测试手段，通过试验确定了芳纶短切纤维与 沉析纤维的各项参数；使用了b e t 、i r 、x r d 、d m a 等测试手段， 对芳纶沉析纤维筛分、纤维分子量、纤维比表面积、纤维配比以及 沉析纤维动态热力学性能等进行了研究。通过正交试验，确定了芳 纶纸的热压工艺，利用i r 、x r d 、d m a 等测试手段，对热压前后芳 纶纸结晶度及芳纶纸热力学性能进行了表征。 确定芳纶纤维形态为：短切纤维宽度约为lo1 1m ，长度约3 5 m m 。沉析纤维长约lm m 3 m m ，长宽比约5 0 - - 一10 0 0 ；芳纶纤维平 均分子量大小为13 万左右，浆粕纤维比表面积在4 0 5 0m 2 g 。x r d 检测分析表明，短切纤维结晶度与结晶状态远好于沉析纤维。 确定芳纶纸造纸工艺为：湿法成型时质量配比为短切纤维：沉析 纤维= 1 ：1 5 。浆粕目数在1o o 目时，芳纶纸的各项强度指标最优化； 热压工艺为辊速2 m m i n ，压力1 4 0 b a r ，温度2 4 0 ，热压次数3 次。 通过动态热力学分析( d m a ) ：芳纶浆粕玻璃转变温度在2 9 0 左右，储能模量由热压前的10 m p a 增大到热压后的l5 0 0m p a 左右， 对比热压前有了明显的增大，原因主要是热压导致浆粕结晶度的大 幅度增加所致；自制芳纶原纸的玻璃化温度t 2 与杜邦未热压纸的基 本相同，在3 0 0 左右。但是损耗模量与损耗因子杜邦纸均远远高于 自制芳纶纸，这样的情况将导致自制芳纶纸在高温下使用时的阻尼 远不如杜邦纸。储能模量杜邦原纸的在3 0 0 m p a 左右，而自制原纸的 只有6 0 m p a ，仅是杜邦纸的五分之一，这就意味这在常温下使用时， 杜邦纸有着比自制纸优越的刚度；自制芳纶热压纸的储能模量为 16 0 0 m p a ，而杜邦t 4l0 纸为19 5 0 m p a ，比自制芳纶纸高出了3 0 0 m p a 之多。玻璃化转变温度自制芳纶纸的与杜邦t 4 l0 纸相差不大，几乎 都是在3 0 0 附近，但是杜邦t 4 10 纸的t 2 峰比自制芳纶纸的t g 峰 要高出许多，这就意味着杜邦t 4 1 0 纸比自制芳纶纸无定形区分子链 取向度高，链段自由运动困难，移动所需要的能量比较大。 关键词：芳纶纤维，物理化学结构，比表面积，热压，结晶度，动 态热力学分析，储能模量 s t u d yo nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e d y n a m i c a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m e t a a r a m i df i b r ea n di t sp a p e r p r o p e r t i es a b s t r a c t p o l y ( m p h e n y l e n ei s o p h t h a l a m i d e ) ，a b b r e v i a t e d a sp m i a t h e p m i af i b r eh a s p r o m i n e n t m e c h a n i c a l s t r e n g t h ，h i g ht e m p e r a t u r e r e s i s t a n c e ，a c i dr e s i s t a n c ea n da l k a l ir e s i s i t a n c e t h ep m i ap a p e ri s m a d eo ft h ep m i af i b r e ，i th a sp r o m i n e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d i n s u l a t i n gp r o p e r t y t h ep m i ap a p e ri s u s e da s f i l t r a t i n gm a t e r i a l ， e x p o s u r es u i ti nh i g ht e m p e r a t u r e ，i n s u l a t i o nm a t e r i a la n dh o n e y c o m b s t r u c t u r em a t e r i a l ，a n di ti st h ef a s t e s td e v e l o p i n gi n s u l a t i n gm a t e r i a l s i nt h ew o r l d i nt h i sp a p e r ，m o r p h o l o g ya n dp r o p e r t i e so ft h ea r a m i df i b e rw e r e s t u d i e db yu s i n go ff q a ，i r ，d s ca n dx r d ，a n d c o r r e s p o n d i n g p a r a m e t e ro fa r a m i df l o ca n df i b r i dw e r ec o n f i r m e db ye x p e r i m e n t t h es c r e e n i n go ff i b r i df i l t r a t i o n ，m o l e c u l a rw e i g h t ， c o m p o s ea n d t h e d y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff i b r i dw e r es t u d i e dt h r o u g ht h eu s eo f b e t ，i r ，x r d ，d m ae t c t h ec r y s t a l l i n i t ya n dd y n a m i cm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s b e f o r ea n da f t e rh o t p r e s s i n gp r o c e s sw e r es t u d i e db y o r t h o g o n a le x p e r i m e n t t h em o r p h l o l g yp a r a m e t e r so fa r a m i df i b e ra r ea sf o l l o w s ：f l o c ： f i b e rb r e a d t hi s10um ，d i a m e t e r3 5 m m ，l e n g t h3 5 m m f i b r i d ： l e n g t hi s1 3 m m ，l e n g t h w i d e t hr a t i oi s5 0 10 0 0 ；t h ea r a m i df i b r e a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h ti sa b o u t13 0 0 0 0 s p e c i f i cs u r f a c ea r e ao f f i b r i di s4 0 5 0m 2 g x r dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec r y s t a l l i n i t ya n d c r y s t a l l i n es t a t eo f f l o ca r eh i g h e rt h a nf i b r i d p a p e r m a k i n gp r o c e s so ff l o ca n df i b e ri sa sf o l l o w s ：f i b r i d ：f l o c = 1 5 ：1 ；w h e nf i b r i ds c r e e n i n gm e s hw a s10 0 ，t h es t r e n g t hi n d e xo f a r a m i dp a p e rw a st h eb e s t ；t h eh o tp r e s s i n gt e c h n o l o g yo fa r a m i d p a p e r ：m a k i n g t h e s p e e d o f r o l l e r ：2 m m i n ，p r e s s u r e ： 14 0 b a r ； i i i t e m p e r a t u r e ：2 4 0 c ；t h eh o tp r e s s i n gn u m b e r ：3t i m e s s t u d i e db yd m aa sf o l l o w s ，t h eg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo f f i b r i dw a sa b o u t2 9 0 ，a n di t ss t o r g em o d u l u s ( e ) i n c r e a s e df r o m 10 m p at o150 0m p ab e f o r ea n da f t e rh o tp t r s s i n gp r o c e s s ， t h ed y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sr e s u l t so fa r a m i dp a p e rb e f o r e t h eh o tp r e s s i n gw e r ea sf o l l o w s ：t h eg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo f s e l f - m a d ea r a m i dp a p e rw a s3 0 0 ，w h i c hw a sb a s i c a l l yt h es a m ea s t h a to fd u p o n tp a p e r l o s sm o d u l u sa n dl o s sf a c t o ro fd u p o n tp a p e r w e r em u c hh i g h e rt h a nt h a to ft h es e l f - m a d ep a p e r t h i ss i t u a t i o nw i l l l e a dt ot h ed a m p i n go fs e l f - a r a m i dp a p e ri sf a rl e s st h a nd u p o n tp a p e r w h e nu s e da th i g ht e m p e r a t u r e s t h ei n i t i a ls t o r a g em o d u l u so fd u p o n t p a p e rw a sa b o u t30 0 m p a ，w h i l et h es e l f - m a d ea r a m i dp a p e rw a s6 0 m p a ， o n l yo n e f i f t ht h a to fd u p o n tp a p e r t h i si n d i c a t e st h a td u p o n tp a p e r h a ss u p e r i o rs t i f f n e s st h a nt h a to fs e l f - m a d ep a p e rw h e nu s e da tr o o m t e m p e r a t u r e 。 t h ed y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sr e s u l t so fa r a m i dp a p e ra f t e r t h eh o tp r e s s i n gw e r ea sf o l l o w s ：s e l f - m a d ea r a m i d p a p e re f o r 16 0 0 m p a ，w h i l ed u p o n tt 410p a p e re 7 f o r19 50 m p a c o m p a r e dt ot h e i n t e n s i t yo fi n d i c a t o r sw h e n t h ep a p e ri sn o th o tp r e s s e d ，t h es t r e n g t ho f h o t - p r e s sp a p e rr a i s e dal o t t h i si sb e c a u s et h eh o tp r e s s i n gl e a dt oa n i n c r e a s ec r y s t a l l i n i t yo fa r a m i df i b e r s t go fs e l f - m a d ea r a m i dp a p e ra n d t h ed u p o n tt 410p a p e ra l m o s ta l la t30 0 。c h o w e v e r ，t h et gp e a ko f d u p o n tt 410p a p e rw a sm u c hh i g h e rt h a nt h et gp e a ks e l f - m a d ea r a m i d p a p e r t h i ss u g g e s t st h a td u p o n tt 4 10p a p e r sa m o r p h o u sz o n eh a sa h i g hd e g r e eo fm o l e c u l a rc h a i no r i e n t a t i o n m o l e c u l a rs e g m e n tw i l lb e d i f f i c u l tt om o v ef r e e l y ，a n dt h em o v i n gr e q u i r e dar e l a t i v e l yh i g h e r e n e r g y k e y w o r d s ：a r a m i d ，p h y s i c a lc h e m i c a ls t r u c t u r e ，s p e c i f i cs u r f a c e a r e a ，h o tp r e s s i n g ，c r y s t a l l i n i t y , d m a ，s t o r a g em o d u l u s i v i 一 1 】【 。2 一3 4 4 一6 一6 一7 一7 一7 1 4 芳纶纤维结构与性能的研究现状与发展8 1 5 本课题的来源、研究内容一1 0 蜮： 1 6 选题的目的和意义1 0 2 实验材料与实验方法一12 2 1 原料药品及试验设备1 2 2 1 1 试验原料1 2 2 1 2 化学药品1 2 2 1 3 设备仪器1 2 2 2 沉析纤维的筛分1 3 2 3 沉析纤维的溶解一1 3 2 3 1 沉析纤维的表面预处理1 3 2 3 2l i c l d m a c 、l i c l d m f 溶剂系统的选择1 3 2 4 沉析纤维性能的检测和方法1 4 2 4 1 沉析纤维粘均分子量的测定1 4 2 4 2 沉析纤维比表面积的测定1 4 2 4 3 沉析纤维结晶度的测定1 4 2 。4 4 沉析纤维动态热力学性能的测定1 4 2 5 芳纶纸性能的检测一15 2 5 1 定量1 5 2 5 2 厚度1 5 2 5 3 紧度15 2 5 4 抗张强度1 5 2 5 5 撕裂强度15 2 5 6 动态热力学性能的测定1 6 2 6 研究方案和技术路线16 2 7 技术难点及拟解决的方法1 6 3 芳纶纤维性能的研究1 8 3 1 芳纶纤维的形态分析1 8 3 1 1 芳纶短切纤维的形态分析。1 8 3 1 2 芳纶沉析纤维的形态分析1 9 3 2 芳纶沉析纤维筛分研究2 0 3 2 1 沉析纤维筛分结果及分子量分布2 0 3 2 2 不同目数沉析纤维比表面积的测定2 1 3 3 芳纶纤维结构性能的研究2 3 3 3 1 芳纶纤维红外分析2 3 3 3 2 芳纶纤维结晶度2 5 3 3 3 芳纶浆粕动态热力学分析2 8 3 4 本章小结。3 3 4 热压前芳纶原纸性能的研究3 4 4 1 芳纶混抄纸的配抄工艺确定3 4 4 2 不同目数沉析纤维对芳纶纸强度性能的影响3 6 4 2 1 紧度的影响3 6 4 2 2 抗张强度的影响3 6 4 2 3 撕裂强度的影响3 8 4 2 4 不同目数沉析纤维的最优化选择：3 8 4 3 自制芳纶原纸与杜邦原纸性能的比较3 8 4 3 1 红外光谱分析3 8 4 3 2 动态热力学分析3 9 4 4 本章小结。4 4 5 热压后芳纶纸性能的研究4 6 5 1 芳纶混抄纸的热压工艺确定4 6 i i 4 6 4 6 4 6 一4 8 4 8 4 9 5 0 5 0 。5 1 。5 l 。5 2 一5 5 一5 7 。5 7 。5 8 6 3 建议5 8 参考文献5 9 攻读学位期间发表的学术论文目录6 4 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明6 5 i l i 1 绪论 1 1 芳纶1 3 1 3 纤维的简介 芳纶1 3 1 3 纤维，全称为聚间苯二甲酰间苯二胺纤维( p o l y ( m p h e n y l e n e i s o p h t h a l a m i d e ) ，简称p m i a 或者m p d i ) 【l 】，美国杜邦公司商品名为n o m e x ，日本帝人 公司为c o n e x ，俄罗斯为f e n e l o n ，我国称为芳纶1 3 1 3 2 - 5 j ，其化学结构见图1 1 ，是由酰胺 基团相互连接间位苯基所构成的线性大分子，间位连接的共价键之间没有共轭效应，内 旋转位能相对较低，大分子呈现柔性结构，其弹性模量的数量级和其它柔性大分子处于 相同水平。它以两种形态存在：一种呈长纤维状，称短切纤维；另一种呈纤维浆粕状， 称沉析纤维 6 - 9 。 嗍 嘲 ) 腻) ) o ：t o ； t ： ：k 图1 一l 芳纶1 3 1 3 纤维分子结构式图1 - 2p m i a 的结晶结构 f i gl - lp m i as t r u c t u r a lf o r m u l a f i gl - 2p m i a s t r u c t u r a lc r y s t a l 芳纶1 3 1 3 纤维的结晶结构为三斜晶系，如图1 2 所衣，o 】。亚苯基环的两面角从酰胺 平面测量为3 0 。【j ，这是分子内相互作用力下最稳定的结构。晶胞参数为：a = 0 5 2 7 n m ， b = 0 5 2 5 n m ，c = 1 1 3 n m ( 纤维轴向) ，a = 1 1 1 5 。，卢= 1 1 1 4 。，y = 8 8 0 。，其微细 结构也为较明显的原纤结构。单位晶胞结构中聚合链的个数z = 1 ，由结晶结构计算的结 晶密度为p = 1 4 7 9 c n l 3 。芳纶纤维的衍射峰20 在1 1 。，1 8 。，2 4 。和2 8 。，其不同2 0 角处衍射峰的强度可以用来比较不同纤维的结晶度差异性，0 n h ( n h 键与纤维轴向 形成的角度) 为7 5 0 - - 8 0 0 。它的晶体里的氢键作用强烈，导致使其化学结构稳定，赋予芳 纶1 31 3 纤维优越的耐热性、阻燃性和耐化学腐蚀性。 芳纶1 3 1 3 纤维性能中突出特点是耐热性好，阻燃和耐磨蚀性【钔。它在2 6 0 c 温度连续 使用1 0 0 0h 后，其强度仍能保持原强度的6 5 ；在3 0 0 高温下，使用7 d ，仍能保持原强 度的5 0 ；它的零强度约为5 0 0 ；它在火焰中不燃，离开火焰后具有自燃性0 3 1 。它能耐 大多数酸的作用，只有长时间的与盐酸，硝酸或硫酸接触，强度才有所降低。对碱的稳 定性亦好，只是不能与氢氧化钠等强碱长期接触。此外，它对漂白剂、还原剂、有机溶 剂等得稳定性也很好。它还具有良好的抗辐射性能，在5 0 k v 的x 射线的照射下，历经 2 5 0 h ，其强度仍能保持原强度的4 9 t , 4 j 。芳纶13 13 纤维缺点是横向强度及压缩性能较差。 这是因为其分子结构和生产工艺的特点导致宏观纵向与横向上物理力学、光学、声学性 能上的差异。在受到横向剪切作用时会使性能大幅度下降，甚至发生破坏；而且日光稳 定性较差。 1 1 1 芳纶1 3 1 3 短切纤维结构及性能 芳纶1 3 1 3 短切纤维是由芳纶1 3 1 3 经干纺、湿纺或干喷湿纺等成形方法制得的长丝 纤维按一定长度规格裁剪而成的 1 5 1 ，每根都具有相同形状和近似尺寸( 如图1 3 所示) 。 芳纶1 3 1 3 短切纤维具有优良的性能，其中突出特点是耐热性好，尺寸稳定性和耐腐蚀性 强d 6 i ) 。 图1 - 3 芳纶短切纤维多媒体显微镜图 f i g1 - 3m i c r o s c o p yp h o t oo f a r a m i df l o e a 耐热性 图1 - 4 芳纶沉析纤维多媒体显微镜图 f i g1 - 4m i c r o s c o p yp h o t oo f a r a m i df i b r i d 芳纶1 3 1 3 的玻璃化转变温度( t g ) 大约为2 8 0 ，3 7 5 * ( 2 开始伴随着热降解，具有 很不明确的熔点，热分解温度高达4 0 0 - - 一4 3 0 ，无论是在氮气或空气氛围中，4 0 0 c 时 纤维失重小于1 0 ，在4 2 7 以上时开始快速分解【l 刀。在火焰中不发生熔滴，而且如果 在熔滴的化学纤维中混纺少量芳纶1 31 3 纤维就能够防止熔滴的发生。在1 0 0 - - 2 0 0 之 间长期使用不会熔融，在2 0 0 以下，工作时间长达2 0 0 0 0 h ，强度仍能保持原来的9 0 ； 2 6 0 c 的热空气中可以连续工作1 0 0 0 h ，而强度维持原来的6 5 - - 7 0 ，耐热性明显优于常 规的合成纤维如涤纶等；在3 0 0 。c 高温下使用一周，仍能保持原强度的5 0 。当加热到 大约4 0 0 以上时，纤维劣化直至炭化分解，高温分解产生的气体主要是c o 、c 0 2 ，并 通过形成坚韧的焦炭层，提供连贯的热防护层以支撑表面，借此维持其保护特性。焦炭 的形成确保纤维有低可燃性，极限氧指数l o i 值为2 8 3 1 。 b 尺寸稳定性 芳纶1 3 1 3 短切纤维在2 5 0 时热收缩率仅为1 ，在3 0 0 以下为5 6 ，表现出 高温下高度的稳定性。 c 耐化学试剂 2 芳纶1 3 1 3 短切纤维能耐大多数酸，长期浸渍在盐酸、硝酸和硫酸中强度仅略有下降； 耐碱性尚好，但长期浸渍在n a o h 中强度下降；耐多数漂白剂及溶剂，在次氯酸钠中强 度略有损失；对氧化物稳定，在2 5 0 的腐蚀气体作用下，强度仍能保持常温时的6 0 0 8 1 ； 在酸的露点以上温度具有抗氧化物作用，但在露点以下，由于浓硫酸聚集在纤维上，强 度往往下降。 d 不易染色，难以熔融纺丝，对目光稳定性较差。 当短切纤维用于抄纸时，将以纵横交错紊乱的形式散布于纸页中，主要在纸页中起 着增强作用，使纸页具有较高机械强度和抗撕性能，但短切纤维的长度和细度对造纸工 艺的性能有很大影响1 1 5 1 。纤维过长，不易均匀分散在水中，制浆造纸时容易絮聚，纸的 匀度下降并最终导致纸页强度也随之降低；纤维过短同样也不能提供给纸页较高的机械 强度和抗撕性能。纤维的细度要在一定范围之内才能使短切纤维具有较大柔软性和可悬 浮能力，使其在纸页成形过程中能形成浆料悬浮液从而满足纸页抄造条件。 当纸页抗张强度达到最大值时，纤维长度和细度之比大约为4 6 5 0 9 2 0 1 ，本试验使用短 切纤维的细度为1 5 d ( d ，即旦：是纺织领域里纤维细度的一个计量单位，它指的是1 克重长度达9 0 0 0 米的丝，其细度为1 旦【】) 。因此可以通过计算得出纤维长度大约为6 m m 时能使纸页获得较佳的抗张强度。 i t 1 1 2 芳纶1 3 1 3 沉析纤维结构及性能 ” 芳纶1 3 1 3 沉析纤维是芳纶1 3 1 3 经沉析机沉析而成的，是芳纶1 3 1 3 短切纤维的差别化 品种，制备方法主要有两种：一种是通过搅拌界面聚合生成的悬浮液制备，一种是将聚 合物的溶液加入到特殊设计的沉降器内，通过剪切力的作用制备1 2 1 1 。由于其化学结构与 芳纶短切纤维相同，因此它保留了芳纶短切纤维的绝大部分的优异性能，如：耐热性、 耐磨性、尺寸稳定等性能，但由于其成型工艺独特性又使其具有一些区别于芳纶短切纤 维的物理性能。 a 密度为1 4 1 1 4 2 ，比芳纶短切纤维略小，表面呈毛绒状微纤丛生( 如图1 4 所示) ，粗糙如木材浆粕，纤维轴向尾端原纤化成针尖状【2 l z z 】，这使得其比表面积巨大， 达到1 0 - 6 0 m 2 g ，是植物纤维的十倍以上。沉析纤维的长度和直径呈一定的分布，双重 平均长度介于0 6 4 4 - - 0 8 6 9 m m ，长宽比约5 0 - - - 1 0 0 0 t 8 1 ，表面氨基含量也是植物纤维的十 倍以上，从而使其与酰胺类的复合树脂有很好的亲和性，也能在浆粕的界面与某些树脂 形成氢键，可以增强复合效果。 b 在水中具有良好的分散能力，使纤维能够悬浮成浆，打浆度约为4 0 - - 8 0 0 s r t ：3 t 2 4 1 。 因而既可单独成纸，赋予纸页一定的机械性能，也可与短切纤维配制形成良好的浆料悬 浮液，在纸机上形成优质的芳纶纸； 3 c 与短切纤维混合打成纸浆，用普通造纸方法抄纸，得到强度高、耐高温的工业用 纸，用在电气绝缘材料上是高级的h 级绝缘纸。 d 一定温度时能在保持纤维原有形态的前提下具有一定的黏流性1 2 s l 。将由短切纤维 与沉析纤维配抄的芳纶纸在该温度下热压，表面会发生一定程度的黏熔而使纸页受热定 型，从而使纸页产生较高的强度性能。 1 2 芳纶1 3 1 3 纤维纸的简介 芳纶纸又称聚芳酰胺纤维纸( 以下简称芳纶纸) ，英文名a r a m i df i b e rp a p e r ，它是指 用芳纶纤维按照造纸技术抄造成纸，再经热压成型制得的纸基材料。首先由美国杜邦公 司研制成功，主要有两个系列产品，以芳纶1 3 1 3 为主要原料的n o m e x 系列和以芳纶 1 4 1 4 为主要原料的k e v l a r 系列洲。由芳纶1 3 1 3 纤维生产的芳纶绝缘纸作为芳纶1 3 1 3 纤维的后加工产品，具有良好的机械性能和绝缘性能，是一种高附加值的特种纤维纸， 广泛应用于高温过滤材料、高温防护服、电气绝缘和蜂窝结构材料等领域，是目前世界 上发展最快的耐高温绝缘材料。 ， 1 2 1 芳纶纸的性能 由于芳纶纤维具有优良的物理性能和化学性能，这同样也赋予了芳纶纸页的优良性 能【1 5 】。表1 1 、1 - 2 给出了n o m e x 纸和纸板的性能指标。 a 热稳定性 芳纶纸具有良好的热稳定性。它可在2 2 0 c 下使用1 0 年以上【2 7 1 ，其使用寿命高于所 有工业有机耐高温纤维。在2 4 0 c 下保持1 0 0 0 h ，机械强度仍保持原来的6 5 ，在3 7 0 c 以上才分解出少量气体，如c 0 2 、c o 、n 2 等。 b 阻燃性能 芳纶纸的l o i 值为2 8 , - - , 3 2 t 2 s 3 ，是一种阻燃纤维，具有自熄性，高温不自燃( 仅表面 碳化) ，从而使这种纤维纸不燃烧，不产生熔滴，并形成绝热保护层，具有良好的防护性。 c 机械性能 芳纶纸的纤维分子是一种柔性高分子 2 9 1 ，从而使纤维具有很高的强度，用其抄造的 纸页也有着很高的机械强度。 d 电绝缘性， 芳纶纸具有优良的电绝缘性能，其耐击穿电压可达到2 0 k v m m t 3 0 1 。由于芳纶纸的热 稳定性好，其在高温下仍保持良好的电气性能。 e 化学稳定性 芳纶纸中的芳纶纤维是由酰胺键t a l l 互相连接的芳基所构成的线型大分子。在它的晶 4 芳纶纤维事髓胡械f 描成纸胜蒯生研究 体中，氢键在两个平面内排列成三维结构。由于较强的氢键作用，使之结构稳定，具有 优良的耐热化学性，能耐大多数高浓的无机酸，对其它无机化学试剂、有机溶剂也十分 稳定。 f 耐辐射性 芳纶纸耐1 3 、a 和x 射线的辐射性能十分优异。例如在5 0 k v 的x 射线辐射1 0 0 h ， 它的强度保持原来的7 3 t 3 n ，而此时的涤纶和锦纶产品已经变成粉末，出色的抗辐射性 使它的应用领域十分广泛。 表1 1n o m e x 纸和纸板一一典型的机械性能川 t a b1 1m e c h a n i s mc a p a b i l i t yo fn o m e x 厚 3 0 0 c 时热导率 抗张强度抗张指数伸长率初始撕裂单片撕裂极限氧指 型号度密度g c m 3 收缩率w ( m k ) k n m - 1 n m z肠度n度n数觞 mm(423k) 纵横纵横纵横纵横纵横2 52 2 0 纵向横向 向向向向向向向向向向 t 4 l oo 2 50 9 6 t 4 1 00 7 61 1 0 t 4 l l 0 2 5o 3 l t 4 1 4o 2 50 9 5 t 4 1 80 2 51 1 5 2 8 5 8 4 1 3 5 2 2 9 1 1 1 1 5 21 1 4 0 06 0 8 01 91 57 l4 26 ol o 80 40 12 02 4 5 9 51 1 0 7 07 8 3 01 71 32 5 12 0 0 一一 o 2o3 22 5 2 o1 4 0 08 0 03 45 21 381 92 5 一一 2 92 2 1 1 99 1 6 04 7 6 01 31 67 33 8 一一 1 50 43 02 4 7 84 4 4 03 1 2 03 83 83 42 44 96 30 1o6 3：5 2 0 1 2 8 o 1 7 8 0 1 0 3 0 0 9 2 表1 - 2n o m e x 纸和纸板一一典型的电性能【4 】 t a b1 2d i e l e c t r i cc a p a b i l i t yo fn o m e x 5 1 2 2 芳纶纸的应用 通过湿法成形并热压，用芳纶1 3 1 3 纤维的短切纤维和沉析纤维生产的纯间位芳纶绝 缘纸，具有优异的机械性能和耐高温绝缘性能，是一种高附加值的特种纤维绝缘纸和结 构材料纸，也是全球公认的最佳绝缘材料。 a 在绝缘材料领域的应用 间位芳纶能加工成各种绝缘材料( 主要是绝缘纸和层压板) ，用于电机中线圈绕组、 槽间、相间、匝间、线路终端绝缘；变压器中线圈、绕组层间绝缘；电缆和导线绝缘、 核动力设备等的绝缘。芳纶绝缘纸的耐高温绝缘等级为c 级( 2 2 0 c ) ，用其制成的机电 产品可以达到f 级( 1 5 0 ) 、h 级( 1 8 0 c ) ，大大提高了机电产品承受过热和超负荷的 能力，并使之紧凑耐用，尺寸和重量减小，适合在高温高湿的恶劣环境中使用，是典型 的环保型机电产品升级换代的革命性材料。如在矿山井下，传统的e 级电机只能用2 - - - 3 个月，而f h 级电机可用3 年以上；在相同功率下，f 级电机比e 级电机节约1 0 的铜 材和1 7 的硅钢，单位重量降低1 5 倍以上，提高运行温度至2 2 0 c t 3 3 潮1 。 b 在国防航天领域的应用 高性能芳纶1 3 1 3 纤维纸基复合材料由于具有突出的强度质量比和刚性质量比 ( 约为钢材的9 倍) ，质量轻、耐冲击，是目前国内外飞机及雷达罩夹层结构使用最多的 理想夹芯材料，可大量应用在航空航天、船舶、电子等领域内雷达罩、次受力结构部件 ( 机翼、整流罩、阻尼板、机身壁板、飞机的门、地板、货舱和隔墙等) 、绝缘隔热等零 部件。可大幅度提高飞机构件刚度，减轻质量，并可满足透波性能、提高隐身能力等特 种功能要求1 3 5 1 。据报道，美国一架航天飞机上使用的复合材料达1 8 0 0 公斤。对航天飞机 来说，每减轻l 公斤重量，可使发射费用降低1 5 0 0 0 美元。可见，高性能芳纶纸材料对 航空航天工业的发展，无论从国防、技术或经济效益考虑，其意义都是非常重大的。 c 芳纶纸的其它用途 另外，芳纶纸还有其它广泛的用途，主要归纳如下：作为汽车中发动机的隔热材料， 火花塞、耐高温软管等的热防护材料及辐射软管阻燃材料；可作为隔热阻燃材料用于一 些公共设施中，如影剧院、宾馆的背景幕、墙纸、聚光灯隔热材料、装饰材料等；用于 日用产品中，如羊皮纸的灯罩、扬声器震膜、声音感应线圈绝缘材料、可折叠烹饪锅等； 可用于高温、腐蚀等特殊环境的过滤材料1 2 3 1 。 1 3 热分析简介及其在高分子材料中的应用 热分析( t h e r m a la n a l y s i s ，t a ) 是指用热力学参数或物理参数随温度变化的关系进 行分析的方法。国际热分析协会( i n t e r n a t i o n a lc o n f e d e r a t i o nf o rt h e r m a la n a l y s i s ，i c t a ) 于1 9 7 7 年将热分析定义为：“热分析是测量在程控温度下，物质的物理性能与温度依赖关 6 系的一类技术p 6 】。 常用的热分析方法主要有：热重分析、差热分析、示差扫描量热法、 静态热力学分析以及动态热力学分析等。热分析技术主要用于研究物质的物理变化( 晶型 转变、相态变化和吸附等) 和化学变化( 脱水、分解、氧化和还原等) ，通过这些变化的研 究可对材料作出鉴别、分析和选择。热分析的方法很多，常用的主要有差热分析法( d t a ) ， 差示扫描量热法( d s c ) 、热重法( 1 g ) 和动态热机械法( d m a ) 等附钉。热分析技术在芳纶 纤维中的应用，可以提供玻璃化转变温度、熔点、氧化诱导期、热稳定性、热裂解温度、 组分分析等性能参数，这对以后研究芳纶纤维结构与性能之间关系起到重要的作用。 1 3 i 热失重 热重分析( t h e r m o g r a v i m e t r y ，简称t o ) 是在程序控制温度下测量试样的质量对温度依 赖关系的一种技术。随着高分子材料与工程的发展，人们广泛应用热重法来研究高分子 材料的热稳定性，如添加剂对热稳定性的影响，高分子材料含湿量和添加剂含量的测定， 反应动力学的研究，共聚物、共混物体系的定量分析，聚合物和共聚物的热裂解以及热 老化的研究，等等。 1 3 2 差热分析和差示扫描量热法 差热分析( d i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i s ，简称d t a ) 指在相同的程控温度变化下，测 量样品与参比物之间的温差( t = t s t r ) 随温度( t ) 变化的关系。差示扫描量热法 ( d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e r y ，简称d s c ) 是使试样和参比物在程序升温或降温的相同 环境中，用补偿测量使两者的温度差为零所必须的热量对温度( 或时间) 的依赖关系。d s c 的优点是热量定量方便，分辨率高，灵敏度好，但d s c 的缺点是使用温度低，在需要高 温的矿物、冶金等领域还只能用d t a 。 d t a ，d s c 在高分子材料方面的应用特别广泛。主要用于研究聚合物的相转变，测 定结晶度，测试熔点t m ，等温结晶动力学参数，玻璃化转变温度t g 以及研究聚合、固化、 交联、氧化、分解等反应，并测定反应温度或反应温度区、反应热及一系列反应动力学 参数。 1 3 3 动态热机械分析 动态热机械分析( d y n a m i cm e c h a n i c a la n a l y s i s ，简称d m a ) 是测定材料在交变应力( 或应 变) 作用下，应变( 或应力) 响应随温度或频率变化的技术。它通过高聚物材料的结构、分 子运动的状态来表征材料的特性。d m a 能同时提供高聚物材料的弹性性能与粘性性能； 提供材料因物理与化学变化所引起的粘弹性变化及热膨胀性质；直接提供材料在所关心 频率范围内的阻尼特性。 7 d m a 可以较精确地确定不同温度下材料的模量( 复合模量、损耗模量及储能