Pipd紙及由其製造的組件的製作方法

2023-05-30 13:35:16

專利名稱：：Pipd紙及由其製造的組件的製作方法
技術領域：
：本發明涉及包含聚吡啶並雙咪唑纖維和粘合劑物質的紙及由這種紙製造的結構組件。
背景技術：
：現在已用芳族聚醯胺纖維製造高性能紙。參見例如美國專利2,999,788、3,756,908和4,472,241。一些芳族聚醯胺紙用樹脂浸漬。參見例如美國專利4,698,267、4,729,921、5,223,094和5,314,742。在外層之間作為結構芯的纖維製品一般碎皮稱為"夾層板"。一種常用的夾層板為在輕重量箱結構中使用的瓦楞板。另一種芯結構為蜂窩芯。蜂窩芯具有由相互線性粘合到一起的胞壁分隔的多個空心、柱狀蜂窩胞。在一些芯結構中使用芳族聚醯胺纖維，以給予所述結構阻燃性、挺度、強度和韌度。參見例如美國專利5,137，768和6,544,622。但仍然需要具有改善性能的結構組件用紙。發明概述在一些實施方案中，本發明涉及一種用作結構組件的紙，所述紙包含20至100%重量聚吡啶並雙咪唑纖維和任選的粘合劑物質，其中所述紙具有(i)0.08至1.5克/立方釐米的密度，和(ii)IO至150克/平方米的基重，並且在用至少15%重量酚醛樹脂浸漬時，所述紙具有至少100(N/cm)/(g/m"的比抗張挺度，其中所述％重量基於紙和樹脂的總重量。在某些實施方案中，粘合劑物質為酚醛樹脂。其他樹脂和沉析纖維、來自不同於聚吡啶並雙咪唑聚合物的其他物質的紙漿、熱塑性絮凝物和熱塑性粉末可用作這種紙的粘合劑物質。—種優選的聚吡啶並雙咪唑纖維為PIPD。在一些實施方案中，紙具有70至90。/o重量PIPD纖維。—些紙在用酚醛樹脂浸漬後具有110-150(N/cm)/(g/m"的比抗張挺度。—些紙具有l-20秒的GurleyHill透氣度。其他紙具有5-12秒的GurleyHill透氣度。某些紙具有0.6-1.2克/立方釐米的密度。一些紙具有15至65克/平方米的基重。—些紙還包含至少一種導電填料、抗氧化劑、顏料和催化劑。在一些實施方案中，PIPD纖維為絮凝物的形式。在其他實施方案中，PIPD纖維為紙漿的形式。在其他實施方案中，PIPD纖維為PIPD絮凝物和PIPD紙漿的共混物。本發明還提供包含本文所述紙的結構芯。一些芯結構為蜂窩芯結構。本發明還涉及摺疊紙芯、印刷電路板或包含本文所述紙的夾層板。其他實施方案涉及一種製造紙的方法，所述方法包括形成聚吡啶並雙咪唑纖維的漿料，並在一個或多個步驟中除去至少一部分水，以形成紙；其中所述紙具有(i)0.08至1.5克/立方釐米的密度；(ii)10至150克/平方米的基重；和(iii)在用酚醛樹脂浸漬後至少100(N/cm)/(g/m2)的比抗張挺度。在一些實施方案中，通過從漿料除去一部分水以形成溼紙，然後將溼紙乾燥來製造紙。在一些實施方案中，製造紙的方法包括在環境溫度或升高溫度壓光形成的紙片。發明詳述在一些實施方案中，本發明涉及一種用作結構組件的紙，所述紙包含20至100%重量聚吡啶並雙咪唑纖維和任選的粘合劑物質，其中所述紙具有(i)0.08至1.5克/立方釐米的密度，和(ii)10至150克/平方米的基重，並且在用至少15%重量酚醛樹脂浸漬時，所述紙具有至少100(N/cm)/(g/m勺的比抗張挺度，其中所述％重量基於紙和樹脂的總重量。在一些實施方案中，紙包含30至97%重量聚吡啶並雙咪唑纖維。按照本發明意圖，"紙，，為可在造紙機上生產的平紙片，如長網造紙機(Fourdrenier)或斜網紙機。在優選的實施方案中，這些紙片一般為包含無規取向短纖維網的薄纖維片，所述短纖維由水懸浮體鋪設，並通過其自身的化學作用、摩擦、纏結、粘合劑或其組合結合在一起。本發明的絮凝物是指短段纖維，比切段纖維要短。絮凝物的長度為約0.5至約15mm，直徑為4至50微米，優選長度為1至12mm,直徑為8至40微米。小於約lmm的絮凝物不能顯著增加其中使用此絮凝物的材料的強度。大於約15mm的絮凝物或纖維通常不能充分發揮作用，因為單獨的纖維可能纏結，並且不能充分均勻地遍布材料或漿料分布。絮凝物一般通過用常規纖維切割設備將連續初生絲或絲束切割成特定長度的碎毛來製備。這種切割一般沒有顯著或任何纖維纖絲化。沉析纖維為可在紙中用作粘合劑的非粒狀、纖維或薄膜狀顆粒。它們優選具有高於320。C的熔點或分解點。沉析纖維不是纖維，但它們的纖維性在於它們具有由網連接的纖維狀區域。沉析纖維具有0.2-lmm的平均長度和5:1至10:1的最大尺寸與最小尺寸之比。沉析纖維網的厚度尺寸小於1或2微米，並且一般大約幾分之一微米。沉析纖維可在乾燥前溼用，並且可沉積為粘合劑物理纏繞在產物的其他成分或組分周圍。沉析纖維可由任何方法製備，所迷方法包括使用美國專利3,018,091所述類型的沉析纖維化設備，其中在一個單一步驟中將聚合物溶液沉澱和剪切。本發明利用聚吡啶並雙咪唑纖維。這種纖維由高強度的剛棒聚合物製成。這種纖維的聚吡啶並雙咪唑聚合物具有至少20dl/g或至少25dl/g或至少28dl/g的比濃對數粘度。此纖維包括PIPD纖維(也被稱為M5⑧纖維，由聚[2,6-二咪唑並[4,5-b:4，5-e]吡啶亞基-l,4(2,5-二羥基)亞苯基]製成)。PIPD纖維基於以下結構formulaseeoriginaldocumentpage7聚吡啶並雙咪唑纖維與熟知的市售PBI纖維或聚苯並咪峻纖維的區別在於聚苯並咪唑纖維為聚聯苯並咪唑(polybibenzimidazole)。聚聯苯並咪唑纖維不是剛棒聚合物，並且與聚吡啶並雙咪唑比較，具有低纖維強度和低拉伸模量。已報告PIPD纖維能夠具有約310GPa(2100克/旦尼爾)的平均模量和最多約5.8GPa(39.6克/旦尼爾)的平均韌度。這些纖維已由Brew等人，Co附pos7'toiSc/ewceam/!Tec/wo/ogv1999，59,1109;VanderJagt和Beukers，屍o(y證1999，40，1035;Sikkema，屍o/拜erl998，39,5981;Klop和Lammers,Po(ywe乙1998,39，5987;Hageman等人，屍o/y附er1999，40，1313描述。製備剛棒聚吡啶並咪唑聚合物的一種方法詳細公開於授予Sikkema等人的美國專利5,674,969。聚吡啶並咪唑聚合物可通過乾燥成分的混合物與多磷酸(PPA)溶液的反應製得。乾燥成分可包含生成吡啶並雙咪唑的單體和金屬4分末。用於製備本發明纖維結構所用剛'棒纖維的聚吡啶並雙咪唑聚合物應具有至少25個且優選至少100個重複單元。按照本發明意圖，聚吡啶並咪唑聚合物的相對分子量適合由以下方法表徵，用適合溶劑(如甲磺酸)將聚合物產物稀釋到0.05g/dl聚合物濃度，並且在30°C測定一個或多個稀溶液粘度值。本發明的聚吡啶並咪唑聚合物的分子量發展適合由一個或多個稀溶液粘度測定監測並且與其相關。因此，相對粘度("Vrd"或"H"或"nrei")和比濃對數粘度("Vinh"或"TWh"或"Ilinh")的稀溶液測定一般用於監測聚合物分子量。稀聚合物溶液的相對粘度和比濃對數粘度根據以下表達式關聯vinh=/"(vrel)/c,其中為自然對數函數，C為聚合物溶液的濃度。Vw為聚合物溶液粘度與無聚合物的溶劑的粘度的無單位比值，因此，Vinh用濃度倒數的單位表示，一般被表示為分升/克("dl/g")。因此，在本發明的某些方面，所製備聚吡啶並咪唑聚合物的特徵為提供一種聚合物溶液，該溶液在曱磺酸中在0.05g/dl的聚合物濃度在30°C具有至少約20dl/g的比濃對數粘度。由於由本發明得到的較高分子量聚合物得到粘性聚合物溶液，因此，在甲磺酸中約0.05g/dl聚合物的濃度用於以合理時間量測定比濃對數粘度。本發明所用的生成p比啶並雙咪唑的示例單體包括2,3,5,6-四氨基吡啶和各種酸，包括對苯二甲酸、雙-(4-苯曱酸)、氧基-雙-(4-苯曱酸)、2,5-二羥基對苯二甲酸、間苯二甲酸、2,5-吡啶二甲酸、2,6-萘二曱酸、2,6-查啉二甲酸或其任何組合。生成吡咬並雙咪唑的單體優選包括2,3,5,6-四氨基吡啶和2,5-二羥基對苯二甲酸。在某些實施方案中，優選生成吡啶並咪唑的單體經過磷酸化。磷酸化的生成吡啶並咪唑的單體優選在多磷酸和金屬催化劑存在下聚合。可用金屬粉末幫助建立最終聚合物的分子量。金屬粉末一般包括鐵粉、錫粉、釩粉、鉻4分及其任何組合。可使生成吡啶並雙^^唑的單體和金屬粉末混合，然後使混合物與多磷酸反應，以形成聚吡啶並咪唑聚合物溶液。如果需要，可將另外的多磷酸加入到聚合物溶液。通常將聚合物溶液通過模具或噴絲頭擠出或紡絲以製備或紡成長絲。PIPD紙漿對水具有高親合力，這意味著紙漿具有高水分含量。相信這有助於消除靜電作用，靜電作用會導致成團和缺陷，這些缺陷通常與不在同等程度吸水且受靜電問題困擾的其他高性能紙漿相關。此外，PIPD紙漿和PIPD絮凝物均具有不尋常的自粘合性質，即，只由所述紙漿或只由所述絮凝物形成的紙比現有技術由高性能纖維製成的紙具有意外的更高強度。雖然不想受理論限制，但相信這種較高強度是由於在紙漿和絮凝物的片表面之間存在氫鍵。製備PIPD紙漿可卩吏用本領域技術人員熟悉的常規紙漿製備方法。例如，參見HandbookforPulp&PaperTechnologists(紙與紙漿技術手冊)，Smook，GaryA.;Kocurek，M丄；TechnicalAssociationofthePulpandPaperIndustry;CanadianPulpandPaperAssociation,和授予Haines等人的美國專利5,171,402及5,084,136。除了PIPD纖維外，本發明的紙組合物還包^St自溶液、乳液、懸浮體、粉末、薄片和纖維形式的熱固性和熱塑性樹脂、沉析纖維和來自PIPD以外的其他聚合物的紙漿的粘合劑物質。可在造紙過程中或以後將粘合劑物質引入紙組合物。因此，可在造紙過程完成後用樹脂溶液、乳液、懸浮體或粉末浸漬已形成的壓光紙。在優選的實施方案中，酚醛樹脂、環氧樹脂或其他樹脂容易浸入本發明的紙。受樹脂浸漬能力的一種量度由GurleyHill透氣度測量的紙透氣度表示，這種透氣度測量一定體積空氣通過紙有多快。相信具有1-20秒GurleyHill透氣度的本發明的紙很容易由樹脂浸漬。在其他實施方案中，具有5-12秒GurleyHill透氣度的本發明的紙尤其優選。同樣，本發明的紙具有0.08-1.5克/立方釐米的密度，在一些實施方案中具有0.6-1.2克/立方釐米的密度。PIPD紙漿的紙例如由以下方法製造，所述方法包括以下步驟(a)製備PIPD紙漿的含水分散體；(b)在造紙模腔中稀釋含水分散體；(c)從含水分散體排水，以便得到溼紙；(d)使得到的紙脫水並乾燥；並且(e)對紙進行調理，以用於物理性能測試。本文所述的紙用於結構複合材料。這種紙結構的構造為本領域的技術人員所熟悉。利用本文所述紙的結構包括蜂窩芯結構、摺疊紙芯、印刷電路板和夾層板。為了用於結構複合材料，本發明的紙可另外用不同的樹脂浸漬。如果在造紙步驟或在造紙步驟之後一些樹脂已經作為粘合劑用於紙結構，則另外的樹脂可以與第一種樹脂相同，或者不同但是相容。試驗方法在以下非限制實施例中，用以下試驗方法確定不同的報告性質和性能。ASTM指美國材料試驗學會。TAPPI指紙漿與造紙工業技術協會。紙的厚度和基重相應根據ASTMD645和ASTMD646測量。厚度測量值用於紙表觀密度的計算。紙的密度(表觀密度)根據ASTMD202測定。本發明的紙和複合材料的抗張強度和模量根據ASTMD828在Instron類型試驗機上測定，使用試樣為2.54cm寬，18cm標距長度。紙漿的加拿大標準游離度(CSF)為可排出紙漿的稀釋懸浮體的速率的量度，根據TAPPITestMethodT227測定。纖維長度根據TAPPITestMethodT271用OpTestEquipmentInc.製造的FiberQualityAnalyzer(纖維質量分析儀)測量。紙的Gurley空氣透氣度(阻力)根據TAPPIT460,利用1.22kPa壓差，對約6.4平方釐米圓形紙面積測量由秒/100毫升汽缸排量表示的空氣阻力進行測定。本發明的紙的抗張挺度根據ASTMD828在Instron類型試驗機上測定，使用試樣為2.54cm寬，18cm標距長度。比抗張挺度由紙的抗張挺度除以基重計算數學定量。實施例實施例1-3說明含紙漿形式PIPD纖維的紙的製備和性能。其組成包含PIPD紙漿的所有紙的抗張強度滿足以下邊界公式抗張強度>或=0.00057X*Y,其中X為紙全部固體中PIPD紙漿的體積部分(0/。)，Y為紙的基重(g/m2)。基於PIPD紙漿紙的高強度在造紙和紙進一步處理為最終應用帶來顯著優點(可達到較輕基重和/或使用更簡單和更廉價設備)。在造紙步驟仍然可使用其他粘合劑，如實施例3所示，其中聚間芳醯胺沉析纖維作為這種粘合劑。然而，在基於PIPD纖維的紙的情況下，這是任選而不是絕對必要的。實施例4-6說明基於實施例l-3形成的紙的壓光紙的製備。對於很多複合應用，需要高密度紙，而壓光是達到這種密度的一種方法。實施例7-9說明(具有相對較少樹脂含量)的樹脂浸漬紙，這種紙基於PIPD紙漿及其具有聚對芳醯胺絮凝物的組合物。在比較實施例A中描述了基於聚對芳醯胺絮凝物和聚間芳醯胺沉析纖維的市售組合物的樹脂浸漬紙。可以看到，在近似相同樹脂含量，基於PIPD紙漿的紙提供相同或更高挺度和更高強度。比較實施例A顯示，在此情形在紙組合物中甚至比實施例9更高的聚對芳醯胺絮凝物含量，樹脂浸漬紙片的挺度和強度仍然比實施例9的紙低。實施例1將3.2g(乾燥重量)具有約200mlCSF的PIPD紙漿與300ml水放入Waring混合器中，並攪拌1分鐘。將分散體倒入約21x21cm手抄紙模具中，並與另外5000g水混合。形成溼鋪紙片。將紙片放在兩片吸墨紙之間，用擀棒以手對黃壓，並在190。C手抄紙乾燥器中乾燥。最終紙的組成和性質顯示於表l中。實施例2將1.6g(乾燥重量)具有約300mlCSF的PIPD紙漿與800ml水放入Waring混合器中，並攪拌1分鐘。將1.6g聚對芳醯胺絮凝物與約2500g水放入試驗室紙漿離解機中，並攪拌3分鐘。聚對芳醯胺絮凝物為具有約0.16特克斯線密度和約0.67cm切段長度的聚(對苯二曱醯對苯二胺)絮凝物(由E.I.dePontdeNemoursandCompany以商標KEVLAR⑧49售出)。將兩種分散體一起倒入約21x21cm手抄紙模具中，並與另外5000g水混合。形成溼鋪紙片。將紙片放在兩片吸墨紙之間，用擀棒以手;f黃壓，並在19(TC手抄紙乾燥器中乾燥。最終紙的組成和性質顯示於表l中。實施例3將0.64g(乾燥重量)具有約300mlCSF的PIPD紙漿與800ml水放入Waring混合器中，並攪拌1分鐘。將2.24g聚對芳醯胺絮凝物和0.32g(乾燥重量)具有約40mlCSF的從未乾燥過的聚間芳醯胺沉析纖維與約2500g水放入實驗室紙漿離解機中，並攪拌3分鐘。聚對芳醯胺絮凝物為具有約0.16特克斯線密度和約0.67cm切段長度的聚(對苯二甲醯對苯二胺)絮凝物(由E.I.dePontdeNemoursandCompany以商標KEVLAR49售出)。聚間芳醯胺沉析纖維由聚(間苯二甲醯間苯二胺)製備，如美國專利3,756,908所述。將兩種分散體一起倒入約21x21cm手抄紙^t具中，並與另外5000g水混合。形成溼鋪紙片。將紙片放在兩片吸墨紙之間，用擀棒以手橫壓，並在190。C手抄紙乾燥器中乾燥。最終紙的組成和性質顯示於表l中。實施例4-6乾燥後，在約300。C溫度和約1200N/cm線壓力，在金屬-金屬壓光機的輥隙中分別壓光實施例1-3製備的紙樣品。最終紙的性質顯示於表l中。實施例7-9製備樹脂浸漬紙，製法是，用溶劑基酚醛樹脂(PLYOPHEN23900,購自DurezCorpomtion)浸漬得自實施例4-6的紙，隨後用吸墨紙從表面除去過量樹脂，並且如下通過溫度坡升在烘箱中固化從室溫加熱到82°C,在此溫度保持15分鐘，使溫度升高到121°C，在此溫度保持另外15分鐘，使溫度升高到182°C,並在此溫度保持60分鐘。最終浸漬紙的性質顯示於表2中。比較實施例A將0.64g(乾燥重量)具有約40mlCSF的聚間芳醯胺沉析纖維和2.56g聚對芳醯胺絮凝物與約2500g水放入實驗室紙漿離解機中，並攪拌3分鐘。聚間芳醯胺沉析纖維由聚(間苯二曱醯間苯二胺)製備，如美國專利3,756,908所述。聚對芳醯胺絮凝物與實施例2相同。將分散體倒入約21x21cm手抄紙模具中，並與另外5000g水混合。形成溼鋪紙片。將紙片放在兩片吸墨紙之間，用擀棒以手橫壓，並在190°C手抄紙乾燥器中乾燥。隨後，在約30(TC溫度和約1200N/cm線壓力，在金屬-金屬壓光機的輥隙中將紙壓光。並如實施例7-9所述用酚醛樹脂浸漬。最終浸漬紙的組成和性質顯示於表2中。表1-基重68g/m2的紙樣品的性質tableseeoriginaldocumentpage14表2-基於68g/n^壓光紙的樹脂浸漬複合紙片的性質tableseeoriginaldocumentpage14權利要求1.一種用作結構組件的紙，所述紙包含20至100％重量聚吡啶並雙咪唑纖維和任選的粘合劑物質，其中所述紙具有(i)0.08至1.5克/立方釐米的密度，和(ii)10至150克/平方米的基重，並且在用至少15％重量酚醛樹脂浸漬時，所述紙具有至少100(N/cm)/(g/m2)的比抗張挺度，其中所述％重量基於紙和樹脂的總重量。2.權利要求l的紙，其中所述粘合劑物質選自溶液、乳液、懸浮體、粉末、薄片和纖維形式的熱固性和熱塑性樹脂、沉析纖維和來自不同於聚吡啶並雙咪唑的聚合物的紙漿。3.權利要求1的紙，其中所述聚吡啶並雙咪唑纖維為PIPD。4.權利要求1的紙，所述紙在用酚醛樹脂浸漬後具有110-150(N/cm)/(g/m2)的比抗張挺度。5.權利要求1的紙，所述紙具有1-20秒的GurleyHill透氣度。6.權利要求5的紙，所述紙具有5-12秒的GurleyHill透氣度。7.權利要求3的紙，所述紙具有70至90%重量PIPD纖維。8.權利要求l的紙，所述紙具有0.6-1.2克/立方釐米的密度。9.權利要求1的紙，所述紙還包含至少一種導電填料、抗氧化劑、顏料和催化劑。10.權利要求l的紙，其中以絮凝物形式將PIPD纖維引入紙中。11.權利要求l的紙，其中以紙漿形式將PIPD纖維引入紙中。12.權利要求1的紙，其中作為PIPD絮凝物和PIPD紙漿的共混物將PIPD纖維引入紙中。13.—種結構芯，所述結構芯包含權利要求1的紙。14.一種蜂窩芯，所述蜂窩芯包含權利要求1的紙。15.—種摺疊紙芯，所述摺疊紙芯包含權利要求1的紙。16.—種印刷電路板，所述印刷電路板包含權利要求1的紙。17.—種夾層板，所述夾層板包含權利要求1的紙。18.—種製造紙的方法，所述方法包括形成聚吡啶並雙咪唑纖維和任選的粘合劑的漿料；並且在一個或多個步驟除去至少一部分水，以形成紙；其中所述紙具有(i)0.08至1.5克/立方釐米的密度，和(ii)10至150克/平方米的基重，並且在用至少15%重量酚醛樹脂浸漬時，所述紙具有至少100(N/cm)/(g/m"的比抗張挺度，其中所述％重量基於紙和樹脂的總重量。19.權利要求18的方法，所述方法還包括在環境溫度或升高溫度壓光形成的紙。20.權利要求18的方法，其中所述聚吡啶並雙咪唑纖維為PIPD。全文摘要本發明涉及一種用作結構組件的紙，所述紙包含20至100％重量聚吡啶並雙咪唑纖維和粘合劑物質，其中所述紙具有(i)0.08至1.5克/立方釐米的密度，和(ii)10至150克/平方米的基重，並且在用至少15％重量酚醛樹脂浸漬時，所述紙具有至少100(N/cm)/(g/m2)的比抗張挺度，其中所述％重量基於紙和樹脂的總重量。文檔編號D21H11/20GK101341292SQ200680047751公開日2009年1月7日申請日期2006年12月19日優先權日2005年12月21日發明者M·R·列維特申請人:納幕爾杜邦公司