一種碳纖維芳綸纖維合成紙及溼法抄造的製作方法
2023-06-26 16:25:31 3
專利名稱:一種碳纖維芳綸纖維合成紙及溼法抄造的製作方法
技術領域:
本發明屬於合成纖維紙領域,特別涉及一種以碳纖維和芳綸纖維為結構纖維、輔以粘接纖維製成的合成纖維紙。
本發明還涉及該種合成纖維紙的溼法製備方法。
背景技術:
近年來,合成纖維紙因具有比普通植物纖維紙的強度高、尺寸穩定、不易老化、耐化學品性等優點而得到了國內外的廣泛關注。其中,芳綸纖維紙和碳纖維紙是比較重要的兩種合成纖維紙。申請號為99114635.2的中國專利中公開了一種以聚芳醯胺合成纖維為原料製成的合成纖維紙,其具有一定的耐高溫、高強度、低變形等優點,但是其不足在於因其良好的絕緣性能,紙不導熱、不導電,耐火性差、同時抗氧化和耐疲勞性還滿足不了一些特殊用途;而申請號為94115515.3的中國專利中公開了以聚丙烯腈基碳纖維為原料的合成纖維紙,其具有導電性穩定、強度高、可曲繞、比重小等優點,但是其不足在於因含大量的植物纖維,存在有不抗水、不耐高溫、耐氧化、耐腐蝕、疲勞性差等缺點。從抄造成型角度出發,該種合成纖維紙是靠纖維間的鍵能結合而產生紙的強度,而且植物纖維的鍵能不能與碳纖維產生作用,因此紙的強度低。因此,為了能夠使合成纖維紙廣泛應用於機電、航空、航天等高技術領域,就需要一種具有綜合性能優越的合成纖維紙來代替現有技術的已有的芳綸纖維紙和碳纖維紙。而且也需要改進的抄造方法,而能獲得強度高的合成纖維紙。
本發明綜合了芳綸纖維和碳纖維各自的優勢,製備了一種將碳纖維和芳綸纖維兩種纖維抄造成一體的合成纖維紙,使其綜合性能優於現有的單一碳纖維紙和單一芳綸纖維紙。目前,這種合成纖維紙在國內外還未見報導。
發明內容
本發明的一個目的在於提供一種以碳纖維和芳綸纖維為結構纖維、以粘接纖維粘合定型製成的合成纖維紙,其具有優異的綜合性能,即優異的耐溫性能、高強度、耐疲勞性能、低變形、耐火阻燃性能、耐化學腐蝕性,併兼有導電、導熱性能優異、比重小等優點。
本發明的另一目的在於提供了該種合成纖維紙的製備方法,該製備方法能夠實現碳纖維和芳綸纖維在合成纖維紙中的二元協同效果。
按照本發明的一個方面,本發明公開一種合成纖維紙,含有結構纖維40~90重量份和粘接纖維10~60重量份,優選的是含有結構纖維40~60重量份和粘接纖維40~60重量份,其中,所述結構纖維含有5~85%(重量)的碳纖維和15~95%(重量)的芳綸纖維。
本發明使用的碳纖維,是採用高分子有機纖維原絲、原絲預氧化、預氧化絲的炭化或進一步石墨化、碳纖維的後處理等四個環節而得。在本發明中,可以使用各種市售的碳纖維,例如聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維或者粘膠基碳纖維等,所述碳纖維採用長度為1~8mm,碳纖維具有高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐高溫、抗疲勞、導熱、親電、輕質等優點,表1中列出了本發明所採用的碳纖維的性能指標。優選的碳纖維為PAN基碳纖維。
本發明使用的芳綸纖維包括聚對苯撐對苯二甲醯胺(芳綸1414)及其漿粕製品或聚間苯撐間苯二甲醯胺(芳綸1313)及其漿粕製品。聚對苯撐對苯二甲醯胺(芳綸1414)和聚間苯撐間苯二甲醯胺(芳綸1313)纖維分別是以對苯二甲醯氯、對苯二胺和間苯二甲醯氯、間苯二胺為原料,以NMP-CaCl2作溶劑,經低溫溶液縮聚和界面縮聚的方法對樹酯經溼法抽絲、乾燥、切短得到。芳綸漿粕則是將上述芳綸1414、芳綸1313兩種長絲經切斷後,在水中分散進行機械叩解和研磨,纖維被撕裂而原纖化,表面產生微纖狀毛羽,最後脫水乾燥。所述芳綸1414採用纖度為1~2d(旦)、長度為0.05~10mm的芳綸1414,所述芳綸1313採用纖度為1~2d、長度為0.05~10mm的芳綸1313,這兩種纖維分別具有高強度、高模量、質輕、耐高溫、耐疲勞、耐化學腐蝕等性能,表2中列出了本發明所採用的芳綸1414和芳綸1313的性能指標。
表1項目 指標纖度 396Tex 800Tex抗拉強度 ≥3.5Gpa
抗拉模量 220~240Gpa斷裂伸長率 ≥1.5%分解溫度 ≥540℃(真空≥2800℃)表2項目 芳綸1414 芳綸1313強度 Gpa 2.8 3.5伸長率 %2.5 20~50模量 Gpa 124 7.5~10.9分解溫度 ℃500 400~420本發明所採用的粘接纖維為聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維或聚苯硫醚纖維。其中,聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維具有較高的機械強度,本發明使用的聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維的軟化點為238~240℃、熔點為255~260℃、長度為1~6mm;聚苯硫醚纖維具有機械強度好、高韌性、耐腐蝕、阻燃等性能,本發明使用的聚苯硫醚纖維的軟化點為260℃、熔點為280℃、長度為1~6mm。本發明粘接纖維佔合成紙胚纖維總重10~65%重量,優選30~60%重量。
本發明的合成纖維紙中可進一步表塗表面施膠劑,優選的表面施膠劑為KVL樹脂,表面施膠劑作為紙的表面浸塗,對熱軋後的紙進行表面施膠,以達到紙的某些特殊效果和特殊用途,例如增加強度和改善紙的表面特性。
為了改善結構纖維與粘接纖維之間的粘接性能,本發明的合成纖維紙中還可以進一步包含偶聯劑,優選的偶聯劑為KH-5型偶聯劑。
按照本發明的另一方面,還公開了該合成纖維紙的製備方法,包括配料製漿、抄造成形、脫水、乾燥、預熱、高壓熱軋和切邊整形的步驟,在配料製漿步驟中,先將碳纖維按0.003~0.1%重量濃度在水力疏解機中疏解,製得一漿液A,然後將芳綸纖維和部分芳綸纖維漿粕以及粘接纖維混合併按0.005~0.1%重量濃度在水力疏解機中疏解,製得另一漿液B,最後將兩種漿液在配漿池中混合從而形成能夠添加至造紙網前箱的造紙紙漿。
由於碳纖維、芳綸纖維之間沒有足夠的結合力,形成的紙頁不能象植物纖維那樣完全靠纖維間的氫鍵結合使紙頁產生足夠的強度,因此合成纖維只能靠自身的熔融或藉助其它膠粘劑來增加紙的結合強度,芳綸纖維沒有明顯的熔點,必須加入一定比例熔點較低的纖維作為粘接劑,當碳纖維、芳綸纖維合成紙胚在接近粘接纖維熔點溫度時軋壓,已軟化熔融的粘接纖維在壓力下將不熔的碳纖維、芳綸纖維粘合在一起,達到定型的目的。
本發明採用聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維(聚酯纖維)或聚苯硫醚纖維作粘接纖維目的是,因聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維和聚苯硫醚纖維具有較高的機械強度,其製備方法不同,聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維和聚苯硫醚纖維種類多,可針對不同的碳纖維、芳綸纖維合成紙的使用溫度要求選用不同的聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維或聚苯硫醚纖維。利用聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維和聚苯硫醚纖維受熱熔融的特性,在其熔點下,較好地將碳纖維、芳綸纖維粘接起來,形成了碳纖維芳綸纖維合成紙的初始強度。
受熱軋後的碳纖維、芳綸纖維合成紙強度與聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維或聚苯硫醚纖維加入量有關。一般來說隨聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維或聚苯硫醚纖維加入量增加,合成纖維紙強度提高,但過高的加入量又會造成紙的某些強度指標下降,比如撕裂強度。其中聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維的過大的加入量還會造成合成紙收縮變形加劇。聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維和聚苯硫醚纖維短切絲使用方便,可根據生產的具體情況,單獨製漿或混合製漿,均可滿足工藝要求。
為使碳纖維與粘接纖維有較好的粘接強度,在所述配料製漿步驟中,在製備碳纖維漿液之前可以先用偶聯劑對碳纖維進行表面處理,所述偶聯劑為KH-5型偶聯劑。
在本發明合成纖維紙的製備方法中,因碳纖維、芳綸纖維和粘接纖維的憎水性,在水中極難分散。為了促進上述纖維在水中的分散,可在所述造紙製漿中加入1~10重量份的防絮凝劑,增加纖維在漿液中的運動阻力,延緩纖維的纏繞、絮聚,使纖維在漿液中的懸浮分散得到改進,從而達到提高合成纖維紙勻度的目的。本發明所用的防絮凝劑是聚氧化乙烯。所述防絮凝劑單獨使用,視合成纖維漿液粘度和紙的型號、規格、造紙機類型調整用量。
在本發明合成纖維紙的生產方法中,針對碳纖維芳綸纖維合成紙既要有較好的抗張強度、伸長率和緊度,又要有較高的撕裂強度和邊撕裂強度,同時要有最好的抄造勻度的特點,為了解決撕裂度和抄造勻度對纖維長度要求的矛盾,本發明以碳纖維和部分芳綸纖維(較長纖維)為紙胚骨架,參配部分芳綸漿粕(較短纖維),以較短纖維填充於較長骨架纖維之間,取長補短,纖維交織更加均勻,提高合成纖維紙胚的抄造勻度,進而達到提高紙頁強度的目的。所述的芳綸纖維漿粕是通過將芳綸纖維的長絲經切斷後,在水中分散進行機械叩解和研磨,纖維被撕裂而原纖化,表面產生微纖狀毛羽,最後脫水乾燥製得的。
在本發明合成纖維紙的製備方法中,以常規造紙工藝,採用圓網造紙機成形設備。經改良後的圓網造紙機網前箱,更加適合碳纖維芳綸纖維合成紙的抄造。所述抄造成形步驟可以採用雙園網或單園網抄造成形工藝。
所述乾燥步驟採用烘道式乾燥裝置或多烘缸式乾燥裝置,前者乾燥後的紙頁疏鬆,後者乾燥後的紙頁較緊密。烘道式乾燥裝置分多溫區,溼紙頁藉助傳送帶在烘道內運行,到達烘道的中後段,紙頁中的水分可全部排除掉,水蒸氣經抽溼風機排出,而在烘道的末段,烘道內溫度可達到粘接纖維的熔融溫度,隨後紙頁經熱軋機軋制,控制熱軋線壓力100~200kg/cm,軋輥表面溫度為130~200℃,軋速為3~30m/min,高壓熱軋的溫度視粘接纖維的類型而定,當所述粘接纖維為聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維時,在所述高壓熱軋步驟中熱軋溫度為255~260℃,而所述粘接纖維為聚苯硫醚纖維時,在所述高壓熱軋步驟中熱軋溫度為280℃左右。
如有必要,經高溫烘道後的紙頁也可收卷,供兩層或多層未熱軋的合成紙熱軋在一起,做成更高定量合成纖維紙。熱軋後的紙,根據需要可經壓光機進一步整型,使紙的密度、紙的表面特性、紙的挺度達到令人滿意的效果。
在所述高壓熱軋步驟之後,可以用1~10重量份的表面施膠劑對熱軋後的紙進行表面施膠處理,以達到紙的某些特殊效果和特殊用途,所述表面施膠劑為KVL樹脂。
本發明的合成纖維紙具有輕質、柔軟、高比強、高比模、耐高溫、耐疲勞、抗化學腐蝕、良好的導電性和導熱性、低熱膨脹係數、生物相溶性好等優異特性,可被廣泛用於機電、航空、航天等高技術領域。
本發明的製備方法將碳纖維和芳綸纖維經特殊的溼法成形,高溫熱軋定型製成紙狀材料,針對不同的粘接纖維採用不同的溫度進行熱軋定型,以獲得性能優良的合成纖維紙。工藝過程中防絮凝劑的加入使纖維能充分分散;較長的芳綸纖維及其較短的芳綸漿粕的參配,可較好地解決合成纖維紙撕裂度和抄造勻度對纖維長度要求的矛盾,提高了紙頁的強度;偶聯劑的加入增加了碳纖維與粘接纖維的粘接強度;同時預熱程序的設置使得高壓熱軋的過程更好地進行。此外,通過對得到的合成纖維紙進行表面施膠劑的處理,可改善紙的強度和表面特性。
以上是對本發明的一般性描述,下面將通過具體實施方式
對本發明的權利要求作進一步解釋。
具體實施例方式
在對實施例中抄造出的紙張性能進行檢測時,使用下列檢測方法定量 GB/T451.3-2000厚度 GB/T451.3-2000緊度 GB/T451.3-2000抗張強度 GB/T453-2000伸長率 GB/T453-2000撕裂強度 GB/T455.1-2000原料來源碳纖維為PAN基碳纖維,由蘭州中凱工貿有限責任公司生產;芳綸1414纖維由日本帝人公司生產;聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維由四川聚酯廠生產;聚間苯撐間苯二甲醯胺(芳綸1313)由廣東新會彩豔公司生產;聚苯硫醚纖維由四川華拓公司生產;KVL樹脂(耐高溫環氧樹脂)由成都晨光化工研究院生產;其他材料均為市售產品。
實施例1按下述比例配製本實施例1合成纖維紙碳纖維(2~4mm) 5重量份(以下稱「份」)
芳綸1414纖維(5~6mm) 55份聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維(5~6mm) 40份將上述含量的碳纖維按0.005%重量濃度在水力疏解機中疏解製成紙漿A,將上述含量芳綸1414纖維(含部分漿粕)和聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維按0.008%重量濃度在水力疏解機中疏解製成紙漿B,然後將漿液A和漿液B在配料池中混合均勻後,從而形成能夠添加至造紙網前箱的造紙紙漿,在穩漿箱中加入5份的聚氧化乙烯。經穩漿箱調節漿液上網壓頭,在流漿箱中漿液被均勻分布到造紙成形網(雙園網)上,多餘漿液經溢流至白水池。當漿液沿成形網運行時,藉助伏輥的作用,水從紙漿中濾出,溼紙頁離開圓網籠網面,溼紙頁在毛毯上,經真空箱到溼壓榨進一步脫去水分,進入紙機乾燥部。隨後紙頁經熱軋機一次熱軋成型,控制熱軋線壓力為150kg/cm,軋輥表面溫度為160~180℃,軋速20m/min,控制熱軋溫度255~260℃範圍內。熱軋後的紙經壓光機進一步整型,使紙的密度、紙的表面特性、紙的挺度達到令人滿意的效果。得到的結果見表3表3項目 單位測試結果定量 g/m268.1厚度 mm 0.112緊度 g/m30.608抗張強度 KN/m MD6.9伸長率 % MD 2.3撕裂強度 mN CD 1248實施例2按下述重量份配製本實施例2合成纖維紙碳纖維(2~4mm)5份芳綸1313纖維(5~6mm) 55份聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維(5~6mm)40份本實施例用芳綸1313纖維代替芳綸1414纖維,合成纖維紙的製備方法與實施例1相同,得到的結果見表4表4項目 單位 測試結果定量 g/m264.6厚度 mm0.103緊度 g/m30.627抗張強度 KN/m MD 6.1伸長率 % MD8.3撕裂強度 mN CD 9實施例3按下述重量份配製本實施例3合成纖維紙碳纖維(6~8mm)25份芳綸1414纖維(5~6mm) 35份聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維(5~6mm)40份本實施例3是在不改變聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維40份用量的情況下,將碳纖維重量增加到25份,芳綸1414纖維減少到35份,合成纖維紙製備方法則是先單網成形、卷取,形成單層合成纖維紙胚,然後將這種單層合成纖維紙胚雙層重疊,其餘步驟按實施例1相同的製備方法進行,得到的測試結果見表5表5項目單位 測試結果定量g/m243.3厚度mm0.055緊度g/m30.787
抗張強度KN/m MD 2.68伸長率 % MD 1.實施例4按下述重量份配製本實施例4合成纖維紙碳纖維(6~8mm)50份芳綸1414纖維(5~6mm) 10份聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維(5~6mm)40份針對實施例3,將碳纖維比例增加到50份,芳綸1414纖維減少到10份,在聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維40份用量不變的情況下,同樣採取雙層合軋,其餘步驟按實施例1相同的製備方法進行,所得到的測試結果見表6表6項目 單位測試結果定量 g/m250.0厚度 mm 0.058緊度 g/m30.862抗張強度 KN/m MD0.8伸長率 % MD 0.48實施例5按下述比例配製本實施例5合成纖維紙碳纖維(6~8mm) 25份芳綸1414纖維(5~6mm) 35份聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維(5~6mm) 40份本實施例是在實施例3的基礎上,為了改善碳纖維與粘接纖維間的粘接性能,在製備碳纖維漿液之前先用偶聯劑對PAN基碳纖維進行表面處理,這裡選用KH-5偶聯劑,用量為微量。經偶聯劑處理後的碳纖維再按實施例3相同的製備方法製造合成纖維紙,所得到的測試結果見表7表7項目單位 測試結果定量g/m240.8厚度mm 0.049緊度g/m30.832抗張強度KN/m MD 2.74伸長率 % MD 1.實施例6按下述重量份配製本實施例6合成纖維紙碳纖維(6~8mm) 25份芳綸1414纖維(5~6mm)35份聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維(5~6mm) 40份表面施膠劑KVL 5份同樣按實施例3的製備方法,所述實施例是對熱軋後的紙進行表面施膠處理,選用KVL樹酯為表面施膠劑。經表面施膠後的合成紙,在強度和紙的表面特性上均有較明顯的改善。得到的測試結果見表8表8項目 單位測試結果定量 g/m252.1厚度 mm 0.046緊度 g/m31.13抗張強度 KN/m MD3.01伸長率 % MD 0.88
實施例7按下述重量份配製本實施例7合成纖維紙碳纖維(6~8mm) 25份芳綸1414纖維(5~6mm) 35份聚苯硫醚纖維(5~6mm) 40份本實施例的不同之處在於選用聚苯硫醚纖維作粘接纖維。因為聚苯硫醚纖維較聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維有更高的熔點,因此合成纖維紙在280℃溫度下熱軋處理。其餘步驟按實施例3相同的工藝進行,得到的測試結果見表9表9項目 單位測試結果定量 g/m244.5厚度 mm 0.063緊度 g/m30.706抗張強度 KN/m MD2.01伸長率 % MD 1.實施例8按下述重量份配製本實施例8合成纖維紙碳纖維(6~8mm) 5份芳綸1414纖維(5~6mm) 35份聚苯硫醚纖維(5~6mm) 60份所述實施例採用60份的聚苯硫醚纖維,將碳纖維用量減少到5份,其餘步驟與實施例7相同的製備方法進行,得到的測試結果見表10表10項目 單位 測試結果定量 g/m257.1
厚度mm 0.058緊度g/m30.984抗張強度KN/m MD2.8伸長率 % MD 1.實施例9按下述重量份配製本實施例9合成纖維紙碳纖維(6~8mm)5份芳綸1414纖維(5~6mm) 35份聚苯硫醚(5~6mm) 60份表面施膠劑KVL樹脂 8份同樣對實施例8熱軋後的合成紙用表面處理劑KVL樹脂進行表面施膠,得到了本實施例。所得到的測試結果見表11表11項目 單位 測試結果定量 g/m254.7厚度 mm 0.053緊度 g/m31.03抗張強度 KN/m MD3.51伸長率% MD 1.97本發明不限於以上實施方式,可以根據參配比例、熱軋工藝以及表面施膠等參數與合成纖維紙物理機械強度指標的依存關係,改變配比和參數,製成可滿足用戶特殊要求的產品型號和規格;本領域技術人員還可以做出各種改變和變形,在不脫離本發明精神的前提下,均落在本發明的範圍內。
權利要求
1.一種碳纖維芳綸纖維合成紙,其特徵在於,該合成纖維紙含有結構纖維40~90重量份粘接纖維10~60重量份其中,所述結構纖維含有5~85%重量的碳纖維,以及15~95%重量的芳綸纖維。
2.權利要求1所述的碳纖維芳綸纖維合成紙,其特徵在於,該合成纖維紙含有結構纖維40~60重量份粘接纖維40~60重量份其中,所述結構纖維含有5~85%重量的碳纖維,以及15~95%重量的芳綸纖維。
3.權利要求1或2所述的碳纖維芳綸纖維合成紙,其特徵在於,所述碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維或者粘膠基碳纖維,長度為1~8mm。
4.權利要求3所述的碳纖維芳綸纖維合成紙,其特徵在於所述碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維。
5.權利要求1或2所述的碳纖維芳綸纖維合成紙,其特徵在於,所述芳綸纖維為聚對苯撐對苯二甲醯胺纖維及其漿粕製品、或聚間苯撐間苯二甲醯胺纖維及其漿粕製品,所述聚對苯撐對苯二甲醯胺纖維纖度為1~2d、長度為0.05~10mm,所述聚間苯撐間苯二甲醯胺纖維纖度為1~2d、長度為0.05~10mm。
6.權利要求1或2所述的碳纖維芳綸纖維合成紙,其特徵在於,所述粘接纖維為聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維或聚苯硫醚纖維。
7.一種碳纖維芳綸纖維合成紙的製備方法,包括下述步驟1)將碳纖維按0.003~0.1%重量濃度疏解,製得漿液A;2)將芳綸纖維及其漿粕以及粘接纖維混合併按0.005~0.1%重量濃度疏解,製得漿液B;3)將漿液A與漿液B混合形成造紙紙漿;4)將所述造紙紙漿抄造成形;5)乾燥並預熱;6)高溫熱軋得到合成纖維紙。
8.權利要求7所述的製備方法,其特徵在於,所述步驟6)中熱軋線壓力為100~200kg/cm、軋輥表面溫度為130~200℃、軋速為3~30米/分鐘。
9.權利要求7所述的製備方法,其特徵在於,所述粘接纖維為聚對苯二甲醯胺乙二醇酯纖維。
10.權利要求9所述的製備方法,其特徵在於,在所述步驟中6)中熱軋溫度為255~260℃。
11.權利要求7所述的製備方法,其特徵在於,所述粘接纖維為聚苯硫醚纖維。
12.權利要求11所述的製備方法,其特徵在於,在所述步驟6)中熱軋溫度約為280℃。
13.權利要求7所述的製備方法,其特徵在於,其進一步包含用表面施膠劑對熱軋後的紙進行表面施膠處理的步驟。
全文摘要
本發明屬於合成纖維紙領域,特別涉及一種以碳纖維和芳綸纖維為結構纖維、輔以粘接纖維製成的合成纖維紙。該合成纖維紙具有輕質、柔軟、高強度、高比模量、耐高溫、耐疲勞、抗化學腐蝕、良好的導電性和導熱性、低熱膨脹係數、生物相溶性好等優異特性,可被廣泛用於機電、航空、航天等高技術領域;本發明還提供了該種合成纖維紙的溼法製備方法。
文檔編號D21H13/50GK1570271SQ2004100377
公開日2005年1月26日 申請日期2004年5月12日 優先權日2004年5月12日
發明者陶世毅, 王麗萍 申請人:陶世毅, 王麗萍