CN114892443A - 一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料及其制备方法和应用。本发明的制备方法包括如下步骤：S1.将基体合成纤维和增强纤维加入水中，然后加入分散剂进行疏解，疏解后得到混合疏解纤维；S2.向S1得到的混合疏解纤维加入消泡剂，除泡后，滤水成纸，干燥、热压后即得到高强度高透层间增韧合成纤维纸基材料。本发明通过特定的分散剂和消泡剂之间的协同作用，使制备得到的纸基材料分布均匀且无针孔产生；还通过加入增强纤维与基体合成纤维进行共混进一步提高纸基材料的力学性能。

Description

一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料及其制备方法和应用。
背景技术
层间增韧通常以颗粒、薄膜、纳米材料等形式***复合材料层合板的铺层间，在层间形成具有某种韧化结构，进而增加裂纹扩展过程中的能量耗散，达到提高复合材料层间断裂韧性的目的，是一种切实可行改善复合材料层合板抗抗冲击性能的方法。
增韧方法主要有预浸料作为原料成型复合材料和液态成型复合材料：1)预浸料作为原料成型复合材料，只需要保证树脂基体渗透到单层增强纤维缝隙中，即可得到质量合格的复合材料制件，因此，可以通过添加热塑性增韧材料对树脂基体进行改性，即使树脂基体的粘度较高也不会影响复合材料的成型质量；2)而液态成型复合材料需要树脂基体完全渗透整个增强纤维预制体，这就要求树脂基体的粘度非常低：在工艺窗口期，其树脂基体粘度低于0.5Pas。这就导致，采用热塑性树脂对树脂基体进行增韧改性的方案不适用于液态成型复合材料。因此，层间增韧技术成为液态成型复合材料提高层间韧性的必由之路。
国外研究发现，在传统层压板铺层过程中，将少量短纤维引入复合材料层间，从而使层与层之间形成一种随机杂乱分布的短纤维韧化结构。在裂纹扩展时，短纤维的桥联可以产生明显的增韧效果。这种层间短纤维的增韧方法不仅有效，而且操作简单、对复合材料其它性能影响比较小。采用湿法成型工艺是将短切合成纤维制备成薄层材料最有效的一种途径。湿法成型是一种把分散在液体的纤维通过滤网过滤而制成纸基材料的工艺，由这种工艺制备的合成纤维纸基材料称之为湿法无纺布，湿法无纺布中纤维杂乱排列，几乎各向同性，可实现纤维三维随机均匀分布，同时可实现任意种类和比例的纤维搭配。由于这种材料纤维分布的特性和具有良好的透过性，在能提高液态成型复合材料层间韧性的同时，无纺布对液态成型工艺的影响很小，不会阻碍树脂基体在预定型体内的流动与渗透，保持其较好的工艺性能。
然造纸所用的合成纤维具有憎水性，极易漂浮在液层上部，形成絮团；同时，合成纤维悬浮液中存在大量泡沫，泡沫存在时间长，不易消除，这使得合成纤维分散性能极差，导致成型的纸页匀度较差且存在针孔和纤维絮结现象，难以保证抄造的纸厚度均一。所以选取合适的分散剂及消泡剂体系，获得均匀分散的纤维悬浮液是难点。合成纤维本身无粘结力，选取何种增强纤维和增强技术，提高纤维纸的强度保证其均匀成型是重点。
发明内容
本发明为克服现有技术中合成纤维在造纸过程中存在分散性差、泡沫不易消散以及制备得到的纤维纸强度较差的缺陷，提供一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料的制备方法。
本发明的另一目的在于，提供由所述制备方法制备得到的高强高透层间增韧合成纤维纸基材料。
本发明的另一目的在于，提供所述高强高透层间增韧合成纤维纸基材料在液态成形层间增韧技术领域中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.纤维疏解：将基体合成纤维和增强纤维加入水中，然后加入分散剂进行疏解，疏解后得到混合疏解纤维；
S2.纸基材料成型：向S1得到的混合疏解纤维加入消泡剂，除泡后，滤水成纸，干燥、热压后即得到高强度高透层间增韧合成纤维纸基材料；
其中，步骤S2.中所述分散剂为非离子类分散剂、阴离子型分散剂或水溶性高分子分散剂中的一种或几种的组合；
步骤S1.中所述增强纤维为双组份尼龙纤维、双组分聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维(双组分PET纤维)或ES纤维中的一种或几种的组合；
步骤S2.中所述消泡剂为高级醇消泡剂、有机硅类消泡剂或聚醚类消泡剂中的一种或几种的组合。
本发明的发明人通过选择合适的分散剂、消泡剂以及增强纤维，使制备得到的纸基材料透气均匀，同时还能够在较少的定量条件下具有更优异的力学性能，纸基材料的抗张强度在175N/m以上，可高达263N/m，断裂伸长率>7％，可高达8.7％。
本发明选用的分散剂，能够使纤维表面形成双分子层结构，外层分散剂极性端与水有较强亲和力，增加了纤维被水润湿的程度，里层能够很好的和纤维搭接，能够很好地富集在基体合成纤维和增强纤维的表面，降低纤维表面的表面张力，使纤维在水中分散均匀，并且能够形成稳定的悬浮液；使用分散剂虽然提升了纤维在水中的分散性，但是纤维表面张力的降低，容易导致在抄造过程中泡沫的生成速率慢，这样生成的泡沫就会更加稳定的存在于纤维浆料中。发明人经过大量试验筛选出合适的消泡剂，本发明的消泡剂可以与分散剂共同作用并降低形成的泡沫的膜表面的强度，使泡沫生成后能够很快破裂。因此，本发明中，特定的分散剂和消泡剂之间的协同作用，一方面通过降低泡沫的生成速率减少生成泡沫的数量，另一方面通过降低泡沫的膜表面强度使泡沫快速破裂消除，进一步使纤维分散均匀，使制备得到的纸基材料分布均匀且无针孔产生。
另外，本发明还通过加入增强纤维与基体合成纤维进行共混，本发明的增强纤维，与基体合成纤维具有很好的相容性，能够均匀分散在基体合成纤维中，进一步提高纸基材料的力学性能。
可选地，所述基体合成纤维包括但不限于尼龙纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯、芳纶纤维、碳纤维或芳纶浆粕中的一种或几种的组合。
可选地，所述非离子类分散剂为聚氧乙烯醚甲基硅烷、油酸聚氧乙烯脂、聚乙二醇对异辛基苯基醚或聚环氧乙烷中的一种或几种的组合。
可选地，所述阴离子型分散剂为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基硫酸钠、土耳其红油、纤维素硫酸钠、烷基二苯醚磺酸钠或烷基酚聚氧乙烯醚磷酸脂盐中的一种或几种的组合。
可选地，所述水溶性高分子分散剂为聚氧化乙烯和/或聚丙烯酰胺。
为了进一步提高纤维在水中的分散性，优选地，所述分散剂为聚氧乙烯醚甲基硅烷、聚乙二醇对异辛基苯基醚、十二烷基硫酸钠、烷基二苯醚磺酸钠、聚氧化乙烯或聚丙烯酰胺中的一种或几种的组合。
优选地，所述分散剂的添加量为混合疏解纤维重量的0.2～1％。分散剂的添加量太少，纤维的分散性较差；分散剂的添加量太多，会在一定程度上增加纤维浆料中泡沫的产生量，因此合适的分散剂添加量可以同时保证较好的纤维分散度和较少的泡沫产生。
进一步优选地，所述分散剂的添加量为混合疏解纤维重量的0.3～0.8％；更进一步优选为0.5％。
所述高级醇消泡剂是指碳原子数为12～22的醇类消泡剂。
可选地，所述高级醇消泡剂为仲辛醇和/或正丁醇。
可选地，所述有机硅类消泡剂为聚二甲基硅氧烷及其衍生物中的一种或几种组合。
可选地，所述聚醚类消泡剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基苯酚聚氧乙烯醚、聚氧乙烯脂肪酸酯或聚氧乙烯脂肪胺中的一种或几种组合。
为了进一步快速消除泡沫，优选地，所述消泡剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基苯酚聚氧乙烯醚、聚二甲基硅氧烷、仲辛醇或正丁醇中的一种或几种组合。
优选地，所述消泡剂的添加量为混合疏解纤维重量的0.1～5％。与分散剂类似，消泡剂的添加量太少，泡沫存在的时间较长；而消泡剂的添加量过大，同样容易增加泡沫的产生量。合适的消泡剂的添加量可以显著快速消除泡沫。
进一步优选地，所述消泡剂的添加量为混合疏解纤维重量的1.5～3.5％；更进一步优选为3％。
需要说明的是，本发明中的增强纤维中提及的“双组份尼龙纤维、双组分聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维”中的双组份具体指的是皮芯型结构的纤维，其中芯组份完全被另外一种组分(皮层)包绕，两种组分的截面形状和面积也各不相同，一般皮层熔融温度比芯层熔融温度低，皮层起粘结作用。
为了进一步提高制备得到的纸基材料的力学性能，优选地，所述增强纤维为双组份尼龙纤维和/或双组分PET纤维。
优选地，所述双组分尼龙纤维的芯组分尼龙的熔点为410～500℃，皮组分尼龙的熔点为130～150℃。
优选地，所述双组分PET纤维的芯组分PET的熔点为250～280℃，皮组分PET的熔点为100～120℃。
优选地，所述混合疏解纤维中，基体合成纤维与增强纤维的重量比为1～19:1。
进一步优选地，基体合成纤维与增强纤维的重量比为1～9:1；更进一步优选为2:1。
优选地，所述基体合成纤维和/或增强纤维的长度为1～15mm。
优选地，步骤S1.中所述混合疏解纤维的纤度为0.5～5dtex。
优选地，步骤S2.中所述干燥的温度为70～150℃。
优选地，步骤S2.中所述热压的温度为90～150℃。
优选地，步骤S2.中所述热压的压力为0.5～1MPa。
优选地，步骤S2.中所述热压的时间为1～5s。
一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料，由上述制备方法制备得到。
优选地，所述高强高透层间增韧合成纤维纸基材料的定量为8～15g/m2。
优选地，所述高强高透层间增韧合成纤维纸基材料的透气度为1700～3500L/m2.s(@200Pa)。
所述高强高透层间增韧合成纤维纸基材料在液态成形层间增韧技术领域中的应用也在本发明的保护范围之内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过特定的分散剂和消泡剂之间的协同作用，使制备得到的纸基材料分布均匀且无针孔产生；还通过加入增强纤维与基体合成纤维进行共混进一步提高纸基材料的力学性能。本发明制备得到的纸基材料的透气度适宜且透气均匀，纸张均匀性好，可以在较少的定量(8～15g/m2)条件下具有更优异的力学性能，其中纸基材料的抗张强度在175N/m以上，可高达263N/m，断裂伸长率>7％，可高达8.7％。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
其中，增强纤维：
双组分尼龙纤维，采购自日本帝人株式会社，双组分尼龙纤维的芯组分尼龙的熔点为410～500℃，皮组分尼龙的熔点为130～150℃；
双组分PET纤维，采购自日本帝人株式会社，双组分PET纤维的芯组分PET的熔点为250～280℃，皮组分PET的熔点为100～120℃；
ES纤维，采购自日本可乐丽株式会社；
PVA纤维，采购自日本东丽集团。
除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
实施例1
本实施例提供一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料，按照包括如下步骤的方法制备得到：
S1.纤维疏解：将纤维长度为6mm的0.400g单组分尼龙纤维、纤维长度为9mm的0.400g双组分尼龙纤维加入水中，然后加入0.004g聚氧乙烯醚甲基硅烷(分散剂)进行疏解，疏解后得到混合疏解纤维悬浮液；
S2.纸基材料成型：向S1得到的混合疏解纤维悬浮液加入0.024g脂肪醇聚氧乙烯醚(消泡剂)，除泡之后，滤水成纸，再在140℃干燥至重量不再变化，然后将干燥后的纸基材料在0.5MPa、140℃的条件下热压2s，即得到高强高透层间增韧合成纤维纸基材料。
实施例2
本实施例提供一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料，按照包括如下步骤的方法制备得到：
S1.纤维疏解：将纤维长度为6mm的0.6g单组分尼龙纤维纤维、纤维长度为9mm的0.6g双组分PET纤维加入水中，然后加入0.0096g聚丙烯酰胺(分散剂)进行疏解，疏解后得到混合疏解纤维悬浮液；
S2.纸基材料成型：向S1得到的混合疏解纤维悬浮液加入0.0372g烷基苯酚聚氧乙烯醚(消泡剂)，除泡之后，滤水成纸，再在110℃干燥至重量不再变化，然后将干燥后的纸基材料在0.5MPa、110℃的条件下热压2s，即得到高强高透层间增韧合成纤维纸基材料。
实施例3
本实施例提供一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料，按照包括如下步骤的方法制备得到：
S1.纤维疏解：将纤维长度为9mm的0.72g单组分PET纤维、纤维长度为6mm的0.48gES纤维加入水中，然后加入0.0072g聚氧化乙烯(分散剂)进行疏解，疏解后得到混合疏解纤维悬浮液；
S2.纸基材料成型：向S1得到的混合疏解纤维悬浮液加入0.042g聚二甲基硅氧烷(消泡剂)，除泡之后，滤水成纸，再在140℃干燥至重量不再变化，然后将干燥后的纸基材料在1MPa、140℃的条件下热压2s，即得到高强高透层间增韧合成纤维纸基材料。
实施例4
本实施例提供一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料，按照包括如下步骤的方法制备得到：
S1.纤维疏解：将纤维长度为12mm的1.05g单组分尼龙纤维、纤维长度为9mm的0.45g双组分尼龙纤维加入水中，然后加入0.007g十二烷基硫酸钠(分散剂)进行疏解，疏解后得到混合疏解纤维悬浮液；
S2.纸基材料成型：向S1得到的混合疏解纤维悬浮液加入0.03g仲辛醇(消泡剂)，除泡之后，滤水成纸，再在140℃干燥至重量不再变化，然后将干燥后的纸基材料在0.5MPa、140℃的条件下热压2s，即得到高强高透层间增韧合成纤维纸基材料。
实施例5
本实施例提供一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料，按照包括如下步骤的方法制备得到：
S1.纤维疏解：将纤维长度为15mm的1.35g单组分尼龙纤维、纤维长度为8mm的0.15ES纤维加入水中，然后加入0.007g聚乙二醇对异辛基苯基醚(分散剂)进行疏解，疏解后得到混合疏解纤维悬浮液；
S2.纸基材料成型：向S1得到的混合疏解纤维悬浮液加入0.045g正丁醇(消泡剂)，除泡之后，滤水成纸，再在140℃干燥至重量不再变化，然后将干燥后的纸基材料在0.5MPa、140℃的条件下热压2s，即得到高强高透层间增韧合成纤维纸基材料。
对比例1
本对比例提供一种层间增韧合成纤维纸基材料，其制备方法与实施例1的不同之处在于，将步骤S2.中的分散剂替换为六偏磷酸钠。
对比例2
本对比例提供一种层间增韧合成纤维纸基材料，其制备方法与实施例1的不同之处在于，将步骤S2.中的消泡剂替换为柴油。
对比例3
本对比例提供一种层间增韧合成纤维纸基材料，其制备方法与实施例1的不同之处在于，步骤S1.中的增强纤维替换为PVA纤维。
对比例4
本对比例提供一种层间增韧合成纤维纸基材料，其制备方法与实施例1的不同之处在于，步骤S2.中未添加分散剂。
对比例5
本对比例提供一种层间增韧合成纤维纸基材料，其制备方法与实施例1的不同之处在于，步骤S2.中未添加消泡剂。
对比例6
本对比例提供一种层间增韧合成纤维纸基材料，其制备方法与实施例1的不同之处在于，将步骤S1.中的增强纤维替换为基体合成纤维(即，未添加增强纤维)。
性能测试
对上述实施例和对比例制备得到的层间增韧合成纤维纸基材料的性能进行测试，具体测试项目及测试方法如下：
1.定量：按照GB/T 451.2-2002的方法进行测定；
2.厚度：按照GB T 451.3-2002的方法进行测定；
3.透气度：按照GB T 458-2008的方法进行测定；
4.抗张强度：按照GB/T_12914-2018_纸和纸板抗张强度的测定恒速拉伸法进行测定，拉伸速度为20mm/min；
5.断裂伸长率：按照GB/T_12914-2018_纸和纸板抗张强度的测定恒速拉伸法进行测定，拉伸速度为20mm/min；
测试结果见表1。
表1性能测试结果
Figure BDA0003628456740000081
Figure BDA0003628456740000082
Figure BDA0003628456740000091
从表1中可以看出：
本发明的发明人通过选择合适的分散剂、消泡剂以及增强纤维，使制备得到的纸基材料具有适宜的透气度(1700～3500L/m2.s，@200Pa)，且透气均匀。透气均匀说明纸基材料均匀性良好，纸张的力学性能更优。根据实施例4、5和对比例1～5的定量和透气度测试结果，可以看出，在同样定量条件下(14～15g/m2)，对比例1～5的透气度远高于实施例4和实施例5，这表示对比例1～5中纸基材料的均匀性差，导致纸基材料的力学性能劣化。
本发明实施例制得的纸基材料还能够在较少的定量(8～15g/m2)条件下具有更优异的力学性能，其中纸基材料的抗张强度在175N/m以上，可高达263N/m，断裂伸长率>7％，可高达8.7％。
对比例1～6的结果表明，需要在特定的分散剂、消泡剂和增强纤维的共同作用下，才能够制备得到高强高透层间增韧合成纤维纸基材料，使其能够更好地应用于液态成型技术领域中去。当超出本发明技术方案的限定范围，如对比例1～3中，分散剂使用六偏磷酸钠(无机盐类分散剂)、消泡剂使用柴油(油脂类消泡剂)或增强纤维使用PVA纤维时，或对比例4～6中，缺少分散剂、消泡剂或增强纤维时，均无法实现纸基材料的均匀透气、高力学性能。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.纤维疏解：将基体合成纤维和增强纤维加入水中，然后加入分散剂进行疏解，疏解后得到混合疏解纤维；
S2.纸基材料成型：向S1得到的混合疏解纤维加入消泡剂，除泡后，滤水成纸，干燥、热压后即得到高强度高透层间增韧合成纤维纸基材料；
其中，步骤S1.中所述分散剂为非离子类分散剂、阴离子型分散剂或水溶性高分子分散剂中的一种或几种的组合；
步骤S1.中所述增强纤维为双组份尼龙纤维、双组分聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或ES纤维中的一种或几种的组合；
步骤S2.中所述消泡剂为高级醇消泡剂、有机硅类消泡剂或聚醚类消泡剂中的一种或几种的组合。
2.根据权利要求1所述高强高透层间增韧合成纤维纸基材料的制备方法，其特征在于，所述分散剂为聚氧乙烯醚甲基硅烷、聚乙二醇对异辛基苯基醚、十二烷基硫酸钠、烷基二苯醚磺酸钠、聚氧化乙烯或聚丙烯酰胺中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述高强高透层间增韧合成纤维纸基材料的制备方法，其特征在于，所述消泡剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基苯酚聚氧乙烯醚、聚二甲基硅氧烷、仲辛醇或正丁醇中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所述高强高透层间增韧合成纤维纸基材料的制备方法，其特征在于，所述增强纤维为双组份尼龙纤维和/或双组分聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维。
5.根据权利要求1所述高强高透层间增韧合成纤维纸基材料的制备方法，其特征在于，所述分散剂的添加量为混合纤维重量的0.2～1％。
6.根据权利要求1所述高强高透层间增韧合成纤维纸基材料的制备方法，其特征在于，所述消泡剂的添加量为混合疏解纤维重量的0.1～5％。
7.根据权利要求1所述高强高透层间增韧合成纤维纸基材料的制备方法，其特征在于，所述混合疏解纤维中，基体合成纤维与增强纤维的重量比1～19:1。
8.根据权利要求1所述高强高透层间增韧合成纤维纸基材料的制备方法，其特征在于，所述基体合成纤维为尼龙纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯、芳纶纤维、碳纤维或芳纶浆粕中的一种或几种的组合。
9.一种高强高透层间增韧合成纤维纸基材料，其特征在于，由权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到。
10.权利要求9所述高强高透层间增韧合成纤维纸基材料在液态成形层间增韧技术领域中的应用。
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