對位芳綸沉析纖維結(jié)構(gòu)表征及其紙基復(fù)合材料性能的研究.pdf

1、對位芳綸纖維是一種具有高強(qiáng)高模、輕質(zhì)絕緣、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)異性能的高科技纖維材料。以這種纖維為原料，通過現(xiàn)代造紙濕法抄造和熱壓成型工藝制備而得的對位芳綸紙基材料，具有強(qiáng)韌的機(jī)械性能、良好的介電性能、理想的熱學(xué)性能以及靈活的可設(shè)計(jì)性，可作為耐高溫絕緣材料、精密電子材料、紙基蜂窩結(jié)構(gòu)材料而廣泛應(yīng)用到航空航天、交通電力、國防通訊、等重要領(lǐng)域，市場前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值顯著，是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)中不可缺少的新材料。
　　對位芳綸沉析纖維是一

2、種近年來新開發(fā)的芳綸纖維差異化產(chǎn)品。該纖維是通過往芳綸聚合體的低溫縮聚溶液中添加沉析劑，再經(jīng)過高速離心剪切而制得。獨(dú)特的成形工藝賦予其特殊的形態(tài)和性能，不僅保留了對位芳綸纖維大部分優(yōu)異的性能，而且具有更好的濕加工性能和復(fù)合增強(qiáng)效果，因此，對位芳綸沉析纖維在高性能紙基復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用具有非常巨大的潛力。然而，目前在國內(nèi)外尚無這種新型纖維及其在復(fù)合材料中應(yīng)用的報(bào)道。
　　本課題采用現(xiàn)代材料學(xué)檢測方法和分析手段，全面了解對位芳綸纖維原

3、料的結(jié)構(gòu)和性能，探討沉析纖維在紙基復(fù)合材料中的應(yīng)用潛力；通過正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)獲得芳綸紙基材料濕法抄造和熱壓成型工藝的最佳條件，制備出性能優(yōu)異的對位芳綸紙基材料；對比分析并表征熱壓前后芳綸紙基材料的結(jié)構(gòu)變化，了解熱壓過程對紙基材料的作用機(jī)理；利用分形維數(shù)對紙基材料孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和主要性能指標(biāo)進(jìn)行表征，建立一種預(yù)測和評價(jià)的方法；研究芳綸紙基材料熱失重特性，探討其熱分解機(jī)理。形成了一整套從纖維結(jié)構(gòu)表征、制備工藝優(yōu)化到材料性能分析的研究思路。主要研究

4、結(jié)論如下：
　　短切纖維呈近似圓柱棒狀結(jié)構(gòu)，表面光滑均整，重均長度為5.290mm，沉析纖維呈現(xiàn)薄膜褶皺狀，形態(tài)細(xì)小，表面粗糙，重均長度為0.552mm，尺寸分布集中，均一性好，細(xì)碎化程度高；兩種纖維均具有仲酰胺結(jié)構(gòu)特征，短切纖維晶型比較完善，其結(jié)晶度為77.9％，沉析纖維具有無定形態(tài)結(jié)構(gòu)，其結(jié)晶度為28.6%；短切纖維初始分解溫度530℃，TG10%為550℃，沉析纖維初始分解溫度為490℃，TG10%為535℃，其熱學(xué)穩(wěn)定性能

5、優(yōu)異。
　　在濕法抄造過程中，沉析纖維打漿度，短切纖維長度和沉析/短切纖維配比是主要的影響因素，分散劑用量是次要因素。最佳濕法抄造工藝條件為打漿度55°SR，纖維長度5mm，分散劑用量0.3%，纖維配比7:3。此時(shí)，紙基材料的抗張指數(shù)為39.36 N·m·g-1，撕裂指數(shù)為19.14 mN·m2·g-1，耐壓強(qiáng)度達(dá)到22.18 kV/mm。
　　在熱壓成型過程中，熱壓壓力、熱壓溫度和熱壓次數(shù)是主要的影響因素，熱壓輥速是次要因

6、素。最佳熱壓成型工藝條件為熱壓壓力0.4MPa，熱壓溫度240℃，熱壓輥速1.5m/min，熱壓次數(shù)2次。此時(shí)，紙基材料的抗張指數(shù)為54.27 N·m·g-1，撕裂指數(shù)為24.63 mN·m2·g-1，耐壓強(qiáng)度達(dá)到23.81 kV/mm。
　　對位芳綸紙基材料結(jié)構(gòu)中，纖維均勻分散，相互交織，形成類似鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)，熱壓后結(jié)構(gòu)緊密，其平均孔徑為14.64μm，孔隙率為18.33%，芳綸紙基材料具備明顯的結(jié)晶-非晶有規(guī)則排列的兩相結(jié)

7、構(gòu)，沉析纖維在溫度和引力作用下結(jié)晶度增大，促使了紙基材料的晶型趨于完善；紙基材料內(nèi)部短切纖維和沉析纖維之間的界面結(jié)合是物理結(jié)合作用。
　　對位芳綸紙基材料的孔隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的分形特征，分形維數(shù)越大，孔比表面積越大，孔隙率提高，孔徑增大，孔結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜和劣化，對應(yīng)芳綸紙基材料的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐壓強(qiáng)度均下降。分形維數(shù)可作為對位芳綸紙基材料多孔結(jié)構(gòu)特性的綜合評價(jià)指標(biāo)，與其宏觀性能的相關(guān)性良好。
　　對位芳綸紙基材料的熱學(xué)穩(wěn)定