芳綸纖維-NFC-納米TiO2紙基材料成紙及界面性能的研究.pdf

1、間位芳綸紙基材料是以芳綸短切纖維和芳綸沉析（或芳綸漿粕）纖維為原料，利用現(xiàn)代造紙濕法抄造技術(shù)抄造成紙，再經(jīng)后續(xù)加工處理后制備所得。因芳綸纖維本身高的取向度和結(jié)晶度，使其具有較高的比強度、比模量，介電性能、并兼具優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性能和低密度等特性，其產(chǎn)品也多種多樣，包括耐高溫絕緣材料、輕質(zhì)化蜂窩材料、高性能電子材料等，在現(xiàn)代高科技領(lǐng)域如電子電工、航空航天、國防軍事、軌道交通等都有著廣泛的應(yīng)用。芳綸紙基材料中，由于芳綸短切纖維本身的

2、皮-芯層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致纖維表面呈化學(xué)惰性，和沉析纖維基體結(jié)合性差，導(dǎo)致紙張結(jié)構(gòu)疏松多孔，嚴(yán)重影響了成紙的機械強度和介電性能。此外，芳綸紙在使用過程中會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，也嚴(yán)重影響了芳綸紙的使用壽命。
　　納米纖維素（NFC）和納米TiO2因為具有優(yōu)異的增強效果和耐熱性能，在改善復(fù)合材料性能方面有著廣泛的應(yīng)用。本課題在芳綸紙基材料中引入性能優(yōu)異的NFC和納米TiO2，來改善芳綸紙的強度和絕緣性能差等問題。
　　首先對比分析了間位芳綸短切

3、纖維和沉析纖維在表觀形貌和形態(tài)參數(shù)等方面的差異，以及對紙頁結(jié)構(gòu)的影響，明確了芳綸紙的強度主要依靠短切和沉析纖維的物理交織，結(jié)合強度弱。繼而采用磷酸溶液對芳綸短切纖維進行改性來增加其表面粗糙度和活性，并研究了NFC含量對芳綸紙基材料性能的影響。結(jié)果表明當(dāng)NFC的含量為20％時，成紙的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、層間結(jié)合強度和抗張能量吸收（TEA）分別達到了最大值22.44 N·m·g-1，13.33 mN·m2·g-1，138.22J·m-2和2

4、9.71/J·m-2。FT-IR表明強度性能的提升主要是因為NFC表面的羥基和芳綸纖維表面的活性基團能夠產(chǎn)生很強的氫鍵締合作用。SEM圖象表明NFC像“蛛網(wǎng)”或“蠶絲”狀的薄膜結(jié)構(gòu)粘接在芳綸纖維上，作為短切纖維和沉析纖維的界面粘結(jié)橋梁和填充劑，從而使紙張的界面粘結(jié)強度大幅度提高。
　　然后利用KH-550改性納米TiO2，獲得分散均一的納米粒子，再以網(wǎng)狀NFC作為載體分散和負載無機納米TiO2，采用分光光度計研究了二者的分散穩(wěn)定性

5、和均勻性，結(jié)果表明NFC因其特殊的的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和表面活性不但可以作為載體截留納米TiO2，還起到了分散納米TiO2的作用。FT-IR表明NFC/納米TiO2通過氫鍵組裝成了緊密的有機-無機雜化納米材料。
　　接著研究了NFC/納米TiO2有機-無機雜化納米材對間位芳綸紙基材料力學(xué)性能、應(yīng)力-應(yīng)變、絕緣強度和抗老化性能的影響。結(jié)果表明當(dāng)芳綸纖維/NFC/納米TiO2三者的比例為8.7:0.5:0.8時，復(fù)合紙的抗張指數(shù)、斷裂應(yīng)力和

6、絕緣強度分別達到了最大值16.42N·m·g-1，6.991MPa和9.81kV·mm-1，同時也具備了較強的抗老化性能。
　　最后探討了NFC/納米TiO2的增強機理，主要分為兩點：一是NFC/納米TiO2之間形成了有機-無機界面相，形成優(yōu)勢互補，界面層的活性增強，從而增加了界面的結(jié)合強度；二是NFC負載了納米TiO2后表面粗糙度大幅度提高，從53nm提高到了101.1nm，與芳綸纖維之間產(chǎn)生了較強的界面嚙合強度，改善了界面結(jié)合