特种芳纶纤维在造纸中的应用

芳纶纤维是一种纤维的总称，它最早是二十世纪六七十年代由美国的杜邦（Dupont）公司研究开发的一种合成纤维。芳纶纤维的产能最早主要集中在美国、日本和欧洲的国家，如美国的杜邦公司、日本的帝人公司等。而我国对芳纶纤维的研发起步比较晚，在二十世纪八十年代，有多家相关的单位进行了芳纶纤维的研究开发，并且通过近些年相关研究人员的不懈努力，取得了一些成果，但较之美国、日本以及欧洲国家，依然处芳纶纤维是一种新型的合成纤维。根据化学结构的不同，主要分为两种：芳纶1414（对位芳酰胺纤维）和芳纶1313（间位芳酰胺纤维）。

2.1芳纶1414（对位芳酰胺纤维）的结构和性能
对位芳酰胺纤维是聚对苯二甲酰二胺的简称，它是由苯二甲酰氯和苯二胺通过缩聚而得，再采用
干喷湿纺丝方法制备。英文缩写为PPTA（poly-pphenyleneferephthalamide)。对位芳酰胺纤维在芳纶纤维生产中发展最快，产能主要集中于美国、日本以及欧洲。其商品名主要有美国杜邦公司的Kevlar纤维，日本帝人公司的Technora纤维，俄罗斯的Terlon纤维等。由于其功能团在苯环的1，4位，所以我们国家称其为芳纶1414。PPTA的化学结构式如图1所示。

PMIA的化学结构式如图2所示。从结构式可以看出：（1）PMIA的酰胺基团是通过间位苯基的形式相互连接而成的，其共价键无共轭效应；

（2）内旋转位能比对位芳纶纤维小一些，大分子链呈现出柔性结构。
PMIA是一种综合性能优良的特种纤维，有着耐高温的特性，并且具有热稳定性，可以在220℃的高温条件下使用10年以上，在240℃下受热1000小时，其机械强度仍然有原来的65%，在370℃以上的条件下才会分解出少量的气体；具有很好的电绝缘性；同时，也具有阻燃性、可纺性、耐辐射性以及化学稳定性。PMIA主要用在耐高温防护服、消防服以及军服；还用来制造耐高温绝缘材料，如耐运输带、蜂窝结构护墙材料等。

芳纶的产品主要有短纤维、长丝纤维以及浆粕三大类，被广泛地用在防护材料、纤维增强材料、耐摩擦材料以及工程用纸原料等方面。

3.1芳纶纸的出现

最早出现的芳纶纸是上世纪六十年代的Nomex纸，它是由美国杜邦公司研发成功的。它是用Nomex短纤维和芳纶浆粕作为原料，采用斜网抄造湿法成形制得。Nomex短纤维由Nomex长丝切断成3～8mm而成，短纤维对成纸的贡献主要是纸张的力学强度。芳纶浆粕填充在短纤维间，起着填充和黏结的作用。在经过热压作用，使得部分熔融，芳纶浆粕通过黏结短切纤维以及自身的黏结作用共同形成了纸张整体的力学结构。根据不同的用途，美国杜邦公司先后开发了不同的Nomex纸。常用型号有：T410(热轧的绝缘用纸)、T411（T410未经热轧的原纸）、T412（蜂窝用纸）、T414（与T410不同热轧工艺的绝缘用纸）。表1为不同型号的Nomex纸的性能比较。 

 从公式可以看出纤维长度的影响较大，当纤维的长度越大时，其堆积因子越大，单根纤维间接触的概率也就越大，纤维就更加容易发生絮聚；纤维宽度也对纤维的絮聚有影响，是因为纤维宽度的大小可以改变悬浮液中的纤维数目，并且还会影响到纤维弯曲时的刚性，从而影响到纤维间相互接触的力大小，所以越细的纤维越容易发生絮聚。

纤维柔软度对纤维絮聚的影响主要体现在浆料的输送过程中，纤维悬浮液中的剪切力使得单根的纤维呈现出线性运动和旋转运动的状态。纤维的柔软度不同，其运动轨迹也不同。纤维的柔软度越大，其运动越复杂，轨迹也更多样，纤维也就更加容易发生絮聚。纤维在悬浮液状态时，纤维和纤维间、液体和液体间、纤维和液体间都会互相影响，从而导致体系的黏度变化。
纤维悬浮液的流动性和纤维网状结构的强弱密切相关，体系流动性可以很好地反馈体系中的分散效果，可以通过液体的黏度大小来评价分散性能的好坏。一般黏度小时，纤维流动时阻力小，体系的分散性好；黏度大时，纤维彼此缠绕，纤维流动时阻力大，体系的分散性能也就差。芳纶纤维在悬浮液中容易发生絮聚主要是因为芳纶纤维之间的机械缠绕。芳纶纤维在流体中，受到流体的作用，相互机械交织的机会增多，从而更加不易分散。湍流既有助于纤维的分散又可以影响纤维的絮聚，所以，适当的湍流，可以提供体系适当的湍动及剪切力，可以有效地破坏纤维形成网状结构，从而减少纤维间的絮聚。但是，如果体系的湍动减弱，纤维间又会絮聚在一起。所以，在流体利用中，高强度微湍流更有助于体系纤维的分散。刘俊华等人[12]研究了浆料浓度、黏度、纤维长度、宽度及长径比对纤维分散性能的影响情况，并研究了加入分散剂聚氧化乙烯（PEO）对分散体系的影响。

3.2.2与液体相关的纤维表面的Z-电位
在浆料中的纤维，就像胶体悬浮液一样，有动电表面力和静电表面力的存在。当浓度低、剪切力小时，这种胶体作用力是促成纤维絮聚的主要因素。相关实验也发现，如果在浆料体系中加入阴离子表面活性剂，体系的分散性会明显有所增强，这主要是因为在悬浮液中的纤维大都是带负电荷的，加入阴离子表面活性剂，可以增加纤维表面的Z-电位，使得悬浮液中的纤维间斥力增大，进而减少纤维之间的碰撞，从而减少纤维间发生絮聚的概率。为了解决以上问题，可以添加表面活性剂提高芳纶纤维分散性；表面活性剂的疏水端朝向芳纶纤维分子，亲水端朝向水中。表面活性剂的作用主要有2个方面作用：（1）增加芳纶纤维悬浮液的黏度，降低悬浮液的表面张力，提高纤维的表面润湿性；（2）增大纤维的表面电荷量，使得纤维与纤维之间的斥力增大。
周雪松等人通过对不同分散体系（分别用表面活性剂十二烷基硫酸钠和表面活性剂B处理）的Z-电位采用ZetaPlus进行测定，用数码相机记录了芳纶纤维在不同体系中的分散性能，从而评价芳纶纤维的分散性能，并对不同分散体系的纤维进行抄纸，测定其纸张的匀度。结果表明表面活性剂可以改善芳纶纤维的分散性。

杨斌等人研究了PEO分散芳纶纤维及分散机理的研究，结果发现在一定范围内，随着PEO用量的增加芳纶纸的各项物理性能也增加，但PEO用量0.5％时，成纸的各项性能达到最佳。还可以对芳纶纤维化学或物理改性来改善芳纶纤维表面的化学惰性，增加纤维比表面积，使表面更加粗糙，在纤维表面引入-COOH、-OH、-C=O等活性基团进而可以改变纤维表面能以及界面张力等参数，实现增强材料性能的目的；主要有磷酸溶改性、硅烷偶联剂改性、硝化还原法改性、NaOH法改性、表面氧化、等离子改性等都可以改善芳纶纤维与芳纶浆粕的界面结合，从而提高芳纶纸的抗张强度和撕裂度。

YoonH.S等人对芳纶纤维进行改性。采用沉析法制备出对位芳纶沉析纤维，这样不仅保留了对位芳纶纤维优良的机械性能，而且还使纤维具备了更强的复合效果和更佳的增强性能，非常适合制备芳纶纸基复合材料。沉析纤维具有表面粗糙度、形态柔顺性，细碎化程度高，保证了沉析纤维具备较大的比表面积（7～9g/m2），沉析纤维中胺基含量较多，从而能够与纤维树脂等形成很强的亲和力，增强了纸基材料的复合效果。

陆赵情、江明等人研究了对位芳纶沉析纤维对芳纶纸基材料的结构和性能的影响，结果表明芳纶沉析纤维尺寸均一性好，细碎化程度高，利于芳纶纸基材料的复合增强；同时沉析纤维的最佳含量在70％时，能明显改善芳纶纸基材料的机械性能和绝缘性能。张美云等人[20]研究了超声波处理对于对位芳纶短切纤维和浆粕纤维分散性能的影响及成纸的影响。结果表明，超声波分别处理9min和12min时，体系的分散性能最好，成纸的抗张强度和撕裂度也有所提高。

随着科技的快速发展，我们国家对芳纶产品的需求也越来越大。比较国内外对芳纶纤维的研究可以看出，我们国家对芳纶纤维在造纸方面的应用研究仍有很长的路要走。尤其芳纶纤维的分散过程是一个复杂的动态平衡过程。防止芳纶纤维在造纸过程中絮聚是至关重要的。