短切合成纖維及其在紙基功能材料中的應用
閱讀次數： 發(fā)布時(shí)間:2021-02-01 15:00:03
濕法非織造可以被認為類(lèi)似于傳統的造紙工藝，但是使用短切的合成纖維或短纖維，作為制備紙基功能材料及有利方式引起人們的注意。紙基功能材料與普通紙的區別在于，纖維原料采用合成纖維與長(cháng)纖維原料，同時(shí)使用濕法成網(wǎng)工藝與后處理工藝，使合成纖維固有的特性賦予了纖網(wǎng)優(yōu)良特性，產(chǎn)品性能會(huì )得到顯著(zhù)提高。
1 短切合成纖維的性能、主要種類(lèi)與應用
1.1合成纖維的特殊性能優(yōu)勢
合成纖維與植物纖維不同，具有獨特的纖網(wǎng)結構特性，可顯著(zhù)提高紙基功能材料的質(zhì)量指標并豐富產(chǎn)品品種。由于短切合成纖維在尺寸可靠性、物理強度等方面具有獨特的優(yōu)勢，還具有阻燃性、絕緣性能、過(guò)濾精度、耐高溫性、耐化學(xué)腐蝕性等多種特殊性能，所以隨著(zhù)市場(chǎng)對新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要求的升級，已經(jīng)使用更多高性能合成纖維等來(lái)制備紙基功能材料或非織造材料。
1.2應用于紙基功能材料的纖維品種類(lèi)型
應用于紙基功能材料或非織造材料的纖維類(lèi)型包括：聚烯烴纖維、聚酯纖維、芳綸纖維、碳纖維、聚酰胺和再生黏膠纖維素纖維等。
1.2.1聚烯烴纖維
聚丙烯和聚乙烯，即聚烯烴，已廣泛用于濕法成網(wǎng)非織造。致力于在濕法成網(wǎng)紙基功能復合材料中多使用改性的聚烯烴纖維以及可熔黏合劑的纖維和雙組分纖維，生產(chǎn)一系列最終產(chǎn)品。
1.2.2聚酯纖維
聚酯短切纖維的開(kāi)發(fā)和使用，由于該材料的高表面積和易于在水中分散，表明它應被視為纖維素纖維的替代品。通過(guò)用于濕法成網(wǎng)應用的聚酯短纖維的開(kāi)發(fā)和供應方面的創(chuàng )新，與其他纖維以不同的比例混合，以獲得一系列性能，在濕法成網(wǎng)紙基功能材料中廣泛應用。
1.2.3芳綸纖維
由芳綸纖維制成的高性能芳綸紙由DuPont在20世紀70年代早期開(kāi)發(fā)，主要品種包括芳綸纖維1313與芳綸纖維1414等。由芳綸纖維制成的紙張，由于耐高溫、性能穩定，用于各種工業(yè)應用，包括個(gè)人防護服和航空航天應用中使用的復合結構；其他應用包括電絕緣紙、印刷電路板和鋰離子電池隔膜等。
1.2.4碳纖維
碳纖維可以通過(guò)濕法成形用于特殊紙基功能材料應用。例如，一些這樣的織物可以用樹(shù)脂浸漬并制成用于高級飛機的部件。
1.2.5再生黏膠纖維素纖維
黏膠是一種從硫酸溶液中再生纖維素以生產(chǎn)人造絲纖維的工藝，被廣泛用于非織造無(wú)紡布與紙基功能材料。再生的萊賽爾纖維得到廣泛應用。這些產(chǎn)品可以為茶包、擦拭巾和電子紙等產(chǎn)品提供高強度，其具有改進(jìn)的處理性并可用作其他纖維濕法成網(wǎng)非織造產(chǎn)品的共混物中的黏合劑。
1.3合成纖維在紙基功能材料的應用
合成纖維根據其在紙基功能材料中的應用及生產(chǎn)方法，主要為差異化纖維、高性能纖維等。
1.3.1差異化纖維
差異化纖維是經(jīng)過(guò)物理機械或化學(xué)改性在性能和用途方面適應新需求的纖維品種。常用差異化纖維的主要品種有：
(1）異形纖維：按其截面形態(tài)可以分為三角形、三葉形、十字形、多角形、多葉形、中空纖維等類(lèi)型。
(2）復合纖維：存在兩種或兩種以上不相混合的合成纖維成分，經(jīng)特殊熔融紡絲溶液紡絲生成的纖維稱(chēng)之為復合纖維或多組分纖維。常見(jiàn)包括同心纖維、偏心纖維、對稱(chēng)纖維、分裂纖維等。復合纖維品種中，還有一種稱(chēng)為共混纖維，如海島型等。
1.3.2高性能纖維
高性能纖維是指具有高強度、高模量、耐高溫、耐化學(xué)品、耐氣候等性能特別優(yōu)異的一類(lèi)新型合成纖維。如芳綸纖維、碳纖維、高分子聚乙烯纖維、聚四氟乙烯纖維等。高性能纖維主要應用于航空航天、海洋開(kāi)發(fā)、能源交通、信息工程、土木建筑、軍事工程和高科技產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。
2 合成纖維生產(chǎn)紙基功能材料的相關(guān)技術(shù)
紙基功能材料抄造技術(shù)利用合成纖維的原纖化呈剛性直棒狀，根據抄造工藝的不同選擇符合要求的纖維長(cháng)度與指標。合成纖維不具備親水性能，且更具剛性，在紙基功能材料制造過(guò)程中，合成纖維在成網(wǎng)時(shí)利用分散劑和機械剪切力將短切合成纖維分散開(kāi)，同時(shí)合成纖維充分混合均勻并分散成網(wǎng)。
短切合成纖維生產(chǎn)紙基功能材料的工藝流程如圖1所示。
合成纖維紙在紙基功能材料抄紙中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題：
● 纖維的親水處理與分散性能的提高
● 優(yōu)化生產(chǎn)工藝與設備，改善濕紙幅成形勻度
● 增強纖維黏結效果，提高成紙結合強度
2.1纖維的親水處理與提高分散性能
由于短切合成纖維不具備親水基團，所以纖維在水中的分散性能很差且易絮聚，同時(shí)合成短切纖維在水中的分散程度對纖網(wǎng)的均勻度、成網(wǎng)孔隙大小和分布都有著(zhù)重要的影響，因此提高合成纖維的分散性能是造紙抄造生產(chǎn)過(guò)程需要注意的問(wèn)題。在使用過(guò)程中一般采取如下措施：
2.1.1改善纖維表面的潤濕狀態(tài)
首先應考慮的問(wèn)題是纖維表面的潤濕。親水性處理是使用表面活性劑作為促使各種親油或親油合成纖維與水介質(zhì)混合的手段。表面活性劑是包含親水和疏水部分的分子，有助于在濕法成網(wǎng)非織造加工中實(shí)現良好的纖維分布。表面活性劑傾向于與疏水性固體纖維締合吸附，分子的親水部分延伸到水相中。這種情況允許含水流體（存在表面活性劑）圍繞每根纖維。然后，纖維束能夠沉入懸浮介質(zhì)中，并且截留在切碎的合成纖維束內的氣泡能夠自身釋放并上升到水面。親水基團可以是離子的（具有固定電荷）或非離子的，非離子表面活性劑主要用作濕法成網(wǎng)中的潤濕劑。
2.1.2纖維的分散
是使用分散劑以在攪拌的情況下幫助合成纖維彼此分離。在任何給定時(shí)間，混合罐中只有一小部分纖維可靠近葉輪，這將是最大流體動(dòng)力的點(diǎn)。隨著(zhù)時(shí)間的推移，混合物中的每根纖維越來(lái)越可能接近葉輪?？梢灶A期在典型情況下需要優(yōu)化攪拌的強度和時(shí)間，以滿(mǎn)足給定應用中纖維分散的目標，混合纖維分散成單根纖維狀態(tài)。生產(chǎn)過(guò)程中，各處合適的攪拌速率與漿泵可有效降低纖維絮聚的情況，保持纖維分散效果，從而提升產(chǎn)品的勻度，減少成品表面疵點(diǎn)。
2.1.3考慮第三類(lèi)化學(xué)品，即增稠劑
增加纖維懸浮液體系的黏度。這些高黏度的親水性聚合物和相關(guān)化學(xué)品旨在抑制長(cháng)纖維的過(guò)早纏結。通常的操作是將纖維加入到僅含有水和分散劑的溶液中，以最大化纖維束分裂的效果，然后加入增稠劑，形成輔助機制。這樣增稠劑在纖維表面形成潤滑膜，同時(shí)降低纖維介質(zhì)間的碰撞，抑制長(cháng)纖維的纏結。
2.1.4用于濕法成網(wǎng)加工的切碎
合成纖維供應商預先處理纖維表面以促進(jìn)分散性。紡絲整理中使用的典型化學(xué)品包括潤滑劑、乳化劑和抗靜電劑。紡絲整理中活性成分的附加重量通常小于5％wt。潤滑劑改變纖維與纖維的摩擦力，并用于在拉伸過(guò)程中最大限度地減少纖維的脫落。同時(shí)注意短切纖維的分切質(zhì)量，也是重要的方面。包括由于刀片溫度高造成的短切纖維的黏連以及刀口質(zhì)量造成的未切斷問(wèn)題。
2.2優(yōu)化生產(chǎn)工藝與設備，改善濕紙幅成形勻度
2.2.1纖維的長(cháng)度、細度與濃度控制與加入要求
濕法成網(wǎng)技術(shù)要求通過(guò)為每根纖維提供足夠的空間，使得它可以在任何方向上旋轉而不與其任何相鄰的纖維接觸，可以避免懸浮纖維之間的纏結。通常在分散過(guò)程中，隨著(zhù)纖維直徑的增加，必須延長(cháng)時(shí)間施加攪拌以充分分散纖維。同時(shí)纖維的橫截面形狀可以影響其在水中的分散能力，發(fā)現具有扇形、橢圓形橫截面的纖維比具有圓形橫截面的類(lèi)似纖維更容易分散在水中。
目前，通常用擁擠因子來(lái)表示纖維絮聚的可能程度。擁擠因子可以定義如下：
N=（2/3）Cv（L/d）²
其中：Cv—懸浮液中纖維材料基于體積的濃度；
L—纖維長(cháng)度（假設是均勻的）；
d—纖維直徑。
據預測，N值為60足以使每根纖維平均有三個(gè)接觸點(diǎn)，從而允許結構形成的開(kāi)始。生產(chǎn)制作過(guò)程中合成纖維漿的各部分纖維濃度要求不同，一般分散濃度1%～3%，儲存濃度0.4%～0.8%，上網(wǎng)濃度0.02%～0.08%。漿池、攪拌器和管道等設備的設計和布局需要精心規劃，以避免渦流和長(cháng)纖維的纏結。
2.2.2合成纖維在濕法成網(wǎng)過(guò)程的工藝與設備
相對于常規紙張成形，制備成網(wǎng)的上網(wǎng)濃度約0.3％～1.0％的纖維固體含量，濕法紙基功能材料的成形通常需要10倍以上的稀釋水平。
通常濕法成網(wǎng)紙基功能材料系統采用專(zhuān)門(mén)設計，用于加工相對長(cháng)纖維的斜網(wǎng)造紙機設備與特種真空圓網(wǎng)設備。設計這樣的系統要使得接近上漿的速度大致對應于成形織物的運行速度。通過(guò)這種方式，從而在二維中獲得將纖維分散在水性介質(zhì)中所達到的相同程度的均勻性。為滿(mǎn)足上述成形要求，開(kāi)發(fā)制造出滿(mǎn)足濕法成形的斜網(wǎng)成形器。斜網(wǎng)對纖維形態(tài)的適應范圍更廣，其真空吸水箱是按照脫水要求進(jìn)行分布的，這樣可以控制漿料的脫水量沿成形區遞增，以免脫水過(guò)快。同時(shí)設置較長(cháng)的成形區，因而斜網(wǎng)能有更大的紙機寬度和生產(chǎn)能力。目前進(jìn)一步開(kāi)發(fā)水力式流漿箱用于斜網(wǎng)成形器上，提高了車(chē)速同時(shí)在漿網(wǎng)速比控制和改進(jìn)成形方面增加對紙頁(yè)結構的控制。作為斜網(wǎng)成形設備的替代品，濕法成網(wǎng)也可以在旋轉的真空圓網(wǎng)上形成，可以從其內部施加真空控制。
經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，已開(kāi)發(fā)多種纖維配合抄造復合技術(shù)、優(yōu)化工藝設備采用多層成形技術(shù)，包括多層流漿箱技術(shù)，長(cháng)網(wǎng)與斜網(wǎng)結合的技術(shù)等，生產(chǎn)高性能復合紙基功能材料。
2.2.3增強纖維黏結效果，提高紙基功能材料的成紙結合強度
紙基功能材料是根據產(chǎn)品的需求，采用合成纖維以主體或混抄的形式進(jìn)行濕法成網(wǎng)，纖維間黏合制造出符合要求的特種纖維用紙。
根據濕法成網(wǎng)特點(diǎn)及產(chǎn)品應用要求，目前固網(wǎng)黏結方式主要是濕法成網(wǎng)與黏合劑、可熔纖維、水刺等方式的結合，這些固網(wǎng)黏結方式介紹如下：
(1）液體黏合劑的浸漬施加（浸涂、泡沫或噴霧施加）。在濕法成網(wǎng)的纖維結構成形之后可以施加黏合劑，其成形網(wǎng)下的真空箱可以把液體黏合劑抽吸穿過(guò)紙幅。同樣，由于合成纖維相對較長(cháng)，這些纖維網(wǎng)通常具有足夠的強度，施加泡沫黏合劑，噴霧或通過(guò)施膠壓榨添加液體黏合劑等時(shí)也會(huì )保持完整的狀態(tài)，從而在移動(dòng)的篩網(wǎng)上保持完整。這樣紙幅進(jìn)入烘干部無(wú)接觸熱風(fēng)干燥設備（或使用紅外線(xiàn)干燥進(jìn)行加溫處理），開(kāi)始實(shí)現纖維間黏合增強結合力，抄造出符合要求的特種纖維用紙。
(2）添加低熔點(diǎn)的可熔纖維（包括雙組分纖維）。在制備過(guò)程中低熔點(diǎn)的可熔纖維與纖維漿料均勻混合，可熔黏合纖維（包括雙組分纖維）的優(yōu)點(diǎn)是具有足夠的長(cháng)度，以有效地橋接纖維網(wǎng)的主要結構。纖維之間，可以通過(guò)在中溫下干燥纖維網(wǎng)來(lái)實(shí)現纖維與纖維之間的黏合。不同的聚合物在化學(xué)組成上足夠相似，產(chǎn)生的黏合強度可以接近塑料的內聚強度，實(shí)現良好的黏合和尺寸穩定性的結合。
(3）在高性能芳綸纖維中使用沉析纖維、漿粕纖維。在芳綸產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，芳綸纖維可以在磨漿機內通過(guò)打漿工藝處理而產(chǎn)生纖維膜裂效果后，與使用沉析纖維、漿粕等濕法成網(wǎng)抄造成紙。通過(guò)特定的芳綸熱壓機在規定的溫度與壓力下熱壓處理，進(jìn)一步增強結合力，從而生產(chǎn)出符合耐溫與絕緣性能指標的芳綸產(chǎn)品。
(4）在操作的濕端加入黏合劑（通過(guò)濕強劑、陽(yáng)離子膠乳、聚電解質(zhì)絡(luò )合物等輔助），增加纖維結合力，提高成品強度。
(5）濕法成網(wǎng)織物的內聚力也可以利用水刺設備通過(guò)水力纏結來(lái)實(shí)現。在濕法成網(wǎng)成形中，濕紙幅內的纖維可以重新取向以改善機械性能。水刺法通常用于機械黏合非織造物中的纖維并賦予改善的物理性能，例如柔軟的手感和懸垂性。濕法成網(wǎng)生產(chǎn)中的水力纏結是通過(guò)使新形成的纖維氈經(jīng)受大量細小水流的作用，使纖維彼此纏結。該方法用于通過(guò)增強的纖維間黏結來(lái)改善機械性能，水刺工藝要求以及產(chǎn)品的應用工藝中的產(chǎn)品多為可沖散紙巾和皮革產(chǎn)品。
3 紙基功能材料的開(kāi)發(fā)及應用趨勢
隨著(zhù)短切合成纖維與濕法成網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)步，一些合成纖維被應用于紙基功能材料生產(chǎn)中，主要發(fā)揮出以下性能：（1）較高的物理強度和可加工的機械性能；（2）耐溫性與尺寸的穩定性；（3）導電性與阻燃性能；（4）輕量化與較高的松厚度；（5）多孔結構與過(guò)濾性能等。
隨著(zhù)高新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，未來(lái)合成纖維紙基功能材料產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)會(huì )越來(lái)越多，其應用趨勢有如下特點(diǎn)：
3.1開(kāi)發(fā)更輕更薄的特色紙基功能過(guò)濾材料
隨著(zhù)合成纖維差異化的發(fā)展，利用濕法成網(wǎng)相較于其他非織造工藝更適合生產(chǎn)低定量多孔的輕型材料，細旦纖維和合成纖維組合能夠產(chǎn)生更致密的纖網(wǎng)結構與多孔結構，提高過(guò)濾精度，滿(mǎn)足過(guò)濾與分離相關(guān)行業(yè)的需求，包括液相與氣相分離等。紙基功能材料應用于新能源電池隔膜、碳纖維氣體擴散層等領(lǐng)域可提高電池的性能，也逐漸成為開(kāi)發(fā)發(fā)展的方向。
3.2配合高性能纖維的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)特種紙基功能材料——纖維增強輕質(zhì)材料產(chǎn)品高性能芳綸、聚酰亞胺、碳纖維等合成纖維具有良好的耐熱性、熱穩定性，經(jīng)過(guò)處理在濕法成網(wǎng)的情況下加工成紙基功能材料的基材，能顯著(zhù)提高產(chǎn)品的均勻性，配合其高強度、高模量，從而進(jìn)一步提升產(chǎn)品性能。達到顯著(zhù)提質(zhì)降重目的，滿(mǎn)足飛機、高鐵等新興行業(yè)的零部件和結構材料，以及汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的剎車(chē)墊片等增強材料。
3.3開(kāi)發(fā)紙基功能材料產(chǎn)品的多種特殊功能
例如，阻燃、絕緣、過(guò)濾、耐高溫性、耐化學(xué)腐蝕性等，包括耐摩擦剎車(chē)片材料、高性能密封材料、電機絕緣或導電材料；隔熱和導熱材料等。
