间位芳纶浆粕结构的表征及其对芳纶纸性能的影响

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问位芳纶浆粕结构的表征及其对芳纶纸性能的影响

张美云路金杯张素风赵会芳

（陕西科技大学造纸工程学院；陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安

７１００２１）

摘要：对不同目数造纸用芳纶浆粕的结构与性能进行了研究，探讨了造纸用芳纶浆粕的表征方法。用粘度法测定纤维的分子量；用打浆度表征浆粕的滤水性；用ＢＥＴ法测定浆粕的比表面积；比较了不同目数造纸用芳纶浆粕的抄造性能及芳纶纸的物理强度。结果表明，芳纶浆粕纤维的打浆度、比表面积的变化呈现一致的规律性；比表面积对芳纶纸物理强度指标有一定的影响。在抄造芳纶特种纸时，要综合考虑浆粕纤维的分子量及比表面积等相关因素。关键词：芳纶；浆粕；分子量；打浆度；比表面积

ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＰＭＩＡ－ＰｕｌｐａｎｄＩｔｓＩｍｐａｃｔｏｎＡｒａｍｉｄＰａｐｅｒＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓＺＨＡＮＧＭｅｉ—ｙｕｎ，ＬＵＪｉｎ－ｂｅｉ，ＺＨＡＮＧＳｕ—ｆｅｎｇ，ＺＨＡＯＨｕｉ－ｆａｎｇ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｕｌｐａｎｄＰａｐｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰａｐｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＳｐｅｃｉａｌｔｙＰａｐｅｒＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＳｈａａｎｘｉ，Ｘｉ，ａｎ７１００２１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｓｈｏｆＰＭＩＡ——Ｐｕｌｐａｐｐｌｉｅｄｉｎｐａｐｅｒｍａｋｉｎｇｗｅｒｅ

ｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ

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ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ

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ｐａｐｅｒｍａｋｉｎｇ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＭＩＡ；ｐｕｌｐ；ｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔ；ｂｅａｔｉｎｇｄｅｇｒｅｅ；ｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａ

间位芳纶全称“聚问苯二甲酰间苯二胺纤维”，英文缩写

ＰＭＩＡ（Ｐｏｌｙ－ｍ－ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｉｓｏｐｈｔｈａｌａｍｉｄｅ），我国称为芳纶１３１３。间位芳纶纤维是一种耐高温的高强度高弹模特种纤维，兼有无机纤维的机械性能和有机纤维的加工性能，同时还具有极好的耐化学腐蚀性，耐辐射性，耐疲劳性，尺寸稳定能等优良性能”’２‘。随着造纸工业的发展，人们对纸张性能的要求也越来越高，芳纶浆粕因兼有优异的湿加工性能和增强性能而被广泛应用于造纸工业，制造特种纸基材料，应用于特殊领域。芳纶浆粕属于化学纤维，常规的化学纤维研究方法不能够完全表征其结构和性能，目前造纸界也没有对这类型纤维浆粕客观的表征方法，一般采用比表面积、纤维长度，长径比等指标来控制生产ｐ１。王习文¨１等人通过纤维形态观察、长度分布、打浆度、比表面积测定对造纸用高性能合成纤维浆粕性能的表征进行了研究，但未能在结构性能研究的基础上探讨浆粕的抄造性能。因此，本实验在借鉴植物纤维性能表征的基础上，对造纸用芳纶浆粕的结构性能进行了研究，并通过比较其抄造性能及所抄纸张的物理强度，探讨了造纸用芳纶浆粕的表征方法。

１实验部分

１．１实验原料与药品．

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１．１．１实验原料

国内某生产厂家提供问位芳纶短切纤维与浆粕，其中芳纶短纤维平均长度为５～６直径约ｌｏＩＳ，ｍ；芳纶纯浆粕平均长度为０．５—３ｍｍ，长宽比约５０一１０００。ｍｍ，

１．１．２实验药品

ＤＭＡｃ（Ｎ．Ｎ二二甲基乙酰胺），分析纯，天津市富宁精细化工有限公司；

无水ＬｉＣｌ，分析纯，郑州派尼化学试剂厂；

１．２实验方法

１．２．１芳纶浆粕的筛分

采用陕西科技大学机械厂生产的筛分仪对芳纶浆粕进行不同目数的筛分。

１．２．２不同目数芳纶浆粕粘度及相对分子量的测定

采用型号为ＭＣ４－－０．５７ｍｍ的乌式粘度计测定芳纶浆粕的相对粘度，再计算出比浓对数粘度，根据芳纶比浓对数粘度与芳纶粘均分子量的关系式求得芳纶浆粕的粘均分子量。计算公式‘５‘为：

ｒ／，加＝ｒＭ；

其中Ｋ＝３．７×１０＿４，口＝０．７３。测试条件：温度为（２．钍ｏ．Ｄ＇Ｃ，溶剂为ＤＭＡｃ／５％ＬｉＣＩ。１．２．３芳纶浆粕打浆度的测定

采用ＺＱＳｌ２－１（＿ｌＩ）肖伯尔打浆度测定仪测定不同目数芳纶浆粕的打浆度。

１．２．４芳纶浆粕比表面积的测定

采用３Ｈ一２（ＸＸ）ＢＥＴ—Ｍ型比表面仪测定不同目数芳纶浆粕的比表面积。测定条件：在氮气环境，１５０℃下吹扫１２０ｍｉｎ，以彻底清洁样品表面；再在３０℃下用氮气吸附，测定样品的比表面积。

１．２．ｓ抄片

在德国ＥＲＮｓＴＨＡＡＧＥＢＢｓ一３纸页成型器上抄片，纸张定量３０～４００９／ｍ２，纸张由瓯种芳纶纤维按照一定比例混合抄造而成。

２．结果与讨论

２．１芳纶浆粕的筛分及不同目数浆粕分子量的测定

采用陕西科技大学机械厂生产的筛分仪对芳纶浆粕进行筛分，筛分后的浆粕原料测定其平均纤维长度，所占未筛浆的比例，以及分子量大小。测定结果如表１所示。

表ｌ芳纶浆粕筛分结果

芳纶浆粕纤维制备方法是沉析法，即分别将一定粘度的聚间苯二甲酰问苯二胺溶液和沉析剂送入沉析机中，在高速剪切作用下混合，析出二维细小的薄膜条状的纤维，最后经过水７ｌ

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洗，打浆精制后，得到沉析纤维浆料‘６１。一般而言，相对分子量大的会先沉淀出来，或者由于工艺差异导致先沉析出来的分子量较小。采用保尔筛分仪对浆粕进行筛分后，如表ｌ所示，随着筛分目数的增大，浆粕纤维的平均纤维长度在减小，分子量也是减小的。其中，５０目浆粕所占未筛浆的比例最大，贡献也最大。

２．２不同目数芳纶浆粕比表面积的测定

浆料纤维的比表面积是浆料的基本性质之一，纤维比表面积是纤维细度、细纤维化程度和长度变化的复函数。芳纶浆粕纤维不同于植物纤维，由于它们的分子呈刚性伸直状，分子之间只有很少量的氢键存在，纸张的强度只有靠纤维ｆ’日Ｊ的物理结合，因而其比表面积的大小对纸张的强度有着至关重要的影响，所以纤维比表面积是浆粕的一项重要性能指榭７１。表２列出了不同目数芳纶浆粕纤维的比表面积。

表２不同目数芳纶浆粕比表面积

表２结果表明，不同目数芳纶浆粕纤维的比表面积不Ｉ一，芳纶浆粕纤维的比表面积与浆粕的打浆度有一定的相关性，二者的变化规律一致。凶此，在实际控制中可以通过打浆度的测定来间接反应出浆粕纤维的比表面积。

２．３不Ｉ＿Ｊ目数芳纶浆粕的抄造性能

芳纶浆粕抄造性能的评价是对芳纶浆粕表征最重要的一步，因为芳纶浆粕用于造纸工业的最终目的是要抄造出具有某种特殊性能、满足特殊要求的纸张，这就需要芳纶浆粕具有良好的抄造性能以及所抄造纸张需要具有最基本的物理性能，以满足后续加工的要求。因此，本实验对不同目数芳纶浆粕抄造性能以及纸张的强度指标（如：紧度、抗张指数、撕裂指数等）进行了检测，结果见表３、表４。表３不Ｉ一目数芳纶浆粕对芳纶未热压纸物检的影响

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紧度是指单位体积纸或纸板的质量，又称表观密度，是纸和纸板的一项重要的性能指标，它对纸和纸板的各种光学性能和物理性能产生较大的影响ｍ１。由于纤维比表面积是指每克绝干纤维本身所暴露的面积（以ｍ２僮表示）．纤维暴露的面积越大，比表面积就越大。比表面积又直接反映纤维之间能产生结合的面积，凶此，增大纤维的比表面积，意味游离出更多的羟基，促进纤维表面的吸水性能，这样，在造纸干燥过程中就能在相邻纤维之问产生更多的氢键，从而使其结构紧密。由此可见，纤维比表面积大．其成纸的紧度也越大。从表３中可以看出，随着筛分目数的增大，也就是芳纶浆粕比表面积的增大，芳纶未热压纸成纸的紧度也是在逐渐增大的，通过热压后，芳纶纸的紧度会有很大的提高，紧度的提高对成纸的其他物理指标如抗张指数、撕裂指数等有很大的影响。由于热压工艺相同，不Ｉ司目数芳纶浆粕抄造成的芳纶热压纸紧度相差不大（如表４所示），与浆粕分子量及比表面积关系不大。

纸张的抗张强度是衡量纸张物理强度的—个重要指标，它与很多因素相关。影响纸张抗张强度的主要因素有纤维结合力、纤维平均长度，其次还有纤维长度分布、纤维交织情况、纤维本身的强度等阻１０１。随着筛分目数的增大，芳纶浆粕分子量在减小，而比表面积在增大，由于芳纶纤维分子呈刚性伸直状，分子之间只有很少量的氢键存在，纤维之间的结合力很小，所以芳纶纸的抗张强度主要靠纤维之间的物理交织，随着芳纶纤维细纤维化及比表面积的提高，可以导致芳纶浆粕表面暴露出更多的表面积，这样浆粕与芳纶短切纤维的结合点就会增多，从而使芳纶未热压纸纸的抗张强度会有一定的提高。如表３中所示，随着筛分目数的增大，芳纶未热压纸的抗张指数是在逐渐增大的。对于热压纸而言，如表４中所示，芳纶热压纸的抗张指数也是随着浆粕筛分目数的增大而增大，在筛分目数为１００目时达到最大值４Ｉ’．０８Ｎｍ／ｇ，之后有—个下降的趋势。这种现象可能是因为随着筛分目数的增大，虽然浆粕的比表面积是在增大的，但分子量的损失也是很明显的，超过１００Ｉ：１后，分子量损失的影响大大超过了比表面积增大的影响。因而，芳纶热压纸的抗张指数表现出在１００目时达到最大，而后却有一定趋势的减小。

影响纸张撕裂指数的因素很多。由于纸张被撕裂时，或者要把纤维从样品中拉出，或者要把纤维撕断¨ｕ，所以撕裂指数的大小主要取决于纤维的平均长度；其次是纤维的结合力、纤维本身强度及纤维交织情况等。芳纶浆粕筛分后，目数越大的分子量越小，纤维的平均长度也越来越小，但是浆粕的比表面积却在增大，对于抄成的芳纶未热压纸，浆粕纤维平均长度对芳纶原纸撕裂指数的贡献要小于纤维比表面积。因此如表３中，芳纶未热压纸纸的撕裂指数随着筛分目数的增大而增大。而对于抄成的芳纶热压纸，从表４中撕裂指数的变化我们可以看出，浆粕分子量和比表面积对芳纶热压纸的影响不是很大，只是在５０目时有一个小小的突变。分析其原凶：由于芳纶纸是在热压之后才有很高的物理强度，在热压过程中部分沉析纤维由玻璃态转变为橡胶态物质，将短切纤维相互粘结起来形成了整体受力结构，所以在热压过程中，芳纶浆粕的结晶度有了很火的变化，可能由于结晶度的原因“２’１”，使得芳纶热压纸的撕裂指数在５０Ｉ：１处有—个小的突变。

由以上分析可知，芳纶原纸的强度与芳纶浆粕纤维的分子量、纤维的长度、比表面积等都有一定的相关性。因此，在评价芳纶浆粕的结构和性能以及选择芳纶浆粕纤维抄造纸张时，要综合考虑浆粕纤维的比表面积、纤维的分子量以及纤维的平均长度等因素。

３结论

３．１采用保尔筛分仪对芳纶浆粕进行筛分，结果５１）目所占比例最大，其浆粕分子量接近于未筛浆的分子量。

３．２不同目数的芳纶浆粕，其比表面积与浆粕的细纤维化程度、打浆度等有一定的相关性，实际控制中可以通过打浆度的测定来间接反应出浆粕纤维的比表面积。用打浆度表征其滤水性能、用ＢＥＴ法测定不同目数浆粕比表面积的表征方法能够准确、有效地表征芳纶浆粕的性能，为选择利用造纸用芳纶浆粕提供了依据。

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３．３芳纶原纸的强度与芳纶浆粕纤维的比表面积、平均长度及分子量等都有一定的相关性。因此，在抄造芳纶特种纸时，要综合考虑浆粕的比表面积、纤维平均长度及纤维分子量等因素。

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