对位芳纶沉析纤维结构表征及其纸基复合材料性能的研究.doc

对位芳纶沉析纤维结构表征及其纸基复合材料性能的研究对位芳纶纤维是一种具有高强高模、轻质绝缘、耐高温、抗腐蚀等优异性能的高科技纤维材料。以这种纤维为原料,通过现代造纸湿法抄造和热压成型工艺制备而得的对位芳纶纸基材料,具有强韧的机械性能、良好的介电性能、理想的热学性能以及灵活的可设计性,可作为耐高温绝缘材料、精密电子材料、纸基蜂窝结构材料而广泛应用到航空航天、交通电力、国防通讯、等重要领域,市场前景和经济价值显著,是国家经济发展和国防建设中不可缺少的新材料。对位芳纶沉析纤维是一种近年来新开发的芳纶纤维差异化产品。该纤维是通过往芳纶聚合体的低温缩聚溶液中添加沉析剂,再经过高速离心剪切而制得。独特的成形工艺赋予其特殊的形态和性能,不仅保留了对位芳纶纤维大部分优异的性能,而且具有更好的湿加工性能和复合增强效果,因此,对位芳纶沉析纤维在高性能纸基复合材料领域的应用具有非常巨大的潜力。然而,目前在国内外尚无这种新型纤维及其在复合材料中应用的报道。本课题采用现代材料学检测方法和分析手段,全面了解对位芳纶纤维原料的结构和性能,探讨沉析纤维在纸基复合材料中的应用潜力;通过正交优化实验获得芳纶纸基材料湿法抄造和热压成型工艺的最佳条件,制备出性能优异的对位芳纶纸基材料;对比分析并表征热压前后芳纶纸基材料的结构变化,了解热压过程对纸基材料的作用机理;利用分形维数对纸基材料孔隙结构参数和主要性能指标进行表征,建立一种预测和评价的方法;研究芳纶纸基材料热失重特性,探讨其热分解机理。形成了一整套从纤维结构表征、制备工艺优化到材料性能分析的研究思路。主要研究结论如下:短切纤维呈近似圆柱棒状结构,表面光滑均整,重均长度为5.290mm,沉析纤维呈现薄膜褶皱状,形态细小,表面粗糙,重均长度为0.552mm,尺寸分布集中,均一性好,细碎化程度高;两种纤维均具有仲酰胺结构特征,短切纤维晶型比较完善,其结晶度为77.9%,沉析纤维具有无定形态结构,其结晶度为28.6%;短切纤维初始分解温度530℃,TG10%为550℃,沉析纤维初始分解温度为490℃,TG10%为535℃,其热学稳定性能优异。在湿法抄造过程中,沉析纤维打浆度,短切纤维长度和沉析/短切纤维配比是主要的影响因素,分散剂用量是次要因素。最佳湿法抄造工艺条件为打浆度55°SR,纤维长度5mm,分散剂用量0.3%,纤维配比7:3。此时,纸基材料的抗张指数为39.36N·m·g-1,撕裂指数为19.14mN·m2·g-1,耐压强度达到22.18kV/mm。在热压成型过程中,热压压力、热压温度和热压次数是主要的影响因素,热压辊速是次要因素。最佳热压成型工艺条件为热压压力0.4MPa,热压温度240℃,热压辊速1.5m/min,热压次数2次。此时,纸基材料的抗张指数为54.27N·m·g-1,撕裂指数为24.63mN·m2·g-1,耐压强度达到23.81kV/mm。对位芳纶纸基材料结构中,纤维均匀分散,相互交织,形成类似钢筋混凝土的结构,热压后结构紧密,其平均孔径为14.64μm,孔隙率为18.33%,芳纶纸基材料具备明显的结晶-非晶有规则排列的两相结构,沉析纤维在温度和引力作用下结晶度增大,促使了纸基材料的晶型趋于完善;纸基材料内部短切纤维和沉析纤维之间的界面结合是物理结合作用。对位芳纶纸基材料的孔隙结构呈现明显的分形特征,分形维数越大,孔比表面积越大,孔隙率提高,孔径增大,孔结构就越复杂和劣化,对应芳纶纸基材料的抗张指数、撕裂指数和耐压强度均下降。分形维数可作为对位芳纶纸基材料多孔结构特性的综合评价指标,与其宏观性能的相关性良好。对位芳纶纸基材料的热学稳定性优异,初始分解温度为530℃,TG10%为540℃,在整个升温过程中无熔融峰出现,其热分解反应的主要产物为HCN、NO2、NH3、NO、CO、CO2以及H2O等;芳纶纸基材料的起始分解温度和终止分解温度均随着升温速率的升高而向高温区移动;采用Coats-Redfern动力学方程分析纸基材料的热分解反应,其反应级数为1,活化能E和频率因子A与升温速率存在一定的相关性。