專利名稱：Pbo纖維紙基材料及其制備方法與應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高性能有機(jī)合成纖維-PBO纖維，特別涉及以聚對苯撐對苯并二噁唑(PB0)纖維為主的PBO纖維紙基材料以及PBO纖維與混雜多種無機(jī)或有機(jī)纖維的一種或多種紙基復(fù)合材料的制備方法與應(yīng)用。
背景技術(shù)：
PBO纖維分子式如附圖1所示，其分子結(jié)構(gòu)為剛性棒狀高分子，呈現(xiàn)皮芯結(jié)構(gòu)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，在約小于0.2um光滑的皮層下是由微纖構(gòu)成芯層，微纖是由沿著纖維縱軸方向以高度取向的PBO分子組成的。由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使PBO纖維在高溫下和惡劣環(huán)境下表現(xiàn)出比別的合成纖維更好的性能。PBO纖維的模量可達(dá)280Gpa，是芳綸的兩倍，熱分解溫度高達(dá)650℃，在400℃下仍可保持75％的模量，是目前最耐熱的有機(jī)纖維材料。而且PBO的極限氧指數(shù)達(dá)68，阻燃性能優(yōu)異。并且耐溶劑、耐酸堿，化學(xué)穩(wěn)定性高。因此以PBO纖維為主，摻雜多種高性能纖維材料制備的特種紙可以滿足航空航天、國防軍事等領(lǐng)域、電子行業(yè)或摩擦、密封行業(yè)等對紙基材料提出的更高要求，在制備諸如寬頻透波材料，耐燒蝕材料、大剛性次受力結(jié)構(gòu)部件以及絕緣材料、密封材料和摩擦材料等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。采用該材料制備的特種紙?jiān)诹W(xué)性能上將遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前采用間位芳綸聚酰胺纖維(NOMEX纖維)和對位芳綸聚酰胺纖維(KEVLAR纖維)制備的特種紙基材料，并且賦予紙頁多種特性，諸如寬頻透波性能，耐高溫性能、耐燒蝕性能等?？蓮V泛應(yīng)用于如下領(lǐng)域1、航空航天飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星用寬頻透波材料，大剛性次受力結(jié)構(gòu)部件(用于機(jī)翼，整流罩，機(jī)艙內(nèi)襯板，飛機(jī)門、地板、天花板、貨艙和隔墻)；2、工業(yè)發(fā)電機(jī)、馬達(dá)、變壓器絕緣材料，模壓、熱壓、空壓、空調(diào)設(shè)備上的隔熱材料，造紙壓光輥等；3、汽車、戰(zhàn)車火花塞、耐高溫軟管等熱防護(hù)材料，發(fā)動機(jī)隔熱材料，輻射軟管阻燃材料；4、公共設(shè)施影劇院、賓館的隔熱阻燃材料，如背景幕、墻紙、聚光燈隔熱材料、裝飾材料等；5、日用產(chǎn)品象羊皮紙的燈罩、揚(yáng)聲器振膜、聲音感應(yīng)線圈絕緣材料、袋式煙灰缸、雪橇、可折疊烹飪鍋；6、交通PBO紙基材料制成SANDWICH復(fù)合結(jié)構(gòu)材料用在船舶、汽車、飛機(jī)等交通工具上減輕重量。它可使相關(guān)有關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高40倍，而重量只增加6％；7、電子鋰離子電池匯流條、微波爐、照相制版、激光打印等設(shè)備相關(guān)零部件；8、過濾用在耐高溫、腐蝕等特殊環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供PBO纖維紙基材料和以PBO纖維為主的紙基復(fù)合材料。本發(fā)明通過濕法抄紙工藝及紙頁成型技術(shù)，抄造出高性能的PBO纖維紙基材料及其以該種纖維為主的紙基復(fù)合材料，制備出具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫以及具有某些特殊功能的紙。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種PBO纖維紙基材料及其紙基復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供PBO纖維紙基材料在造紙領(lǐng)域的應(yīng)用。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)PBO纖維紙基材料和復(fù)合紙基材料，為以PBO纖維抄造的紙基材料或PBO纖維與一種或多種無機(jī)或有機(jī)纖維混雜配抄而成的復(fù)合纖維紙基材料。
上述技術(shù)方案所述的PBO纖維紙基材料的制備方法，包括如下步驟
(1)漿粕的制備采用原纖化的方法和沉析方法制備；原纖化方法是在紡絲過程中或?qū)㈤L度為1.5～5mm，纖度為2.48dtex的PBO短纖維通過物理化學(xué)方法制成具有豐富分絲結(jié)構(gòu)和比表面積較大的短纖維；沉析法是將PBO樹脂溶液在攪拌作用下滴入一定的溶劑體系中得到具有較大比表面積的膜狀物的方法；(2)纖條體的制備在加有潤脹劑、蝕刻劑的水懸浮液中或直接在水懸浮體系中通過打漿機(jī)中對長度為5～20mm的短切纖維打漿2～30min，使纖維分絲帚化得到；(3)抄紙將長度為1～20mm的短切纖維、漿粕和纖條體這三種形態(tài)的纖維中的兩種或者三種分別加入水中，并添加分散助劑使其在水相中分散，制成分散均勻的懸浮液；然后將這兩種或者三種漿料混合、打漿，采用濃度為0.005～0.1％的漿料在短長網(wǎng)、圓網(wǎng)或斜網(wǎng)成型機(jī)上成型，得到具有一定濕強(qiáng)的原紙；(4)紙頁的增強(qiáng)采用添加增強(qiáng)樹脂、化學(xué)試劑潤脹處理、混雜熱融型合成纖維、熱壓以及其中兩種或兩種以上方法的組合，提高成紙的強(qiáng)度；(5)熱壓成型經(jīng)增強(qiáng)處理后的紙頁，經(jīng)輥軋機(jī)在50～350℃以0～400Kg/cm線壓力或利用平板熱壓機(jī)在50～350℃以及0～50MPa的壓力條件下熱壓成型，利用增強(qiáng)樹脂或熱融型纖維將PBO短纖維粘結(jié)在一起，制備出性能優(yōu)異的PBO纖維紙基材料；以上所涉及的百分比皆為重量百分比。
上述的PBO纖維紙基材料可應(yīng)用于造紙領(lǐng)域。
所述PBO纖維為聚對苯撐苯并二噁唑纖維及其衍生物纖維。無機(jī)或有機(jī)纖維復(fù)合纖維可為炭纖維、石英纖維或炭化硅纖維等其他高性能纖維。PBO纖維復(fù)合紙基材料中PBO短纖維在原料中的重量百分比為1～100％。
所述的分散助劑包括表面活性劑、水溶性高分子化合物、酸、無機(jī)鹽其中的一種或多種。所述水溶性高分子化合物為聚丙烯酸酯及其共聚物類、聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺及其衍生物、聚乙烯醇及其衍生物類、天然高分子衍生物類，所述表面活性劑為季胺鹽、脂肪酸鹽類、聚氧化乙烯類。
所述的紙頁增強(qiáng)方式為添加聚合物樹脂、混雜熱融型合成纖維配抄、化學(xué)試劑潤脹、熱壓中的兩種或兩種以上。所述的聚合物樹脂可以是間位或?qū)ξ坏木鄯减０贰⒕埘啺?、聚苯硫醚、聚醚砜以及聚醚醚酮等。增?qiáng)樹脂的添加可采用聚合物溶液浸漬紙頁、聚合物溶液涂布或抄紙過程中添加樹脂顆粒等方法實(shí)現(xiàn)。所述的熱融型合成纖維可選用聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、聚苯硫醚纖維、聚苯并咪唑纖維、聚酰亞胺纖維、聚醚砜纖維等。增強(qiáng)方式可采用混雜抄造的方法實(shí)現(xiàn)。所述的紙頁潤脹處理可選用不同濃度的多聚磷酸、甲磺酸、與多種有機(jī)溶劑的混合溶液或苯酚、硫代氰酸鹽或氯化鉀等類作為潤脹劑處理紙頁。
附圖2為PBO纖維紙基材料的制備工藝流程圖，PBO纖維與一種或多種無機(jī)或有機(jī)纖維復(fù)合成的復(fù)合纖維紙基材料的也用相似的方式制備。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明在國內(nèi)首次提出將PBO纖維用于造紙，并且提出制備PBO纖維高性能紙以及以PBO纖維為主體混雜多種高性能無機(jī)或有機(jī)纖維制備PBO紙基復(fù)合材料的方法。這類功能紙可以滿足國防、軍工、電子信息以及航空航天對大剛性次受力結(jié)構(gòu)用蜂窩芯材、高性能絕緣材料、密封材料、摩擦材料、印刷電路板芯材以及耐高溫過濾材料的使用要求。該類紙基材料除具有耐高溫、耐燒蝕、高強(qiáng)度、高模量、低吸濕率，還具有優(yōu)異的絕緣性能、尺寸穩(wěn)定性、阻燃、寬頻透波性能以及化學(xué)穩(wěn)定性和適應(yīng)性。


圖1為PBO纖維的分子式；圖2為PBO纖維紙基材料的制備工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍并不限于此。
實(shí)施例1將纖度為2.48dtex，長度為3mm的PBO短纖維20％(重量百分比)用打漿機(jī)分散在水溶液中，在水溶液中加入陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)0.01％(在水溶液中的濃度)作為分散助劑，得到分散均勻的懸浮液。
其余80％(重量百分比)為PBO漿粕。漿粕的制備是將長度為3mm，纖度為2.48dtex的PBO短纖維加入裝有10％的硫酸或多聚磷酸溶液的蒸煮器中于60℃浸泡48小時(shí)制得。用打漿機(jī)將上述PBO漿粕分散在水溶液中，在水溶液中加入十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)0.2％(在水溶液中的濃度)和陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)0.01％(在水溶液中的濃度)作為分散助劑，得到分散均勻的懸浮液。
將兩種懸浮液通過氣動泵或離心泵送入儲液罐中混合，攪拌均勻，得到濃度0.1％(在水溶液中的濃度)的漿料。
在斜網(wǎng)成型器上上網(wǎng)成形，脫水壓榨，于100℃烘干15～20分鐘。
烘干后的紙片用濃度為10％的聚酰亞胺氯仿溶液浸漬處理，經(jīng)干燥后置于壓光機(jī)上進(jìn)行壓光處理，在氮?dú)夥諊袦囟葹?80℃，壓力恒定在20MPa下，熱壓15min成型。
實(shí)施例2將纖度為2.48dtex，長度為6mm的PBO短纖維60％(重量百分比)，用打漿機(jī)將上述PBO短纖維分散在水溶液中，，在水溶液中加入陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)0.01％(在水溶液中的濃度)作為分散助劑，得到分散均勻的懸浮液。
將纖度為2.48dtex，長度為3mm的PBO短纖維在濃度為1％的高錳酸鉀濃硫酸溶液浸泡一段時(shí)間后，用打漿機(jī)對纖維進(jìn)行分絲帚化，得到PBO纖條體，將40％的纖條體分散在水溶液中，在水溶液中加入十二烷基苯磺酸鈉0.002％(在水溶液中的濃度)作為分散助劑，得到分散均勻的懸浮液。用打漿機(jī)將上述纖條體分散在水溶液中，在水溶液中加入SK(聚乙烯亞胺)0.004％(在水溶液中的濃度)、0.004％PE(嵌段聚醚)及0.01％的CPAM，作為分散助劑，得到分散均勻的懸浮液。將兩種懸浮液混合，攪拌均勻，得到濃度0.1％(在水溶液中的濃度)的漿料。
在斜網(wǎng)成型器上上網(wǎng)成形，脫水，于100℃烘干。
烘干后的紙片用濃度為4％的聚酰亞胺氯仿溶液浸漬處理，經(jīng)干燥后在氮?dú)夥諊?，用金屬輥壓光機(jī)在280℃、15MPa，10分鐘下熱壓成型。
實(shí)施例3將纖度為2.48dtex，長度為6mm的PBO短纖維30％(重量百分比)，用打漿機(jī)將上述PBO短纖維分散在水溶液中，，在水溶液中加入陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)0.01％(在水溶液中的濃度)作為分散助劑，得到分散均勻的懸浮液。
用打漿機(jī)將纖度為04～0.7dtex，長度為6mm的炭纖維分散在水溶液中，在水溶液中加入十二烷基苯磺酸鈉0.02％(在水溶液中的濃度)及0.001％硬脂醇聚氧乙烯醚，作為分散助劑，得到分散均勻的懸浮液。
將纖度為2.48dtex，長度為3mm左右的PBO漿粕用打漿機(jī)分散在水溶液中，在水溶液中加入十六烷基三甲基溴化胺0.4％(在水溶液中的濃度)和陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)0.02％(在水溶液中的濃度)作為分散助劑，得到分散均勻的懸浮液。
將三種液體混合，攪拌均勻，得到濃度0.05％(在水溶液中的濃度)的漿料。
在斜網(wǎng)成型器上上網(wǎng)成形，脫水，于100℃烘干。
烘干后的紙片用濃度為4％的聚酰亞胺氯仿溶液浸漬處理，經(jīng)干燥后用平板熱壓機(jī)在300℃、10MPa，10分鐘下熱壓成型。
實(shí)施例4將纖度為2.48dtex，長度為9mm的PBO短纖維30％(重量百分比)，用打漿機(jī)將上述PBO短纖維分散在水溶液中，，在水溶液中加入陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)0.01％(在水溶液中的濃度)作為分散助劑，得到分散均勻的懸浮液。
用打漿機(jī)將40％(重量百分比)PBO漿粕分散在水溶液中，在水溶液中加入十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)0.2％(在水溶液中的濃度)和陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)0.01％(在水溶液中的濃度)作為分散助劑，得到分散均勻的懸浮液。
其余30％(重量百分比)的炭化硅陶瓷纖維。纖維長度為6mm，纖度為3.0dtex。用打漿機(jī)將上述短纖維分散在水溶液中，加入十八烷基胺0.001％(在水溶液中的濃度)和陽離子聚丙烯酰胺(PAM)0.01％(在水溶液中的濃度)作為分散助劑，得到分散均勻的懸浮液。
通過氣動泵或離心泵將上述三種懸浮液送入儲液罐中混合，攪拌均勻，得到濃度0.03％(在水溶液中的濃度)的漿料。
在斜網(wǎng)成型器上上網(wǎng)成形，脫水，于100℃烘干。
烘干后的紙片用平板熱壓機(jī)在氮?dú)夥諊校?00℃、20MPa，10分鐘下熱壓成型。
權(quán)利要求
1.PBO纖維紙基材料，其特征在于為PBO纖維紙基材料或PBO纖維與一種或多種無機(jī)或有機(jī)纖維混雜、配抄而成的復(fù)合纖維紙基材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PBO纖維紙基材料，其特征在于所述的PBO纖維為聚對苯撐苯并二噁唑纖維或其衍生物纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PBO纖維紙基材料，其特征在于所述的PBO纖維紙基材料為PBO纖維與一種或多種無機(jī)或有機(jī)纖維混雜、配抄而成的復(fù)合纖維紙基材料；其中，所述的無機(jī)或有機(jī)纖維復(fù)合纖維為炭纖維、石英纖維或炭化硅纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的PBO纖維紙基材料，其特征在于所述的PBO纖維在PBO纖維紙基材料中的重量百分比為5～100％。
5.權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的PBO纖維紙基材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)漿粕的制備可采用原纖化的方法或沉析方法制備；原纖化方法是在紡絲過程中或?qū)㈤L度為1.5～5mm，纖度為2.48dtex的PBO短纖維通過物理化學(xué)方法制成具有豐富分絲結(jié)構(gòu)和比表面積較大的短纖維；沉析法是將PBO樹脂溶液在攪拌作用下滴入一定的溶劑體系中得到具有較大比表面積的膜狀物的方法；(2)纖條體的制備在加有潤脹劑、蝕刻劑或直接在水懸浮液中，通過打漿機(jī)中對長度為5～20mm的短切纖維打漿2～30min，使纖維分絲帚化得到；(3)抄紙將長度為1～20mm的短切纖維、漿粕和纖條體這三種形態(tài)的纖維中的一種或者一種以上分別加入水中，并添加分散助劑使其在水相中分散，制成分散均勻的懸浮液；然后將這一種或者一種以上的漿料混合、打漿，采用濃度為0.005～0.1％的漿料在短長網(wǎng)、圓網(wǎng)或斜網(wǎng)成型機(jī)上成型，得到具有一定濕強(qiáng)的原紙；(4)紙頁的增強(qiáng)采用添加增強(qiáng)樹脂、化學(xué)試劑潤脹處理、混雜熱融型合成纖維、熱壓以及其中兩種或兩種以上方法的組合，提高成紙的強(qiáng)度；(5)熱壓成型經(jīng)增強(qiáng)處理后的紙頁，經(jīng)輥軋機(jī)在50～350℃以0～400Kg/cm線壓力或利用平板熱壓機(jī)在50～350℃以及0～50MPa的壓力條件下熱壓成型，利用增強(qiáng)樹脂或熱融型纖維將PBO短纖維粘結(jié)在一起，制備出性能優(yōu)異的PBO纖維紙基材料；以上所涉及的百分比皆為重量百分比。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的PBO纖維紙基材料的制備方法，其特征在于步驟(1)所述的原纖化及沉析法制備PBO漿粕和纖條體過程中所用化學(xué)物質(zhì)為強(qiáng)酸、極性有機(jī)溶劑或無機(jī)鹽中的一種或一種以上的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的PBO纖維紙基材料的制備方法，其特征在于步驟(3)所述的分散助劑為表面活性劑、水溶性高分子化合物、酸、或無機(jī)鹽中的一種或一種以上的混合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的PBO纖維紙基材料的制備方法，其特征在于所述的水溶性高分子化合物為聚丙烯酸酯及其共聚物類、聚丙烯酰胺及其衍生物、聚氧化乙烯、聚乙烯醇及其衍生物類或天然高分子衍生物類；所述表面活性劑為季胺鹽、脂肪酸鹽類或聚氧化乙烯類。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的PBO纖維紙基材料的制備方法，其特征在于步驟(4)所述的聚合物樹脂為間位或?qū)ξ坏木鄯减０?、聚酰亞胺、聚苯硫醚、聚醚砜以及聚醚醚酮，增?qiáng)樹脂的添加采用聚合物溶液浸漬紙頁、聚合物溶液涂布或抄紙過程中添加樹脂顆粒的方法；所述的熱融型合成纖維為聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、聚苯硫醚纖維、聚苯并咪唑纖維、聚酰亞胺纖維或聚醚砜纖維，增強(qiáng)方式為采用混雜抄造的方法；所述的紙頁潤脹處理為選用不同濃度的多聚磷酸、甲磺酸、與多種有機(jī)溶劑的混合溶液或苯酚、硫代氰酸鹽或氯化鉀等類作為潤脹劑處理紙頁。
10.權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的PBO纖維紙基材料在造紙領(lǐng)域中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種PBO纖維紙基材料及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明所述的PBO纖維紙基材料的制備方法，包括如下步驟(1)漿粕的制備；(2)纖條體的制備；(3)抄紙；(4)紙頁的增強(qiáng)處理；(5)熱壓成型。本發(fā)明在國內(nèi)首次提出將PBO纖維(其中包括短切纖維、漿粕、纖條體等PBO纖維狀物質(zhì)，本文其余部分除非特別說明，PBO纖維的含義都包括以上物質(zhì)的一種或者幾種)用于造紙，并且提出制備PBO纖維高性能紙以及以PBO纖維為主體混雜多種高性能無機(jī)或有機(jī)纖維制備PBO紙基復(fù)合材料的方法。
文檔編號D21H13/10GK1683712SQ200510033479
公開日2005年10月19日 申請日期2005年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月11日
發(fā)明者胡健, 周雪松, 梁云, 鄭熾嵩 申請人:華南理工大學(xué)