沉析纤维尺寸效应对PET纸结构与性能的影响

通过造纸法高效制备的合成纤维纸是电工电气绝缘、轨道交通建设、国防军工产品等领域具有一定战略意义的结构材料和功能材料^[]。由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）短切纤维与微纳形态的PET沉析纤维制备的PET纸作为合成纤维纸中典型的特种纸和纤维新材料，具有优异的机械强度、耐温性、耐湿性、耐腐蚀性等性能，是重要的工业基础材料，广泛应用于大型输变电装置、汽车构件、防护材料等领域^[]。然而，PET沉析纤维的形貌、尺寸及表面理化性能对纸张结构与强度影响很大，调控机制仍然不明确，使成纸质量不高，导致PET纸的商业化进程十分缓慢^[]。因此，研究PET沉析纤维的尺寸分布及含量、各组分在纸张结构中的分布及成形中的形变能力等对PET纸张结构与性能的影响规律意义重大。

针对构筑纸张结构的精细调控，Yang等人^[7]在制备聚芳砜纶/聚丙烯腈-纳米氧化铝（PSA/PAN-B）复合纤维薄膜的过程中，通过对纤维表面改性，优化各组分在薄膜的Z向分布来控制孔隙率，提高比表面积及材料的力学性能。Li等人^[8]在木浆纤维形变性对其结合性能的研究中指出，湿法纤维变形能力的提高使木质纤维素纤维间黏结性能得到了提高。Zhang等人^[9]利用PET纤维和棉浆纤维混抄成纸，其目的是利用PET纤维的刚性及较强的力学性能来提高纸基复合材料的强度；研究发现，通过改变PET纤维的长径比，可改变纸张力学强度。

本研究通过筛分获得不同尺寸的PET沉析纤维，再将其分别与PET短切纤维按照不同的比例复配，采用湿法造纸技术构筑不同孔结构的原纸，经高温热压得到PET纸，对PET纸张结构性能、机械性能及电气性能进行比较，量化分析PET沉析纤维的尺寸分布及含量与PET纸中纤维网络内部结合性能的关系，探究PET沉析纤维尺寸效应对PET纸结构与性能的影响。

1 实　验

1.1　实验原料

PET切片（分子质量16700~26500），PET短切纤维（长度6 mm），购自上海某厂；苯酚、丙三醇（甘油）为分析纯，购自天津天力化学试剂有限公司；四氯乙烷为分析纯，购自天津市富宇精细化工有限公司；无水乙醇为分析纯，购自天津大茂化学试剂厂。

1.2　实验仪器

保尔筛分仪（BMN5A），奥地利PTI公司；自动抗张强度测试仪（SE-062），瑞典L＆W公司；纸张撕裂度仪（LB-SL1000），蓝博仪器厂；匀度测试仪（2DLABF/SNSOR），法国；透气度测试仪（166），瑞典L＆W公司；表面粗糙度测试仪（PPS58-06-00），荷兰BUCHEL；数显耐压测试仪（CS2672D），南京长盛电子有限公司；扫描电子显微镜（SEM，VEGA 3 SBH），铂悦仪器有限公司；纤维质量分析仪（MorFi Compact），法国Techpap公司。

1.3　实验方法

1.3.1　PET沉析纤维制备与筛分

PET切片放入苯酚与四氯乙烷质量比1∶1的混合溶剂中，将其置于80℃油浴中溶解，制得质量分数10%的PET乳液^[10]。将PET乳液匀速滴入反相溶剂为丙三醇∶乙醇=8∶2（体积比）的高速搅拌机中，搅拌45 min，制得PET沉析纤维。

将PET沉析纤维放入保尔筛分仪中，筛分目数依次为16、30、50、100和200，制得不同尺寸的PET沉析纤维，并分别命名为R16、R30、R50、R100、R200纤维。

1.3.2　纤维形貌及形态参数分析

通过光学显微镜观察纤维形态；通过纤维质量分析仪分析不同筛目下沉析纤维的纤维形态参数，包括纤维的长度、粗度、卷曲指数和平均扭结指数等；使用X射线衍射仪对纤维的结晶性能进行测量。

平均扭结指数采用Kibblewhite公式计算，如所示；利用分峰拟合法计算结晶度。

平均扭结指数=2N(21~45)+2N(46~90)+2N(91~180)L

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