短切合成纤维及其在纸基功能材料中的应用
阅读次数： 发布时间:2021-02-01 15:00:03
湿法非织造可以被认为类似于传统的造纸工艺，但是使用短切的合成纤维或短纤维，作为制备纸基功能材料及有利方式引起人们的注意。纸基功能材料与普通纸的区别在于，纤维原料采用合成纤维与长纤维原料，同时使用湿法成网工艺与后处理工艺，使合成纤维固有的特性赋予了纤网优良特性，产品性能会得到显著提高。
1 短切合成纤维的性能、主要种类与应用
1.1合成纤维的特殊性能优势
合成纤维与植物纤维不同，具有独特的纤网结构特性，可显著提高纸基功能材料的质量指标并丰富产品品种。由于短切合成纤维在尺寸可靠性、物理强度等方面具有独特的优势，还具有阻燃性、绝缘性能、过滤精度、耐高温性、耐化学腐蚀性等多种特殊性能，所以随着市场对新产品开发要求的升级，已经使用更多高性能合成纤维等来制备纸基功能材料或非织造材料。
1.2应用于纸基功能材料的纤维品种类型
应用于纸基功能材料或非织造材料的纤维类型包括：聚烯烃纤维、聚酯纤维、芳纶纤维、碳纤维、聚酰胺和再生黏胶纤维素纤维等。
1.2.1聚烯烃纤维
聚丙烯和聚乙烯，即聚烯烃，已广泛用于湿法成网非织造。致力于在湿法成网纸基功能复合材料中多使用改性的聚烯烃纤维以及可熔黏合剂的纤维和双组分纤维，生产一系列最终产品。
1.2.2聚酯纤维
聚酯短切纤维的开发和使用，由于该材料的高表面积和易于在水中分散，表明它应被视为纤维素纤维的替代品。通过用于湿法成网应用的聚酯短纤维的开发和供应方面的创新，与其他纤维以不同的比例混合，以获得一系列性能，在湿法成网纸基功能材料中广泛应用。
1.2.3芳纶纤维
由芳纶纤维制成的高性能芳纶纸由DuPont在20世纪70年代早期开发，主要品种包括芳纶纤维1313与芳纶纤维1414等。由芳纶纤维制成的纸张，由于耐高温、性能稳定，用于各种工业应用，包括个人防护服和航空航天应用中使用的复合结构；其他应用包括电绝缘纸、印刷电路板和锂离子电池隔膜等。
1.2.4碳纤维
碳纤维可以通过湿法成形用于特殊纸基功能材料应用。例如，一些这样的织物可以用树脂浸渍并制成用于高级飞机的部件。
1.2.5再生黏胶纤维素纤维
黏胶是一种从硫酸溶液中再生纤维素以生产人造丝纤维的工艺，被广泛用于非织造无纺布与纸基功能材料。再生的莱赛尔纤维得到广泛应用。这些产品可以为茶包、擦拭巾和电子纸等产品提供高强度，其具有改进的处理性并可用作其他纤维湿法成网非织造产品的共混物中的黏合剂。
1.3合成纤维在纸基功能材料的应用
合成纤维根据其在纸基功能材料中的应用及生产方法，主要为差异化纤维、高性能纤维等。
1.3.1差异化纤维
差异化纤维是经过物理机械或化学改性在性能和用途方面适应新需求的纤维品种。常用差异化纤维的主要品种有：
(1）异形纤维：按其截面形态可以分为三角形、三叶形、十字形、多角形、多叶形、中空纤维等类型。
(2）复合纤维：存在两种或两种以上不相混合的合成纤维成分，经特殊熔融纺丝溶液纺丝生成的纤维称之为复合纤维或多组分纤维。常见包括同心纤维、偏心纤维、对称纤维、分裂纤维等。复合纤维品种中，还有一种称为共混纤维，如海岛型等。
1.3.2高性能纤维
高性能纤维是指具有高强度、高模量、耐高温、耐化学品、耐气候等性能特别优异的一类新型合成纤维。如芳纶纤维、碳纤维、高分子聚乙烯纤维、聚四氟乙烯纤维等。高性能纤维主要应用于航空航天、海洋开发、能源交通、信息工程、土木建筑、军事工程和高科技产业等领域。
2 合成纤维生产纸基功能材料的相关技术
纸基功能材料抄造技术利用合成纤维的原纤化呈刚性直棒状，根据抄造工艺的不同选择符合要求的纤维长度与指标。合成纤维不具备亲水性能，且更具刚性，在纸基功能材料制造过程中，合成纤维在成网时利用分散剂和机械剪切力将短切合成纤维分散开，同时合成纤维充分混合均匀并分散成网。
短切合成纤维生产纸基功能材料的工艺流程如图1所示。
合成纤维纸在纸基功能材料抄纸中需要解决的关键问题：
● 纤维的亲水处理与分散性能的提高
● 优化生产工艺与设备，改善湿纸幅成形匀度
● 增强纤维黏结效果，提高成纸结合强度
2.1纤维的亲水处理与提高分散性能
由于短切合成纤维不具备亲水基团，所以纤维在水中的分散性能很差且易絮聚，同时合成短切纤维在水中的分散程度对纤网的均匀度、成网孔隙大小和分布都有着重要的影响，因此提高合成纤维的分散性能是造纸抄造生产过程需要注意的问题。在使用过程中一般采取如下措施：
2.1.1改善纤维表面的润湿状态
首先应考虑的问题是纤维表面的润湿。亲水性处理是使用表面活性剂作为促使各种亲油或亲油合成纤维与水介质混合的手段。表面活性剂是包含亲水和疏水部分的分子，有助于在湿法成网非织造加工中实现良好的纤维分布。表面活性剂倾向于与疏水性固体纤维缔合吸附，分子的亲水部分延伸到水相中。这种情况允许含水流体（存在表面活性剂）围绕每根纤维。然后，纤维束能够沉入悬浮介质中，并且截留在切碎的合成纤维束内的气泡能够自身释放并上升到水面。亲水基团可以是离子的（具有固定电荷）或非离子的，非离子表面活性剂主要用作湿法成网中的润湿剂。
2.1.2纤维的分散
是使用分散剂以在搅拌的情况下帮助合成纤维彼此分离。在任何给定时间，混合罐中只有一小部分纤维可靠近叶轮，这将是最大流体动力的点。随着时间的推移，混合物中的每根纤维越来越可能接近叶轮。可以预期在典型情况下需要优化搅拌的强度和时间，以满足给定应用中纤维分散的目标，混合纤维分散成单根纤维状态。生产过程中，各处合适的搅拌速率与浆泵可有效降低纤维絮聚的情况，保持纤维分散效果，从而提升产品的匀度，减少成品表面疵点。
2.1.3考虑第三类化学品，即增稠剂
增加纤维悬浮液体系的黏度。这些高黏度的亲水性聚合物和相关化学品旨在抑制长纤维的过早缠结。通常的操作是将纤维加入到仅含有水和分散剂的溶液中，以最大化纤维束分裂的效果，然后加入增稠剂，形成辅助机制。这样增稠剂在纤维表面形成润滑膜，同时降低纤维介质间的碰撞，抑制长纤维的缠结。
2.1.4用于湿法成网加工的切碎
合成纤维供应商预先处理纤维表面以促进分散性。纺丝整理中使用的典型化学品包括润滑剂、乳化剂和抗静电剂。纺丝整理中活性成分的附加重量通常小于5％wt。润滑剂改变纤维与纤维的摩擦力，并用于在拉伸过程中最大限度地减少纤维的脱落。同时注意短切纤维的分切质量，也是重要的方面。包括由于刀片温度高造成的短切纤维的黏连以及刀口质量造成的未切断问题。
2.2优化生产工艺与设备，改善湿纸幅成形匀度
2.2.1纤维的长度、细度与浓度控制与加入要求
湿法成网技术要求通过为每根纤维提供足够的空间，使得它可以在任何方向上旋转而不与其任何相邻的纤维接触，可以避免悬浮纤维之间的缠结。通常在分散过程中，随着纤维直径的增加，必须延长时间施加搅拌以充分分散纤维。同时纤维的横截面形状可以影响其在水中的分散能力，发现具有扇形、椭圆形横截面的纤维比具有圆形横截面的类似纤维更容易分散在水中。
目前，通常用拥挤因子来表示纤维絮聚的可能程度。拥挤因子可以定义如下：
N=（2/3）Cv（L/d）²
其中：Cv—悬浮液中纤维材料基于体积的浓度；
L—纤维长度（假设是均匀的）；
d—纤维直径。
据预测，N值为60足以使每根纤维平均有三个接触点，从而允许结构形成的开始。生产制作过程中合成纤维浆的各部分纤维浓度要求不同，一般分散浓度1%～3%，储存浓度0.4%～0.8%，上网浓度0.02%～0.08%。浆池、搅拌器和管道等设备的设计和布局需要精心规划，以避免涡流和长纤维的缠结。
2.2.2合成纤维在湿法成网过程的工艺与设备
相对于常规纸张成形，制备成网的上网浓度约0.3％～1.0％的纤维固体含量，湿法纸基功能材料的成形通常需要10倍以上的稀释水平。
通常湿法成网纸基功能材料系统采用专门设计，用于加工相对长纤维的斜网造纸机设备与特种真空圆网设备。设计这样的系统要使得接近上浆的速度大致对应于成形织物的运行速度。通过这种方式，从而在二维中获得将纤维分散在水性介质中所达到的相同程度的均匀性。为满足上述成形要求，开发制造出满足湿法成形的斜网成形器。斜网对纤维形态的适应范围更广，其真空吸水箱是按照脱水要求进行分布的，这样可以控制浆料的脱水量沿成形区递增，以免脱水过快。同时设置较长的成形区，因而斜网能有更大的纸机宽度和生产能力。目前进一步开发水力式流浆箱用于斜网成形器上，提高了车速同时在浆网速比控制和改进成形方面增加对纸页结构的控制。作为斜网成形设备的替代品，湿法成网也可以在旋转的真空圆网上形成，可以从其内部施加真空控制。
经过不断发展，已开发多种纤维配合抄造复合技术、优化工艺设备采用多层成形技术，包括多层流浆箱技术，长网与斜网结合的技术等，生产高性能复合纸基功能材料。
2.2.3增强纤维黏结效果，提高纸基功能材料的成纸结合强度
纸基功能材料是根据产品的需求，采用合成纤维以主体或混抄的形式进行湿法成网，纤维间黏合制造出符合要求的特种纤维用纸。
根据湿法成网特点及产品应用要求，目前固网黏结方式主要是湿法成网与黏合剂、可熔纤维、水刺等方式的结合，这些固网黏结方式介绍如下：
(1）液体黏合剂的浸渍施加（浸涂、泡沫或喷雾施加）。在湿法成网的纤维结构成形之后可以施加黏合剂，其成形网下的真空箱可以把液体黏合剂抽吸穿过纸幅。同样，由于合成纤维相对较长，这些纤维网通常具有足够的强度，施加泡沫黏合剂，喷雾或通过施胶压榨添加液体黏合剂等时也会保持完整的状态，从而在移动的筛网上保持完整。这样纸幅进入烘干部无接触热风干燥设备（或使用红外线干燥进行加温处理），开始实现纤维间黏合增强结合力，抄造出符合要求的特种纤维用纸。
(2）添加低熔点的可熔纤维（包括双组分纤维）。在制备过程中低熔点的可熔纤维与纤维浆料均匀混合，可熔黏合纤维（包括双组分纤维）的优点是具有足够的长度，以有效地桥接纤维网的主要结构。纤维之间，可以通过在中温下干燥纤维网来实现纤维与纤维之间的黏合。不同的聚合物在化学组成上足够相似，产生的黏合强度可以接近塑料的内聚强度，实现良好的黏合和尺寸稳定性的结合。
(3）在高性能芳纶纤维中使用沉析纤维、浆粕纤维。在芳纶产品的生产过程中，芳纶纤维可以在磨浆机内通过打浆工艺处理而产生纤维膜裂效果后，与使用沉析纤维、浆粕等湿法成网抄造成纸。通过特定的芳纶热压机在规定的温度与压力下热压处理，进一步增强结合力，从而生产出符合耐温与绝缘性能指标的芳纶产品。
(4）在操作的湿端加入黏合剂（通过湿强剂、阳离子胶乳、聚电解质络合物等辅助），增加纤维结合力，提高成品强度。
(5）湿法成网织物的内聚力也可以利用水刺设备通过水力缠结来实现。在湿法成网成形中，湿纸幅内的纤维可以重新取向以改善机械性能。水刺法通常用于机械黏合非织造物中的纤维并赋予改善的物理性能，例如柔软的手感和悬垂性。湿法成网生产中的水力缠结是通过使新形成的纤维毡经受大量细小水流的作用，使纤维彼此缠结。该方法用于通过增强的纤维间黏结来改善机械性能，水刺工艺要求以及产品的应用工艺中的产品多为可冲散纸巾和皮革产品。
3 纸基功能材料的开发及应用趋势
随着短切合成纤维与湿法成网的技术进步，一些合成纤维被应用于纸基功能材料生产中，主要发挥出以下性能：（1）较高的物理强度和可加工的机械性能；（2）耐温性与尺寸的稳定性；（3）导电性与阻燃性能；（4）轻量化与较高的松厚度；（5）多孔结构与过滤性能等。
随着高新技术领域的发展，未来合成纤维纸基功能材料产品的开发会越来越多，其应用趋势有如下特点：
3.1开发更轻更薄的特色纸基功能过滤材料
随着合成纤维差异化的发展，利用湿法成网相较于其他非织造工艺更适合生产低定量多孔的轻型材料，细旦纤维和合成纤维组合能够产生更致密的纤网结构与多孔结构，提高过滤精度，满足过滤与分离相关行业的需求，包括液相与气相分离等。纸基功能材料应用于新能源电池隔膜、碳纤维气体扩散层等领域可提高电池的性能，也逐渐成为开发发展的方向。
3.2配合高性能纤维的特点开发特种纸基功能材料——纤维增强轻质材料产品高性能芳纶、聚酰亚胺、碳纤维等合成纤维具有良好的耐热性、热稳定性，经过处理在湿法成网的情况下加工成纸基功能材料的基材，能显著提高产品的均匀性，配合其高强度、高模量，从而进一步提升产品性能。达到显著提质降重目的，满足飞机、高铁等新兴行业的零部件和结构材料，以及汽车产业的刹车垫片等增强材料。
3.3开发纸基功能材料产品的多种特殊功能
例如，阻燃、绝缘、过滤、耐高温性、耐化学腐蚀性等，包括耐摩擦刹车片材料、高性能密封材料、电机绝缘或导电材料；隔热和导热材料等。
