原纖化超細(xì)纖維特性表征方法的研究

原纖化超細(xì)纖維特性表征方法的研究

目前，國(guó)際上對(duì)細(xì)纖維沒有統(tǒng)一的定義。通常，直徑小于5m的纖維稱為細(xì)纖維。隨著現(xiàn)代纖維技術(shù)的迅速發(fā)展,超細(xì)纖維由于具有直徑小、比表面積大等優(yōu)良性能在信息、醫(yī)學(xué)、能源、環(huán)保、人體防護(hù)和衛(wèi)生保健等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前較為流行且實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的超細(xì)纖維生產(chǎn)技術(shù)有:直接紡絲法、復(fù)合紡絲法和共混紡絲法,此外還有靜電紡絲法、熔噴法和閃蒸法等。這些方法可以生產(chǎn)出直徑可控的超細(xì)纖維。原纖化是另一種制備超細(xì)纖維的重要方法。研究表明,PBO、PPTA、Lyocell、Tencell等具有較高的軸向取向度,微原纖間的橫向結(jié)合力較弱的纖維,在機(jī)械力的作用下容易發(fā)生軸向開裂產(chǎn)生豐富的原纖形成原纖化漿粕。漿粕中含有大量屬于超細(xì)纖維范疇的亞微米級(jí)原纖。原纖化超細(xì)纖維不僅直徑小而且具有特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu),在高精度過濾紙、材料增強(qiáng)等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大,對(duì)其特性進(jìn)行準(zhǔn)確表征具有重要意義。但是與紡絲法超細(xì)纖維不同,原纖化超細(xì)纖維是由各種尺寸不一、形態(tài)迥異的纖維組成的非均一體系,紡絲法超細(xì)纖維的表征方法不適合表征原纖化超細(xì)纖維。對(duì)于原纖化超細(xì)纖維的表征方法也還未見系統(tǒng)報(bào)導(dǎo)。本文以一種自制的PPTA漿粕為原料,通過篩分對(duì)其進(jìn)行分級(jí),得到性能變化規(guī)律可預(yù)見的5個(gè)不同級(jí)別的超細(xì)纖維,使性能表征方法的適用性研究更具系統(tǒng)性和判斷依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)纖維長(zhǎng)度、打漿度、比表面積和掃描電鏡照片4個(gè)表征方法的適用性進(jìn)行分析。1測(cè)試1.1試驗(yàn)原材料長(zhǎng)度為6mm,直徑為14μm的PPTA(聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺)纖維(日本帝人公司)。1.2纖維質(zhì)量的測(cè)定ZQS2-15槽式打漿機(jī)(陜西科技大學(xué)機(jī)械廠)、Bauer-McNett纖維篩分儀(美國(guó)紐約試驗(yàn)機(jī)股份有限公司)、KajaaniFS-300纖維質(zhì)量分析儀(芬蘭Mesto公司)、YO-2-18紙漿打漿度測(cè)定儀(四川省長(zhǎng)江造紙儀器有限公司)、ZEISS掃描電子顯微鏡(德國(guó)ZEISS公司)、Beckman-Ccoultersa3100比表面積分析儀(美國(guó)Beckman-Coulter公司)、快速凱賽法紙頁成型器(奧地利PTI公司)。1.3篩選漿料細(xì)度使用ZQS2-15槽式打漿機(jī)對(duì)PPTA纖維進(jìn)行打漿得到PPTA漿粕,然后使用Bauer-McNett纖維篩分儀篩分漿料。篩網(wǎng)的目數(shù)由上游到下游依次為30、50、100、200目(各目數(shù)篩網(wǎng)對(duì)應(yīng)的篩孔尺寸見表1),用400目的尼龍網(wǎng)收集各篩分池漿料。得到R30、30/50、50/100、100/200、P200(R表示“留”,P表示“過”)五個(gè)不同級(jí)別的超細(xì)纖維。1.4形態(tài)特性的測(cè)定(1)使用快速凱賽法紙頁成型器抄造定量為40g/m2的紙張。將成紙切片鍍金后使用ZEISS掃描電子顯微鏡觀察纖維的形態(tài)特性。(2)用KajaaniFS-300纖維質(zhì)量分析儀測(cè)量纖維的長(zhǎng)度。(3)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3332-2004進(jìn)行打漿度的測(cè)定。(4)采用BET法測(cè)定不同級(jí)別超細(xì)纖維的比表面積。將各級(jí)別超細(xì)纖維在100℃下烘至絕干,取少量放入儀器專用試管中直至蓋滿試管底部。在200℃的溫度下,通入氮?dú)忸A(yù)處理3h。然后進(jìn)行測(cè)量。2結(jié)果與討論2.1打漿前后的纖維形態(tài)變化將6mm長(zhǎng)的PPTA纖維使用ZQS2-15槽式打漿機(jī)進(jìn)行打漿。在打漿過程中,纖維受到剪切力、摩擦力等機(jī)械力的作用,發(fā)生橫向切斷、縱向劈裂的變化,得到PPTA原纖化超細(xì)纖維。打漿前后纖維形態(tài)的變化如圖1所示。可以看出,經(jīng)打漿制得的PPTA原纖化超細(xì)纖維中纖維的直徑從打漿前的14μm變?yōu)榇驖{后的幾十個(gè)納米到幾個(gè)微米不等。使用纖維篩分儀可以對(duì)其進(jìn)行一定程度的分級(jí)。隨著篩網(wǎng)目數(shù)的增加各級(jí)別的纖維尺寸逐漸變小,比表面積逐漸升高。篩分后各級(jí)別纖維的得率見表2。2.2纖維尺寸尺寸的影響由圖2所示的掃描電鏡照片可看出:不同級(jí)別的超細(xì)纖維符合隨著篩網(wǎng)目數(shù)的增加越來越細(xì)小的規(guī)律。大量的纖維主干被截留在100目篩網(wǎng)之前。R30、30/50、50/100三個(gè)級(jí)別中含有大量不同尺寸的纖維主干,100/200、P200兩個(gè)級(jí)別中無明顯的纖維主干,主要是從纖維主干上剝落的不同尺寸的亞微米級(jí)超細(xì)纖維。這些亞微米級(jí)超細(xì)纖維填充在由長(zhǎng)纖維交織組成的空穴網(wǎng)絡(luò)中,對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和性能造成一定影響。這是造成100/200、P200兩個(gè)級(jí)別的成紙結(jié)構(gòu)比R30、30/50、50/100三個(gè)級(jí)別致密的主要原因。實(shí)際應(yīng)用中電鏡照片也可為不同結(jié)構(gòu)需求的產(chǎn)品選擇原纖化超細(xì)纖維規(guī)格時(shí)提供直觀依據(jù)。2.3篩網(wǎng)目數(shù)對(duì)超細(xì)纖維細(xì)度的影響KajaaniFS-300纖維質(zhì)量分析儀是目前比較先進(jìn)的纖維長(zhǎng)度、寬度測(cè)量?jī)x,其長(zhǎng)度測(cè)量范圍為0.01-7.60mm,寬度的測(cè)量范圍為2-1000μm,而試驗(yàn)所采用的原纖化超細(xì)纖維中含有大量亞微米級(jí)的超細(xì)纖維,因此無法用其準(zhǔn)確測(cè)量纖維的寬度,僅用其測(cè)量長(zhǎng)度。由圖3可知,不同級(jí)別超細(xì)纖維的纖維長(zhǎng)度符合隨著篩網(wǎng)目數(shù)的增加逐漸降低的規(guī)律。其中R30級(jí)別的纖維長(zhǎng)度為P200級(jí)別的4.9倍。對(duì)比表1發(fā)現(xiàn),除了P200級(jí)別,各級(jí)別的纖維長(zhǎng)度大于相應(yīng)下游篩網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸。其原因主要在于篩分過程并非一個(gè)理想的過程,直挺的長(zhǎng)纖維只要直徑小于篩孔尺寸也可以通過較小的篩孔,直徑小于篩孔尺寸的短纖維也可以依附在高度原纖化的長(zhǎng)纖維上保留在較大的篩孔上。試驗(yàn)所用原纖化超細(xì)纖維中通過100目篩網(wǎng)的纖維基本上都是亞微米級(jí)的超細(xì)纖維,且長(zhǎng)度較短,所以比較容易處于與網(wǎng)孔垂直的狀態(tài)而穿過200目的篩網(wǎng)。長(zhǎng)度是表征纖維特性的一個(gè)重要參數(shù),同時(shí)纖維質(zhì)量分析儀KajaaniFS-300具有較寬的長(zhǎng)度測(cè)量范圍可以準(zhǔn)確地測(cè)量原纖化超細(xì)纖維的長(zhǎng)度,因此長(zhǎng)度這一特征參數(shù)也適用于表征原纖化超細(xì)纖維。2.4被打漿度測(cè)試情況打漿度用于綜合評(píng)價(jià)纖維的長(zhǎng)度和直徑,反應(yīng)漿料脫水的難易程度。對(duì)判斷漿料質(zhì)量具有重要意義。使用打漿度作為衡量漿粕性能的重要指標(biāo)也有報(bào)道,但是所用漿粕的打漿度較低。而實(shí)驗(yàn)所用原纖化超細(xì)纖維隨著篩網(wǎng)目數(shù)的增加細(xì)小纖維的含量越來越多,原纖化程度越來越高,從打漿度的測(cè)試原理來看對(duì)應(yīng)的打漿度應(yīng)該是越來越高。實(shí)際測(cè)量中,打漿度是否仍能準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行表征有待進(jìn)一步探討。不同級(jí)別超細(xì)纖維的打漿度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,打漿度的變化從R30級(jí)到100/200級(jí)符合逐漸增大的趨勢(shì),但是P200級(jí)的打漿度反而小于100/200級(jí)。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的主要原因在于:按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3332-2004制造的打漿度儀的篩網(wǎng)為80目銅網(wǎng),由于各級(jí)別中都保留了一部分尺寸小于80目篩網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸的超細(xì)纖維。這部分超細(xì)纖維在進(jìn)行打漿度的測(cè)試時(shí)較容易穿過打漿度儀的篩網(wǎng)。越細(xì)小的纖維通過打漿度儀篩網(wǎng)的可能性越大,在打漿度的測(cè)試過程中可以觀察到通過銅網(wǎng)流到讀數(shù)量筒中的懸浮液濃度逐漸變大,即細(xì)小纖維的流失越來越嚴(yán)重。尤其是P200級(jí)別,在測(cè)試過程中有大量的超細(xì)纖維通過打漿度儀的篩網(wǎng),這是導(dǎo)致P200級(jí)別的打漿度低于100/200級(jí)別的重要原因?？梢?對(duì)于原纖化程度越高的原纖化超細(xì)纖維,打漿度越難準(zhǔn)確地對(duì)其特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。2.5超細(xì)纖維尺寸的測(cè)定由圖5可知,不同級(jí)別超細(xì)纖維的比表面積符合隨著篩網(wǎng)目數(shù)的增加逐漸增大的規(guī)律。P200級(jí)別的比表面積是R30級(jí)別的1.5倍。由電鏡照片可以看出各級(jí)別中所含超細(xì)纖維尺寸的大小關(guān)系是:R30>30/50>50/100>100/200>P200。纖維的比表面積與纖維的直徑具有重要關(guān)系,所測(cè)級(jí)別中超細(xì)纖維的數(shù)量越多,尺寸越小,比表面積越大。比表面積本身也是評(píng)價(jià)纖維性能的重要參數(shù),對(duì)于材料的性能具有重要意義,因此比表面積是評(píng)價(jià)原纖化超細(xì)纖維非常有用的一個(gè)參數(shù)。3檢測(cè)結(jié)果分析(1)通過觀察篩分得到的5個(gè)不同級(jí)別超細(xì)纖維的電鏡照片可知,隨著篩網(wǎng)目數(shù)的增加,不同級(jí)別超細(xì)纖維的尺寸