芳纶纤维纸用分散剂及其制备方法和应用
文献发布时间：2023-06-19 16:04:54
技术领域
本发明涉及化学纤维纸制造技术领域，具体而言，涉及一种芳纶纤维纸用分散剂及其制备方法和应用。
背景技术
在纸张生产过程中，浆水悬浮液中的纤维有絮凝成团的趋势，使纤维不能均匀分散在水中，需要加入分散剂使得纤维均匀分散，不会发生过度絮凝，以保证纸张的匀度和强度。
芳纶纤维纸具有优异的耐高温、耐辐射、阻燃、电绝缘和化学稳定等性能，在安全防护、高温过滤、电气绝缘、结构材料等领域的应用越来越多，已成为军事、工业、科技等领域重要的基础材料。与其它化学纤维相比，芳纶纤维具有更强的疏水性，尤其是短纤，容易产生严重的絮凝团聚。在抄纸过程中机械搅拌的分散作用有限，且分散的纤维在滤水成形过程中又会产生新的絮聚，从而影响纸页的匀度和物理性能，因此需要加入特殊的分散剂来稳定浆水分散体系。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种芳纶纤维纸用分散剂及其制备方法和应用。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种芳纶纤维纸用分散剂，包括多元醇脂肪酸酯1～20wt％、脂肪醇聚氧乙烯醚1～20wt％、高分子环氧化物聚合物0.5～5wt％和溶剂50～97wt％。
在可选的实施方式中，高分子环氧化物聚合物包括环氧乙烷的高分子聚合物或环氧丙烷的高分子聚合物的任一种。
优选地，高分子环氧化物聚合物的分子量为300～800万，更优选为500～700万。
优选地，高分子环氧化物聚合物为环氧乙烷的高分子聚合物；更优选地，环氧乙烷的高分子聚合物为聚氧乙烯。
优选地，高分子环氧化物聚合物的添加量为1～3wt％。
在可选的实施方式中，多元醇脂肪酸酯为多元醇与脂肪酸的合成酯。
多元醇包括乙二醇、丙二醇、丙三醇或三羟甲基丙烷中的任一种，优选地，多元醇为乙二醇或三羟甲基丙烷。
脂肪酸包括碳原子数为C
合成脂包括单酯、双酯或三酯的任一种，优选地，合成脂为单酯。
优选地，多元醇脂肪酸酯的添加量为5～15wt％。
在可选的实施方式中，脂肪醇聚氧乙烯醚为脂肪醇与环氧乙烷的加成物。
脂肪醇包括碳原子数为C
环氧乙烷的单元数为5～50，优选为15～30。
优选地，脂肪醇聚氧乙烯醚的添加量为4～15wt％。
在可选的实施方式中，溶剂包括乙醇或去离子水的任一种。
优选地，溶剂为去离子水。
优选地，溶剂的添加量为70～90wt％。
在可选的实施方式中，还包括聚氧乙烯脂肪醇二元酸酯，聚氧乙烯脂肪醇二元酸酯的分子式为：
R
其中，R
m为3～30，优选为6～20；
二元酸为单一的有机酸或混合酸。
聚氧乙烯脂肪醇二元酸酯的添加量为0.5～5wt％，优选为1～2.5wt％。
第二方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的芳纶纤维纸用分散剂的制备方法，包括将多元醇脂肪酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、高分子环氧化物聚合物和聚氧乙烯脂肪醇二元酸酯按比例熔融混合，以得到混合溶液，再将混合溶液溶解在溶剂中。
在可选的实施方式中，熔融混合的温度为100～150℃。
在可选的实施方式中，混合溶液溶解在溶剂中包括在加热和搅拌的条件下，将混合溶液加入溶剂中。
其中，加热温度为＞80℃，混合溶液完全加入溶剂后搅拌时间为20～30min。
第三方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的芳纶纤维纸用分散剂在制备芳纶纤维纸中的应用，芳纶纤维纸用分散剂的添加量为芳纶纤维干重的0.01～0.4wt％。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种芳纶纤维纸用分散剂，通过加入高分子量聚合物作为分散剂的主要组分之一，聚合物长分子链在浆料悬浮液中伸展开，可阻止纤维表面相互接近，在纤维表面形成一层滑而不粘的水合膜，使浆料保持良好的悬浮性，达到优良的分散效果，有效促进了芳纶短切纤维在水中的分散，并有效解决了纤维原料不宜过长、打浆时间过长带来的纤维被切断、性能受损伤、泡沫量大、细小纤维含量高等问题，从而获得分散均匀的纤维浆料悬浮液，减少纤维在成型网上的滞留，提高了纤维浆料的均匀度和芳纶纤维纸的抗张强度和撕裂度，同时该分散剂具有良好的热解性，不会留在已干燥的纸页中而影响纤维的原有性能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
芳纶纤维是一种合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸、耐碱、重量轻等优良性能。其强度是钢丝的5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右。在560℃的高温下不分解、不融化，生命周期长，具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有极佳的应用前景。
但是与其它化学纤维相比，芳纶纤维具有更强的疏水性，尤其是短纤，容易产生严重的絮凝团聚。在抄纸过程中机械搅拌的分散作用有限，且分散的纤维在滤水成形过程中又会产生新的絮聚，从而影响纸页的匀度和物理性能，因此需要加入特殊的分散剂来稳定浆水分散体系。
第一方面，本发明提供一种芳纶纤维纸用分散剂，包括多元醇脂肪酸酯1～20wt％、脂肪醇聚氧乙烯醚1～20wt％、高分子环氧化物聚合物0.5～5wt％和溶剂50～97wt％。
通过加入高分子量聚合物作为分散剂的主要组分之一，聚合物长分子链在浆料悬浮液中伸展开，可阻止纤维表面相互接近，在纤维表面形成一层滑而不粘的水合膜，使浆料保持良好的悬浮性，达到优良的分散效果，有效促进了芳纶短切纤维在水中的分散，并有效解决了纤维原料不宜过长、打浆时间过长带来的纤维被切断、性能受损伤、泡沫量大、细小纤维含量高等问题，从而获得分散均匀的纤维浆料悬浮液，减少纤维在成型网上的滞留，提高了纤维浆料的均匀度和芳纶纤维纸的抗张强度和撕裂度，同时该分散剂具有良好的热解性，不会长时间停留在已干燥的纸页中，影响芳纶纤维的原有性能。
在可选的实施方式中，高分子环氧化物聚合物包括环氧乙烷的高分子聚合物或环氧丙烷的高分子聚合物的任一种。高分子环氧化物聚合物由于其分子链较长，在纸浆悬浮液中呈胶体状溶液，展开时可以阻止纸纤维团聚，使得芳纶短切纤维能够分散在胶体溶液中。
优选地，为了保证芳纶短切纤维较佳的分散效果，高分子环氧化物聚合物的分子量为300～800万，更优选为500～700万。例如，高分子环氧化物聚合物的分子量可以为300万、400万、500万、550万、600万、650万、700万或800万。
优选地，高分子环氧化物聚合物为环氧乙烷的高分子聚合物；更优选地，环氧乙烷的高分子聚合物为聚氧乙烯。
优选地，为保证较佳的分散效果，防止高分子环氧化物聚合物的添加量过低，导致芳纶纤维无法较佳地分散，影响纸张的均匀度，同时提高芳纶纤维纸的抗张强度和撕裂度，高分子环氧化物聚合物的添加量为1～3wt％。例如，高分子环氧化物聚合物的添加量可以是1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％或3wt％。
在可选的实施方式中，多元醇脂肪酸酯为多元醇与脂肪酸的合成酯。多元醇脂肪酸酯作为平滑剂添加，加入后能够平滑纸张，获得表面触感顺滑的纤维纸。
多元醇包括乙二醇、丙二醇、丙三醇或三羟甲基丙烷中的任一种，优选地，多元醇为乙二醇或三羟甲基丙烷。
脂肪酸包括碳原子数为C
合成脂包括单酯、双酯或三酯的任一种，优选地，合成脂为单酯。例如可以是乙二醇月桂酸双酯、丙三醇硬脂酸单酯等。
优选地，为了获得更佳的平滑效果，多元醇脂肪酸酯的添加量为5～15wt％。
在可选的实施方式中，脂肪醇聚氧乙烯醚为脂肪醇与环氧乙烷的加成物。脂肪醇聚氧乙烯醚作为乳化剂分散在上述分散剂溶液中，使原料组分形成均一的乳状液，降低了分散剂溶液中各组分的界面张力，配合高分子环氧化物聚合物的分散效果，避免了芳纶短切纤维的团聚，提高芳纶纤维纸的抗张强度和撕裂度。
脂肪醇包括碳原子数为C
环氧乙烷的单元数为5～50，优选为15～30。
优选地，为了保证分散剂的均匀分散，减少芳纶短切纤维的团聚，脂肪醇聚氧乙烯醚的添加量为4～15wt％。
在可选的实施方式中，溶剂包括乙醇或去离子水的任一种。
优选地，溶剂为去离子水。
优选地，溶剂的添加量为70～90wt％。
在可选的实施方式中，为了赋予芳纶纤维纸更佳的表面触感，原料中还包括聚氧乙烯脂肪醇二元酸酯，聚氧乙烯脂肪醇二元酸酯的分子式为：
R
其中，R
m为3～30，优选为6～20。可以理解的是，m即为聚氧乙烯的单元数，例如，在聚氧乙烯脂肪醇二元酸酯中，聚氧乙烯的单元数为3～30，优选为6～20。
二元酸为单一的有机酸或混合酸。
聚氧乙烯脂肪醇二元酸酯的添加量为0.5～5wt％，优选为1～2.5wt％。
第二方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的芳纶纤维纸用分散剂的制备方法，包括将多元醇脂肪酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、高分子环氧化物聚合物和聚氧乙烯脂肪醇二元酸酯按比例熔融混合，以得到混合溶液，再将混合溶液溶解在溶剂中。
在可选的实施方式中，熔融混合的温度为100～150℃。
在可选的实施方式中，混合溶液溶解在溶剂中包括在加热和搅拌的条件下，将混合溶液加入溶剂中。
其中，加热温度＞80℃，混合溶液完全加入溶剂后搅拌时间为20～30min，室温下得到白色膏状物。
第三方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的芳纶纤维纸用分散剂在制备芳纶纤维纸中的应用，芳纶纤维纸用分散剂的添加量以干纤维的质量为基准，一般为芳纶纤维干重的0.01～0.4wt％。
当分散剂的添加量低于上述范围时，芳纶纤维纸的抗张强度低，抗撕裂度低，纸张匀度低；当分散剂的添加量高于上述范围时，会使得纤维纸浆料体系的粘度快速增加，不仅限制了芳纶纤维在水中的运动自由度，还减少了纸业成形中浆料的滤水速度，增加滤水时间，使得浆料的分散性能下降，制成的纸张抗张强度和抗撕裂度反而下降。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种芳纶纤维纸用分散剂，包括：乙二醇月桂酸双酯5wt％，脂肪醇聚氧乙烯醚14wt％，聚氧乙烯4wt％，聚氧乙烯月桂醇醚丁二酸酯2wt％，水75wt％。
在本实施例中，脂肪醇聚氧乙烯醚中的脂肪醇为C14～20的混合脂肪醇，环氧乙烷的单元数为20；聚氧乙烯的分子量为400万；聚氧乙烯月桂醇醚丁二酸酯中聚氧乙烯的单元数为10。
其制备方法如下：
将乙二醇月桂酸双酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯和聚氧乙烯月桂醇醚丁二酸酯按上述比例熔融混合得到混合溶液，熔融混合的温度为100℃。
在加热温度85℃的条件下，不断搅拌溶剂，将混合溶液加入溶剂中，混合溶液完全加入后搅拌20min，室温下得到白色膏状物，即为本实施例提供的芳纶纤维纸用分散剂。
实施例2
本实施例提供了一种芳纶纤维纸用分散剂，包括：丙三醇硬脂酸单酯15wt％，脂肪醇聚氧乙烯醚10wt％，聚氧乙烯1.5wt％，聚氧乙烯丁醇醚丁二酸酯1wt％，水72.5wt％。
在本实施例中，脂肪醇聚氧乙烯醚中的脂肪醇为C12～18的混合脂肪醇，环氧乙烷的单元数为30；聚氧乙烯的分子量为700万；聚氧乙烯月桂醇醚丁二酸酯中聚氧乙烯的单元数为20。
其制备方法如下：
将丙三醇硬脂酸单酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯和聚氧乙烯丁醇醚丁二酸酯按上述比例熔融混合得到混合溶液，熔融混合的温度为115℃。
在加热温度85℃的条件下，不断搅拌溶剂，将混合溶液加入溶剂中，混合溶液完全加入后搅拌30min，室温下得到白色膏状物，即为本实施例提供的芳纶纤维纸用分散剂。
对比例1
本对比例提供一种芳纶纤维纸用分散剂，其原料和制备方法与实施例1相同，区别仅在于该体系中分子量为400万的聚氧乙烯0.5wt％，溶剂水的含量为78.5％。将各原料按比例在100℃下熔融混合后得到混合液，在加热温度85℃的条件下，将混合液加入溶剂中不断搅拌，完全加入后搅拌20min，室温下得到白色膏状物。
试验例1
使用实施例1～2和对比例1制备得到的芳纶纤维纸用分散剂处理芳纶1414短切纤维(长度5mm，直径15μm)，抄片定量为40g/m
表1实施例1的分散剂处理的芳纶纤维纸的性能
表2实施例2的分散剂处理的芳纶纤维纸的性能
表3对比例1的分散剂处理的芳纶纤维纸的性能
本发明提供的一种芳纶纤维纸用分散剂，其至少具有以下优点：
通过加入高分子量聚合物作为分散剂的主要组分之一，聚合物长分子链在浆料悬浮液中伸展开，可阻止纤维表面相互接近，在纤维表面形成一层滑而不粘的水合膜，使浆料保持良好的悬浮性，达到优良的分散效果，有效促进了芳纶短切纤维在水中的分散，并有效解决了纤维原料不宜过长、打浆时间过长带来的纤维被切断、性能受损伤、泡沫量大、细小纤维含量高等问题，从而获得分散均匀的纤维浆料悬浮液，减少纤维在成型网上的滞留，提高了材料均匀度及其性能，同时该分散剂具有良好的热解性，不会留在已干燥的纸页中而影响纤维的原有性能。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。