作者：郑晓敏
国产芳纶纸强度处于中低端水平，不能满足高端领域的使用要求，主要表现在纸张力学性能和介电性能较低。课题组前期开展了关于纳米Si02增强芳纶纸力学性能方面的探究实验，发现无机纳米粒子与芳纶纤维间的相容性差，影响纳米效应的发挥。目前，纳米Si02表面改性的方法主要有3 种：硅烷偶联剂改性法、钛酸酯偶联剂改性法及聚合物包覆法，其中硅烷偶联剂是最具代表性的偶联剂，对表面含有羟基的无机粒子改性效果非常好，非常适合纳米Si02的表面改性。本实验采用硅烷偶联剂对纳米Si02表面进行改性，原因是硅烷偶联剂水解后能与纳米粒子表面的羟基作用，使偶联剂一端与纳米粒子相连，另一端与有机基体相连。但存在的问题是硅烷偶联剂水解后产物自身会发生缩合反应，从而影响硅烷偶联剂与纳米Si02表面羟基的作用，降低了偶联效能，最终影响改性纳米Si02的效果。
为了解决硅烷偶联剂水解后产物自身发生缩合反应的问题，本实验采用甲苯作为溶剂，在无水环境下用硅烷偶联剂KH-550对纳米Si02表面进行改性，并检测改性后纳米Si02粒径的大小，研究不同配比下改性纳米Si02的添加对芳纶纸抗张强度、紧度等力学性能的影响，并观察改性纳米Si02芳纶纸的表观形貌，探讨添加纳米Si02前后对芳纶纸抗张和介电强度的影响。
1实验
1.1实验原料及仪器
原料：芳纶1313短切纤维(4 ~6 mm)，芳纶1313浆粕(0.2～4 mm)，国产；纳米Si02粉体，广州万景有限公司提供；十二烷基苯磺酸钠，天津市福晨化学试剂厂提供；硅烷偶联剂KH-550，国产，分析纯。
仪器：BILON-1200Y超声细胞粉碎机；ZetasizerNANO-ZS90纳米粒度表面电位分析仪；ZQSJl-B-Ⅱ型纸页成型器；XLB-D/O. 50MN平板硫化机；S4800扫描电子显微镜；SE064抗张强度仪；CS2672D全数显耐压测试仪。
1.2纳米Si02表面改性
称5g纳米Si02粉体，吸取一定量硅烷偶联剂KH-550共同分散于150 m L甲苯中，水浴加热，搅拌4h后停止反应并冷却，13000 r/min离心，沉淀物用乙醇清洗数次，以除掉未反应的偶联剂，烘干，制得改性纳米Si02，备用。表1为纳米Si02与硅烷偶联剂KH-550的配比表。
13改性纳米Si02分散液的制备
将改性纳米Si02加入去离子水中制成悬浮液，加入用量2%的十二烷基苯磺酸钠溶液，采用超声波细胞粉碎机对纳米Si02悬浮液进行超声分散处理，分散浓度0. 1%、超声时间30 min、超声功率400 W。
1.4改性纳米Si02粒径检测
采用Zetasizer NANO-ZS90型纳米粒度表面电位分析仪对改性前后的纳米Si02分散液的平均粒径进行检测。
1.5 添加改性纳米Si02芳纶纸的制备
采用湿法抄纸的方法，将芳纶1313短切纤维与芳纶1313浆粕按4:6配比混合，利用标准分散器疏解后，加入一定量改性纳米Si02分散液，继续疏解，于成型器内脱水成形，经湿压榨脱水，在(105±2)℃下干燥，制得定量为100g／m2的芳纶纸；将干燥后的纸张在平板硫化机上进行热压处理，预热时间20 s，热压时间1.5 min，热压压力15 M Pa，热压温度260℃。
1.6 改性纳米Si02芳纶纸性能与形态分析
1. 6.1性能
主要分析4种不同配比下(1#、2#、3#、4#)改性纳米Si02的添加对芳纶纸的抗张强度、伸长率、紧度和介电强度等性能的影响。
1.6.2形态分析
对芳纶纸进行表面喷金处理，采用扫描电镜(SEM)观察芳纶纸表面改性纳米Si02的分散和留着情况。
2结果与讨论
2.1改性纳米Si02粒径
对4种不同配比下改性纳米Si02分散液的粒径进行检测，结果见图1。从图1可发现，改性后纳米Si021#~4#试样的平均粒径分别为380.8、370.2、317.0和276.9 nm。
由图1可知，4种不同配比下改性纳米Si02粒径主要分布在100～500 nm之间，当硅烷偶联剂KH-550用量在一定范围内变化时，随着其用量的增加，改性纳米Si02平均粒径呈减小趋势，可能原因是纳米Si02表面与偶联剂一端产生分子间作用力，减少了纳米Si02粒子间的团聚现象，使改性后的纳米Si02平均粒径有所减小。
2.2改性纳米Si02的添加量对芳
纶纸性能的影响
2. 2.1对芳纶纸抗张强度的影响
图2为4种配比改性纳米Si02添加量对芳纶纸抗张指数的影响。从图2可见，4种配比下改性纳米Si02芳纶纸的抗张指数随改性纳米Si02添加量的增加，呈现先增加后减小的趋势。原因是改性纳米Si02与芳纶纤维间产生物理或化学作用，一定程度上增强了纳米Si02与芳纶纤维间的界面黏结作用，因而抗张强度有所提高。当添加量超过一定值时，纳米粒子间聚集成团，导致纸张强度下降。
由图2可知，添加不同配比改性纳米Si02芳纶纸的抗张指数，随着偶联剂用量的增加，呈现先增加后减少的趋势。这是因为纳米Si02粒子表面均匀地包裹一层偶联剂，在纳米Si02与芳纶纤维间形成的“桥梁”，将无机粒子与有机分子连接，纳米Si02与芳纶纤维间形成完整的界面，从而提高了整个纸张体系的抗张强度。当纳米Si02表面均匀包裹一层偶联剂时，再加入过多的偶联剂，会造成偶联剂在纳米Si02表面的局部富集。此时，芳纶纸的抗张强度不仅取决于Si02 -偶联剂、偶联剂一芳纶基体，还会受偶联剂自身分子间结合力的影响，造成纸张抗张强度出现下降的趋势。实验发现，当采用3#改性纳米Si02，添加量为5 %时，芳纶纸的抗张指数最大为51.0 N- m/g，比未添加改性纳米Si02芳纶纸提高了66. 2%。
2.2.2对芳纶纸伸长率的影响
图3为4种配比改性纳米Si02添加量对芳纶纸伸长率的影响。从图3可见，4种不同配比下改性纳米Si02芳纶纸的伸长率，随改性纳米Si02添加量的增加呈先上升后下降的趋势。同时，纸张的伸长率随偶联剂用量的增加也呈先上升后下降的趋势，与抗张强度变化趋势一致。
2.2.3对芳纶纸紧度的影响
图4为4种配比改性纳米Si02添加量对芳纶纸紧度的影响。从图4可见，4种不同配比改性纳米Si02添加到芳纶纸中对其紧度影响不明显，紧度主要分布在0. 50~0.63/m3范围。原因可能是芳纶纸制备过程中在260℃、15 M Pa热压条件下，芳纶纤维因高压挤压被压实，减少了纤维间的空隙或空隙消失，因此纸张的紧度变化趋于平缓。
综合分析，采用添加量为5%的3#改性纳米Si02时，对芳纶纸综合性能较好。
2.3 改性与未改性纳米Si02添加与否的芳纶纸对比
将未添加纳米Si02、添加未改性纳米Si02、添加3#改性纳米Si02的芳纶纸的抗张强度和介电强度进行对比，结果如图5所示。
本课题组前期已经做过纳米Si02添加到芳纶纸中的实验，结果发现在纳米Si02添加量为15%时,芳纶纸的综合性能较未添加纳米Si02芳纶纸的性能要好，其抗张指数和介电强度达到最大分别为48．7 N-m/g和11. 87 kV/mm。所以实验分别取纳米Si02和改性纳米Si02的两个最优含量进行对比，实验结果见图5。
由图5可知，添加改性纳米Si02芳纶纸较未添加纳米Si02芳纶纸和添加未改性纳米Si02芳纶纸的抗张强度和介电强度都大，原因可能是改性纳米Si02表面连接有硅烷偶联剂，而硅烷偶联剂水解后表面形成部分-OH与芳纶纤维分子中的C-0形成氢键作用，因而将纳米Si02与芳纶纤维有效地连接起来，使纳米Si02与芳纶纤维间的相容性得到改善，兰一步提高了纸张的抗张强度与介电强度。
2.4改性纳米Si02芳纶纸的表面形貌观察
为探究改性纳米Si02在芳纶纸中的分散及留着情况，现对采用3#改性纳米Si02添加量为15%的芳纶纸进行SEM观察，结果如图6所示。
由图6 (a)可看出，改性纳米Si02在纸张中分布不均匀，纤维表面分布较少，而在纸张的褶皱处分专较多，说明改性纳米Si02主要填充在纸张的空隙中。对图6 (a)中褶皱处进行放大倍数观察，结果如图6 (b)和6(c)所示。由图6(b)和图6(c)可以看出，纸张空隙处分布有大量纳米Si02颗粒，清楚地看出改性纳米Si02粒子是通过分子间作用力絮聚在一起填充在纸张的褶皱处。
3结论
采用4种不同用量的硅烷偶联剂KH-550对纳Si02表面进行改性，检测改性纳米Si02粒径的大小，并研究改性Si02的添加量对芳纶纸性能的影响。
3.1 改性后纳米Si02的平均粒径随硅烷偶联剂KH-550用量的增加有所减小。
3.2当采用3#改性纳米Si02，添加量为5%时，芳纶纸的抗张强度最大比未添加改性纳米Si02芳纶纸的提高了66. 2%；偶联剂用量的增加对芳纶纸的伸长率产生一定的变化，对其紧度影响不明显。
3.3扫描电镜( SEM)观察结果表明，改性纳米Si02在纸张中的分布不均匀，并通过分子间作用力絮聚在一起填充在纸张的褶皱处；添加3#改性纳米Si02芳纶纸的抗张强度和介电强度相比未添加纳米Si02和添加未改性纳米Si02芳纶纸的抗张强度和介电强度均有所提高。
4摘要：采用4种不同用量的硅烷偶联剂KH-550对纳米Si02表面进行改性，并检测改性后纳米Si02粒径的大小；研究了改性后纳米Si02的添加量对芳纶纸性能的影响；通过扫描电镜(SEM)观察添加改性纳米Si02后芳纶纸的表观形貌，并将纳米Si02添加前后纸张抗张强度和介电强度进行了对比。结果表明，随着硅烷偶联剂用量的增加，改性纳米Si02的粒径有所减小；当纳米Si02与硅烷偶联剂KH-550配比为5 g:20 m L、改性纳米Si02添加量为5%时，芳纶纸的抗张强度提高了66. 2%，硅烷偶联剂用量的增加对纸张伸长率有一定影响，其紧度变化不明显；SEM图显示改性纳米Si02粒子填充在纸张空隙处利于纸张性能的增强；添加改性纳米Si02较未添加纳米Si02和添加未改性纳米Si02芳纶纸的抗张强度和介电强度均有所提高。
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