间位芳纶纤维悬浮液的屈服特性及其对成纸形态结构的影响机制研究

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间位芳纶纸基功能材料具有良好的阻燃性、电绝缘性、耐辐射性、热稳定性和化学稳定性等优异性能,因而在绝缘材料、蜂窝结构材料、电子材料等领域得到了广泛的应用。但是,间位芳纶纤维表面亲水性差且纤维较长,导致纤维在悬浮液中容易发生缠绕絮聚,严重影响成纸的匀度和强度,限制了芳纶纸基材料在高新技术领域的应用。因此,实现纤维高效分散与流送以及纸张均匀成形,是保证芳纶纸基功能材料具有优异性能亟需解决的关键问题。为此,论文对芳纶浆料悬浮液的流体动力学特性进行了研究。本文从流变学角度,分别研究了单一芳纶短切纤维和沉析纤维悬浮液及两者共混悬浮液的絮凝浓度、剪切和压缩屈服应力;同时通过湿法成形工艺,探索芳纶纤维悬浮液的屈服流变特性与成纸匀度间的关系。在此基础上,结合生产实际,进一步研究了分散剂聚氧化乙烯(PEO)对芳纶纤维悬浮液的屈服流变特性及其与成纸匀度关系的影响。此外,通过对间位芳纶纤维悬浮液的流态化测试,探索了悬浮液达到临界流态化的条件,研究了临界湍流雷诺数与悬浮液浓度、不同纤维配比的关系,定量计算了悬浮液的能量耗散因子,并探究了能量耗散因子与悬浮液剪切屈服应力间的关系。本文的主要研究结果如下:(1)单一间位芳纶短切纤维和沉析纤维悬浮液及两者共混悬浮液的凝结点在0.37~0.68 g/L之间,凝结集聚因子在2.66~35.90之间。悬浮液的压缩屈服应力随着浓度的增大而线性增大,即压缩屈服应力Py与悬浮液浓度C之间满足Py=a+bC的函数关系,a和b的值分别在-411.22~-80.78和127.69~1038.78之间。悬浮液的剪切屈服应力随着浓度的增大而指数式增大,并且剪切屈服应力τy与悬浮液浓度C之间满足τy=aCb的函数关系,a和b的值分别在0.54~1.42和1.31~1.64之间。除100%短切纤维悬浮液外,在同一浓度下,悬浮液的压缩屈服应力和剪切屈服应力均随着沉析纤维占比的增大而减小。间位芳纶纸匀度指数随悬浮液压缩屈服应力和剪切屈服应力的增大都逐渐减小,芳纶纸匀度指数Y与τy.Py值之间满足Y=18.85(τy·Py)-0.21的函数关系。悬浮液Froude数随着浓度的增大而减小最终趋于一个定值,在同一浓度下,悬浮液Froude数随着沉析纤维占比的增大而增大。(2)加入PEO后,沉析和短切纤维质量比为1:4和1:1的间位芳纶悬浮液的凝结点提高了 11%左右。悬浮液的压缩屈服应力仍然随着浓度的增大而线性增大,压缩屈服应力Py与悬浮液浓度C之间仍然满足Py=α+bC的函数关系,a和b的值分别在-223.47~-211.38和323.27~544.79之间。悬浮液的剪切屈服应力仍然随着浓度的增大而指数式增大,剪切屈服应力τy与悬浮液浓度C之间仍然满足τy=αCb的函数关系,a和b的值分别在0.70~1.22和1.39~1.79之间。在同一浓度下,悬浮液的压缩屈服应力和剪切屈服应力仍然随着沉析纤维占比的增大而减小。而且,加入PEO降低了沉析和短切纤维质量比为1:4和1:1时同一浓度下悬浮液的压缩屈服应力;降低了同一浓度下同一配比悬浮液的剪切屈服应力;改善了间位芳纶纸的匀度,成纸匀度指数仍然随着悬浮液压缩屈服应力和剪切屈服应力的增大而逐渐减小,芳纶纸匀度指数Y与τy.Py值之间满足Y=23.40(τy.Py)-0.15的函数关系。加入PEO后,悬浮液Froude数仍然随着浓度的增大而减小最终趋于一个定值;在同一浓度下,悬浮液Froude数仍然随着沉析纤维占比的增大而增大;同一配比同一浓度下加入PEO对悬浮液Froude数的影响不明显。(3)单一间位芳纶短切纤维和沉析纤维悬浮液及两者共混悬浮液的临界雷诺数随着浓度的增大而增大。悬浮液的能量耗散因子随着浓度的增大而指数式增大,并且能量耗散因子εF与悬浮液浓度C之间满足εF=αCb的函数关系,a和b的值分别在0.22~1.13和1.25~2.08之间。同一浓度下的临界雷诺数和能量耗散因子都是沉析和短切纤维质量比为1:1的悬浮液的最大,100%沉析纤维悬浮液的最小,而100%短切纤维悬浮液的介于两者之间。悬浮液的能量耗散因子随着τy2的增大而线性增大,能量耗散因子εF与τy2之间满足εF=a+bτy2的函数关系,a和b的值分别在0.13~1.07和0.07~0.39之间。
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