曹煜彤，朱俊强，张 浩，钱仲昊，王 倩

(中化高性能纤维材料有限公司，江苏 扬州 211400)

聚对苯二甲酰对苯二胺 (PPTA) 纤维即对位芳纶是20世纪60年代由美国杜邦公司发明并投入产业化的一种高性能纤维[1]。对位芳纶易形成高度取向的多重原纤结构，具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能[2-4]。

对位芳纶浆粕是20世纪80年代由美国杜邦公司首先开发出的一种高度分散性的原纤化的对位芳纶的差别化产品，同样具有强度高、尺寸稳定性好、耐高温、耐腐蚀、有韧性、收缩率小、耐磨性好、比表面积大、能很好地与其他物质结合等优点。比表面积和打浆度的大小对对位芳纶浆粕与填充料的结合乃至复合物料的强度有较大影响[5]，比表面积和打浆度越高，即原纤化程度越高，纤维分丝帚化越明显，抓附力越强，复合性能越好。对位芳纶浆粕的兴起主要是随着欧美地区开展禁止使用石棉的环境保护运动后，作为石棉的理想替代纤维而被广泛应用于橡胶增强、无石棉摩擦材料、蜂窝绝缘纸、高性能印刷电路板等[6]。

PPTA/浓硫酸(H2SO4)液晶纺丝、短切、原纤化法是杜邦公司最早应用且工业化的对位芳纶浆粕生产方法[7-8]，也是目前对位芳纶浆粕产品的主要生产方法，即将PPTA原料溶解于浓H2SO4中形成液晶态浆液，经干喷湿纺得到对位芳纶长丝，将长丝短切后分散在水中，通过叩解磨浆，使纤维分丝帚化后得到高度原纤化的对位芳纶浆粕。王曙中等[6]提出使用单磨盘磨机磨浆制备浆粕的方法，利用芳纶长丝或边角料为原料，通过单磨盘机械切割法进行磨浆、叩解、帚化，得到了纤维长度0.8～1.2 mm、比表面积5～12 m2/g的芳纶浆粕，但仅对短切纤维长度、分散液浓度和打浆时间做了分析，未对具体使用的磨盘类型、磨浆时间、磨浆方法及对应的浆粕性能做出探究，也未探究高原纤化型浆粕(比表面积大于12 m2/g)的制备工艺。因此，作者在借鉴单磨盘磨浆的基础上引入平面型和凹凸型2种磨盘混合使用，通过控制2种磨盘的磨浆时间及使用顺序，探究2种磨盘磨浆制备高原纤化型和普通型对位芳纶浆粕的工艺条件，并对浆粕的表面形态、纤维长度、肖氏打浆度和比表面积进行表征。

1 实验

1.1 主要原料及设备

对位芳纶短切纤维：长度6 mm，中化高性能纤维材料有限公司生产；纯水：分散剂，中化高性能纤维材料有限公司提供。

DSX-180 试验粉碎泵：配置凹凸型磨盘、平面型磨盘，南通富莱克流体装备有限公司制；S-4800扫描电子显微镜：日本日立公司制；PN-SDJ100 打浆度测试仪：杭州品享科技有限公司制；F-SORB2400 比表面积测试仪：北京金埃谱科技有限公司制；FS5 纤维长度测试仪：芬兰Valmet公司制。

1.2 实验方法

1.2.1 凹凸型磨盘磨浆

使用纯水，配置纤维质量分数1.5%的对位芳纶短切纤维分散液，将配置好的对位芳纶短切纤维分散液倒入凹凸型磨盘试验粉碎泵分别磨浆2，4，6，8，10 min，得到不同的对位芳纶浆粕，然后取出用于测试。

1.2.2 平面型磨盘磨浆

使用纯水，配置纤维质量分数1.5%的对位芳纶短切分散液，将配置好的对位芳纶短切纤维分散液倒入平面型磨盘试验粉碎泵分别磨浆30，40，50 min，得到不同的对位芳纶浆粕，然后取出用于测试。

1.2.3 凹凸型磨盘与平面型磨盘串联磨浆

(1)使用纯水，配置纤维质量分数1.5%的对位芳纶短切纤维分散液，将配置好的对位芳纶短切纤维分散液倒入试验粉碎泵，先使用凹凸型磨盘分别磨浆3 min和6 min，然后用平面磨盘分别磨浆10，20，30，40 min，得到不同的对位芳纶浆粕，然后取出用于测试。

(2)使用纯水，配置纤维质量分数1.5%的对位芳纶短切纤维分散液，将配置好的对位芳纶短切纤维分散液倒入试验粉碎泵，先用平面磨盘分别磨浆10，20，30，40 min，然后使用凹凸型磨盘分别磨浆3 min和6 min，得到不同的对位芳纶浆粕，然后取出用于测试。

1.3 分析与测试

表面形态：采用S-4800扫描电子显微镜(SEM)观察对位芳纶浆粕的表面形态，放大倍数分别为2 000和20 000。

肖氏打浆度：也称叩解度，用肖伯尔-瑞格勒值表示。通过测试浆粕悬浮液的滤水速率，反映浆料脱水难易程度(滤水性)，能综合反映纤维被切断、润涨、分丝帚化、细纤维化程度。参照GB/T 3332—2004《纸浆 打浆度的测定(肖伯尔-瑞格勒法)》，取2 g绝干浆粕试样，并加入1 000 mL蒸馏水，使用PN-SDJ100打浆度测试仪测试浆粕的打浆度。

比表面积：参照GB/T 19587—2017《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》，取对位芳纶浆粕0.5 g，于105 ℃下干燥2 h后，采用气体吸附BET法，使用F-SORB2400比表面积测试仪测定浆粕的比表面积。

纤维长度：按照GB/T 29779—2013 《纸浆 纤维长度的测定 非偏振光法》，取15 mg绝干浆粕分散在500 mL去离子水中，采用FS5纤维长度测试仪测定浆粕的纤维长度。

2 结果与讨论

2.1 凹凸型磨盘磨浆时间对浆粕性能的影响

从表1可知，随着磨浆时间的增加，浆粕的纤维长度变短，打浆度上升，比表面积增大。由图1可见：磨浆时间在5 min以内，浆粕的纤维长度下降比例与比表面积上升比例近似，说明此时比表面积增加的主要因素是由于纤维被切碎；而磨浆时间达5 min后，浆粕的纤维长度变化较小，足够细碎的纤维在磨盘之间剪切作用减弱，故比表面积增大速率也趋于平缓。实验表明，在短切纤维分散液质量分数为1.5%的情况下，使用凹凸型磨盘磨浆4 min，浆粕性能最佳，可快速将浆粕的纤维长度控制在0.8 mm左右，同时比表面积达到7 m2/g左右，是普通芳纶长丝的10倍以上，已具有较强的抓附力[9]。

表1 凹凸型磨盘制备的浆粕性能随磨浆时间的变化Tab.1 Variation of pulp properties with grinding time using concave convex grinding plate

图1 磨浆时间对浆粕的纤维长度及比表面积的影响Fig.1 Effect of grinding time on fiber length and specific surface area of pulp

2.2 平面型磨盘磨浆时间对浆粕性能的影响

平面磨盘剪切力较小，故通常选择磨浆时间较长。从表2可以看出，随着磨浆时间的增加，浆粕的纤维长度变短，打浆度升高，比表面积增加，与凹凸型磨盘的影响趋势一致。由于平面型磨盘的横向剪切力较弱，因此尽管经长时间磨浆，浆粕的纤维长度依然较长；同时，平面型磨盘的分丝帚化能力较强，长时间磨浆后可以在不损失纤维长度的情况下将纤维充分原纤化，从而尽可能增大浆粕的比表面积和打浆度。因此，单独使用平面磨盘制备浆粕，磨浆效率较低，除制备对纤维长度要求较高的浆粕外，不适用于通用型浆粕的制备。

表2 平面型磨盘制备的浆粕性能随磨浆时间的变化Tab.2 Variation of pulp properties with grinding time using plane grinding plate

2.3 串联磨盘磨浆时间对浆粕性能的影响

从表3和表4可以发现：同时使用平面型磨盘和凹凸型磨盘磨浆，磨浆时间越长，浆粕的纤维长度越短，比表面积越大，打浆度越高；在2种磨盘分别磨浆相同时间的情况下，即用凹凸型磨盘磨浆3 min、平面型磨盘磨浆10 min，先用凹凸型磨盘时浆粕的纤维长度明显短于先用平面型磨盘，这是因为先用凹凸型磨盘可快速横向切断纤维，使纤维长度变短，但若先使用平面型磨盘则会先将浆粕纤维分丝帚化，产生树型枝条结构，对纤维长度影响较小，再使用凹凸型磨盘则对纤维长度的影响也会减小。因此，在制备普通浆粕时，先使用凹凸型磨盘磨浆3 min，再使用平面型磨盘磨浆10 min，磨浆效率最高，且性能较优。高比表面积(大于12 m2/g)浆粕的制备主要取决于平面型磨盘磨浆时间，平面型磨盘长时间(大于30 min)磨浆可以将短切纤维充分原纤化，使其端部形成绒毛状；同时，比表面积的增大也会提升浆粕的打浆度，增加其保水能力及抓附力。因此，制备高打浆度(大于40 °SR)、高比表面积和较长纤维长度的高原纤化型对位芳纶浆粕应先使用平面型磨盘磨浆40 min，再使用凹凸型磨盘磨浆3 min，该方法可以在保证纤维长度的前提下，最大限度提升浆粕的打浆度和比表面积。

表3 平面型磨盘转凹凸型磨盘制备的浆粕性能随磨浆时间的变化Tab.3 Variation of pulp properties with grinding time using plane grinding plate to concave convex grinding plate

表4 凹凸型磨盘转平面型磨盘制备的浆粕性能随磨浆时间的变化Tab.4 Variation of pulp properties with grinding time using concave convex grinding plate to plane grinding plate

2.4 单一磨盘与串联磨盘的磨浆效果对比

从表5可以看出：以平面型磨盘磨浆40 min为例，后经凹凸型磨盘磨浆3 min与不使用凹凸型磨盘磨浆对比，所得浆粕的纤维长度从1.85 mm下降到0.97 mm，比表面积从8.3 m2/g上升到12.56 m2/g，纤维长度下降与比表面积上升比例均在50%左右，打浆度提升超过100%，这是因为经凹凸型磨盘磨浆3 min，对短切纤维提供巨大的横向剪切力，迅速降低纤维长度，同时增加打浆度和比表面积，因此，长时间的平面型磨盘磨浆，剪切力弱，磨浆效率低，但配以短时间的凹凸型磨盘磨浆便可大幅度提升浆粕性能；以凹凸型磨盘磨浆3 min为例，后经平面型磨盘磨浆10 min和未经平面型磨盘磨浆所得浆粕的纤维长度分别为0.81 mm和0.86 mm，但比表面积和打浆度却差距很大，在经平面型磨盘磨浆10 min后浆粕的比表面积和打浆度分别为8.81 m2/g和26.0 °SR，而未经平面型磨盘磨浆所得浆的粕比表面积和打浆度分别为6.00 m2/g和16.7 °SR。凹凸型磨盘虽然可以快速将纤维细化，但却无法对纤维表面起到充分摩擦与分丝帚化效果，因此，长时间的凹凸型磨盘磨浆不能提升浆粕的比表面积和打浆度，但增加平面型磨盘磨浆可以明显提升比表面积和打浆度，且对纤维长度影响较小。

表5 不同磨浆工艺制备的浆粕性能对比Tab.5 Properties comparison of pulp prepared by different grinding processes

2.5 与市售浆粕的表面形态及性能对比

在制备浆粕的过程中，对位芳纶短切纤维在纯水中溶胀与磨盘研磨作用下，发生不同程度的切断、压溃、润胀和分丝现象，使纤维劈裂帚化形成分叉的树枝条结构[10]，浆粕的表面及端部都存在大量毛绒状微细纤维，这些纤维形态的变化对后期浆粕的使用性能起到了至关重要的作用。

不同磨浆条件下制备的对位芳纶浆粕与帝人公司及杜邦公司生产的对位芳纶浆粕的表面形态对比见图2。

图2 自制浆粕与市售浆粕表面的SEM照片Fig.2 Surface SEM images of self-made pulp and marketed pulp

从图2可以看出：在放大2 000倍的条件下，自制的2种浆粕即凹凸型磨盘磨浆3 min转平面型磨盘磨浆10 min所得浆粕(1#试样)、平面型磨盘磨浆40 min转凹凸型磨盘磨浆3 min所得浆粕(2#试样)与市售杜邦公司浆粕(1F982)和帝人公司浆粕(0501)在表面形态上类似，均已充分原纤化，并存在明显的主干纤维和大量的微细纤维，且纤维间分布较均匀，存在大量微孔结构，平面型磨盘磨浆40 min转凹凸型磨盘磨浆3 min所得浆粕尤为明显，其比表面积最大；在放大20 000倍的条件下，主干纤维上存在裂痕，纤维间交织紧密，层次感明显，增强了浆粕表面的粗糙度和抓附力。

从表6可知：凹凸型磨盘磨浆3 min转平面型磨盘磨浆10 min的浆粕(1#试样)与杜邦公司和帝人公司浆粕的性能相近；平面型磨盘磨浆40 min转凹凸型磨盘磨浆3 min的浆粕(2#试样)的打浆度和比表面积明显高于杜邦公司和帝人公司浆粕，性能更好。

表6 自制浆粕与市售浆粕性能对比Tab.6 Comparison of properties between self-made pulp and marketed pulp

2 结论

a.使用平面型磨盘磨浆，横向剪切作用力弱，制备的浆粕纤维平均长度较长，但打浆度与比表面积较大，磨浆效率低，除制备较长纤维长度的浆粕外，不建议单独使用。

b.使用凹凸型磨盘磨浆，剪切作用力明显，磨浆效率高，单独磨浆4 min可制备性能较好的普通型浆粕，但可控性较差，无法制备高比表面积浆粕。

c.同时使用凹凸型磨盘与平面型磨盘磨浆，制备的浆粕性能最佳，凹凸型磨盘可以快速高效地将纤维切短打散，同时平面型磨盘可以在不损失纤维长度的情况下有效地将纤维充分原纤化，提升浆粕的保水能力和抓附力，得到高原纤化对位芳纶浆粕。

d.先使用凹凸型磨盘磨浆3 min，再转平面型磨盘磨浆10 min，浆粕的纤维比表面积可达8.81 m2/g，纤维长度0.81 mm，打浆度26.0 °SR，与市售杜邦公司产品1F982的性能接近。

e.先使用平面型磨盘长时间磨浆再转凹凸型磨盘磨浆可制备高比表面积、高原纤化浆粕。平面型磨盘磨浆40 min转凹凸型磨盘磨浆3 min，浆粕的纤维比表面积可达12.56 m2/g，纤维长度0.97 mm，打浆度47.0 °SR，其性能远超杜邦公司产品1F982。