Бумага на основе арамида с улучшенными свойствами
Группа изобретений относится к бумаге на основе арамида, к сотовому заполнителю, выполненному из такой бумаги, и к применениям такой бумаги. При этом бумага на основе арамида содержит по меньшей мере 90 мас.% арамидного материала, содержащего по меньшей мере одно из арамидной крошки и фибрида арамида, которая содержит самое большее 40 мас.% арамидной волокнистой массы по общему количеству арамидного материала, причем бумага содержит 0,1-4,5 мас.% полиамидоаминоэпихлоргидрина (PAE). Технический результат: улучшение z-прочности и прочности на разрыв бумаги. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 табл.
Настоящее изобретение направлено на бумаги на основе арамида с улучшенными свойствами.
Арамидные бумаги известны своими привлекательными свойствами. Использование арамидного материала с высокой прочностью на разрыв позволяет получать бумаги с высокой прочностью и дополнительными привлекательными свойствами. Соответственно, арамидные бумаги находят применение во многих применениях.
Например, патентный документ WO2014079761 описывает бумагу для использования в применениях электрической изоляции, в частности в изолированных проводниках, которая содержит 40-80 мас.% фибрида арамида, 10-50 мас.% арамидной волокнистой массы и 10-50 мас.% арамидной крошки.
Патентный документ WO2015032678 описывает бумагу, подходящую для использования в качестве сепаратора в электрохимической ячейке, которая содержит по меньшей мере 60 мас.% фибрилл арамида и по меньшей мере 1 мас.% волокон арамида, имеющую граммаж 5-100 г/м2, в которой фибриллы арамида имеют канадский стандарт помола (CSF) во влажной фазе менее 300 мл и удельную площадь поверхности (SSA) после сушки менее 3 м2/г.
Патентный документ WO2012093047 описывает бумагу с граммажем 10-100 г/м2, содержащую по меньшей мере 20 мас.% микроволокон арамида и по меньшей мере 20 мас.% несмолистого связующего вещества, в которой микроволокна имеют среднюю длину в диапазоне 2-25 мм и титр менее 3 децитекс, а несмолистое связующее вещество содержит по меньшей мере одно из фибрида или волокнистой массы арамида. Эта бумага заявлена для использования в сепараторе, например в топливных ячейках, батареях или конденсаторах, для печатных монтажных плат, для сот, для упаковки, для электрической изоляции или в фильтрах.
В то время как арамидные бумаги являются привлекательными для многих применений, было найдено, что имеется необходимость в улучшении их свойств.
При обработке бумаги сматывание и разматывание являются важными стадиями, которые выполняются не только в процессе производства бумаги, но также и в процессе каландрирования и резки бумаги и во время изготовления конечного продукта. Во время стадий высокоскоростного сматывания и разматывания существует риск разрыва бумаги, особенно для относительно тонких бумаг. Это приводит не только к разрушению бумаги; это также прерывает обработку бумаги, которая должна быть остановлена, а затем повторно запущена. Следовательно, увеличенная прочность на разрыв приведет к улучшенной обработке бумаги.
В некоторых применениях и обрабатывающих стадиях важной является прочность бумаги в направлении по оси Z, то есть перпендикулярно к поверхности бумаги. Например, когда арамидные бумаги преобразуются в трехмерные продукты, такие как заполнители для слоистых конструкций, например соты, складчатые заполнители, гофрированные заполнители (также известные как гофрокартоны) и др., бумага также подвергается напряжению в направлении по оси Z. Если z-прочность бумаги будет недостаточной, она может расслоиться. Соответственно, особенно для тех применений, в которых арамидные бумаги преобразуются в трехмерные продукты, например заполнители для слоистых конструкций, таких как соты, складчатые заполнители или гофрированные заполнители, желательно обеспечить бумагу с улучшенной z-прочностью.
Настоящее изобретение предлагает бумагу на основе арамида с улучшенной z-прочностью и прочностью на разрыв. Настоящее изобретение относится к бумаге на основе арамида, содержащей по меньшей мере 90 мас.% арамидного материала, содержащего по меньшей мере одно из арамидной крошки и фибрида арамида, которая содержит самое большее 40 мас.% арамидной волокнистой массы по общему количеству арамидного материала, причем эта бумага содержит 0,1-10 мас.% полиамидоаминоэпихлоргидрина (PAE).
Было найдено, что включение 0,1-10 мас.% полиамидоаминоэпихлоргидрина (PAE) в бумагу на основе арамида, содержащую по меньшей мере 90 мас.% арамидного материала по массе бумаги, не включая PAE, где арамидный материал содержит по меньшей мере одно из арамидной крошки и фибрида арамида, и бумага содержит самое большее 40 мас.% арамидной волокнистой массы, приводит к неожиданному улучшению z-прочности и прочности на разрыв бумаги.
Дополнительные преимущества настоящего изобретения и его конкретных вариантов осуществления станут очевидными из дальнейшего описания.
Следует отметить, что, как известно специалисту, нет прямой зависимости между z-прочностью, прочностью на разрыв и прочностью при растяжении бумаги. Это будет объяснено ниже. Во-первых, направления сил, применяемых для измерения этих параметров, отличаются друг от друга. Для прочности при растяжении измерительная сила прикладывается параллельно оси x или y бумаги (в зависимости от того, измеряется ли прочность при растяжении в продольном или поперечном направлении). В отличие от этого, для z-прочности измерительная сила прикладывается перпендикулярно к плоскости бумаги (в направлении оси Z). Для прочности на разрыв измерительная сила прикладывается под конкретным углом к плоскости бумаги или в направлении по оси Х или Y. Во-вторых, поскольку в бумаге волокна ориентируются главным образом в плоскости бумаги, а не в направлении по оси Z, ориентация волокон в бумаге влияет на z-прочность, прочность на разрыв и прочность при растяжении различным образом.
Это замечается, что в данной области техники известно использование PAE для улучшения индекса растяжения во влажном состоянии бумаги на основе целлюлозы. См., например, патентные документы WO2014087232 и US20150211182. Химические свойства целлюлозы и арамида сильно отличаются. Целлюлоза представляет собой реакционноспособный гидрофильный материал со значительным количеством гидроксильных групп и групп карбоновых кислот на поверхности. В отличие от этого, арамид является относительно инертным гидрофобным материалом без гидроксильных групп и с весьма ограниченным количеством групп карбоновых кислот. Следовательно, использование некоторого соединения в целлюлозной бумаге не позволяет делать никаких прогнозов относительно использования этой добавки в бумагах на основе арамида. Кроме того, как было указано выше, нет никакой непосредственной связи между прочностью при растяжении бумаги и ее z-прочностью и прочностью на разрыв.
Также следует отметить, что патентный документ WO2005/103376 описывает бумагу из смеси арамидов, содержащую 50-95 мас.% параарамидной волокнистой массы и 5-50 мас.% флока с начальным модулем упругости менее 3000 сН/децитекс. Суть изобретения, описанного в этом документе, состоит в том, что выбор флока с начальным модулем упругости ниже 3000 сН/децитекс позволяет изготавливать бумагу, которая может стабильно производиться на бумагоделательной машине типа Фурдринье, и которая может иметь жесткость, сопоставимую с жесткостью бумаги из м-арамида. Указывается, что бумага может необязательно содержать менее 20 мас.% полимерного связующего вещества для достижения более высокой прочности. Определение полимерного материала является широким, начиная от водорастворимых или диспергируемых полимеров, добавляемых непосредственно в дисперсию для изготовления бумаги, или термопластичных связующих волокон полимерного материала, смешанных с арамидными волокнами, которые активируются в качестве связующего при нагревании во время сушки или после дополнительного сжатия и/или термической обработки. Указывается, что предпочтительными материалами для водорастворимого или диспергируемого связующего полимера являются водорастворимые или диспергируемые в воде термореактивные смолы, такие как полиамидные смолы, эпоксидные смолы, фенольные смолы, полимочевины, полиуретаны, меламиноформальдегидные смолы, полиэстеры и алкидные смолы, и как правило предпочтение отдается водорастворимым полиамидным смолам, типичным для бумажной промышленности. Указывается, что также можно использовать водные растворы и дисперсии неотвержденных полимеров (поли(виниловый спирт), поли(винилацетат) и т.д.). Термопластичный связующий флок может быть изготовлен из таких полимеров, как поли(виниловый спирт), полипропилен, полиэстер и т.п.
Таким образом, этот патентный документ раскрывает, среди множества других возможностей, использование водорастворимых полиамидных смол в качестве связующего, но раскрытие относится к бумаге, содержащей по меньшей мере 50 мас.% параарамидной волокнистой массы. Кроме того, как было указано выше, нет никакой непосредственной связи между прочностью при растяжении бумаги и ее z-прочностью и прочностью на разрыв.
Настоящее изобретение будет более подробно обсуждено ниже.
Бумага по настоящему изобретению представляет собой бумагу на основе арамида. В контексте настоящего описания бумага на основе арамида представляет собой бумагу, которая содержит по меньшей мере 90 мас.% арамидного материала по суммарной массе сухих компонентов бумаги, не включая PAE. Может быть предпочтительным, чтобы бумага содержала по меньшей мере 95 мас.% арамидного материала, в частности по меньшей мере 98 мас.% арамидного материала. Арамидный материал относится к волокнистой массе, крошке (также обозначаемой как флок), фибриду и фибриллам.
В контексте настоящего описания арамид относится к ароматическому полиамиду, который является конденсационным полимером ароматического диамина и галоидного соединения ароматической дикарбоновой кислоты. Арамиды могут существовать в мета- и пара-форме, обе из которых могут использоваться в настоящем изобретении. Использование арамида, в котором по меньшей мере 85% связей между ароматическими функциональными группами являются параарамидными связями, считается предпочтительным. В качестве типичных членов этой группы упоминаются поли(парафенилентерефталамид), поли(4,4'-бензанилидтерефталамид), поли(амид парафенилен-4,4'-бифенилендикарбоновой кислоты) и поли(амид парафенилен-2,6-нафталиндикарбоновой кислоты) или сополи(парафенилен/3,4'-диоксидифенилентерефталамид). Использование арамида, в котором по меньшей мере 90%, и более конкретно по меньшей мере 95% связей между ароматическими функциональными группами являются параарамидными связями, считается предпочтительным.
Использование поли(парафенилентерефталамида), также обозначаемого как PPTA, является особенно предпочтительным. Это относится ко всем компонентам арамида, присутствующим в бумаге в соответствии с настоящим изобретением, если явно не указано иное.
Бумага в соответствии с настоящим изобретением содержит 0,1-10 мас.% полиамидоаминоэпихлоргидрина (PAE). Полимеры полиамидоаминоэпихлоргидрина (PAE) известны в данной области техники и не требуют дополнительного разъяснения. Они обычно получаются путем полимеризации дикарбоновой кислоты с полиалкиленполиамином для того, чтобы сформировать основную цепь полиамидоамина, содержащую группы вторичного амина. Группы вторичного амина реагируют с эпихлоргидрином, образуя третичные амины и соли четвертичного аммониевого основания, что приводит к формированию азетидиновых колец. Азетидиновое кольцо рассматривается как активный компонент PAE, потому что оно может раскрываться и образовывать поперечные связи. Смолы PAE коммерчески доступны, среди прочего, от компании Solenis под торговой маркой Kymene. Смола PAE обычно имеет среднюю молекулярную массу по меньшей мере 10000 г/моль, например в диапазоне 50000-2000000 г/моль.
Количество смолы PAE в бумаге обычно составляет 0,1-10 мас.% по сухой массе бумаги. Если количество смолы PAE будет ниже 0,1 мас.%, то выгодного эффекта улучшения прочности на разрыв и z-прочности не будет получен. Может быть предпочтительным, чтобы количество PAE составляло по меньшей мере 0,5 мас.%, и в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере 1 мас.%. Если количество смолы PAE будет выше 10 мас.%, никакое дополнительного улучшения прочности на разрыв и z-прочности не получится, в то время как другие свойства бумаги могут ухудшиться. Может быть предпочтительным, чтобы количество смолы PAE в бумаге составляло самое большее 8 мас.%, в частности самое большее 5 мас.%, и в некоторых вариантах осуществления самое большее 4,5 мас.%, самое большее 4,0 мас.% или самое большее 3 мас.%. Верхний предел, равный 2 мас.%, также может быть предпочтительным.
Как будет обсуждено ниже, смола PAE может быть добавлена к бумаге во время процесса производства бумаги или после того, как бумага была произведена. Смолу PAE обычно наносят в водной среде. Чтобы получить желаемое количество PAE в окончательной бумаге, необходимо принять во внимание, что не весь PAE, добавленный в систему, может оказаться в бумаге. Следовательно, количество PAE, добавляемого к бумаге во время производства, может составлять 100-400% от количества PAE в окончательной бумаге, в зависимости от степени удержания.
Бумага на основе арамида по настоящему изобретению содержит арамидный материал арамидный материал, включающий в себя по меньшей мере одно из фибрида арамида и арамидной крошки. В контексте настоящего описания, и как это принято в данной области техники, арамид относится к ароматическому полиамиду, который является конденсационным полимером ароматического диамина и галоидного соединения ароматической дикарбоновой кислоты. Арамиды могут существовать в мета- и пара-форме, обе из которых могут использоваться в настоящем изобретении.
Может быть предпочтительным, чтобы арамид в бумаге в соответствии с настоящим изобретением состоял по меньшей мере на 10 мас.% из параарамида для того, чтобы гарантировать адекватную размерную стабильность. Это может быть достигнуто, например, путем использования метаарамидной крошки в комбинации с фибридом параарамида, параарамидной крошки в комбинации с фибридом метаарамида, смеси мета- и параарамидной крошки в комбинации с фибридом метаарамида или фибридом параарамида, или в любой другой комбинации. В одном варианте осуществления арамид в бумаге в соответствии с настоящим изобретением состоит по меньшей мере на 20 мас.% из параарамида, в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере на 40 мас.%, и в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере на 60 мас.% или по меньшей мере на 80 мас.%.
Арамидная крошка, также упоминаемая как арамидный флок, известна в данной области техники. Она обычно получается путем резки волокон арамида на желаемую длину, обычно в диапазоне 0,5-25 мм. В одном предпочтительном варианте осуществления средняя длина составляет по меньшей мере 2 мм, в частности по меньшей мере 3 мм. В некоторых вариантах осуществления она может составлять по меньшей мере 4 мм. Средняя длина микроволокон предпочтительно составляет самое большее 15 мм, и в одном варианте осуществления самое большее 10 мм.
Эта крошка обычно имеет титр в диапазоне 0,05-5 децитекс. Было найдено, что крошка с титрами ниже 0,05 децитекс является трудной для обработки. Крошка с титром выше 5 децитекс может привести к бумаге с менее привлекательными свойствами. Может быть предпочтительным, чтобы крошка имела титр по меньшей мере 0,3 децитекс, в частности по меньшей мере 0,4 децитекс, в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере 0,5 децитекс и/или самое большее 3 децитекс, в частности самое большее 2 децитекс.
Крошка может быть параарамидной крошкой, метаарамидной крошкой, или смесью мета- и параарамидной крошки. Использование параарамидной крошки считается предпочтительным.
Предпочтительно, чтобы бумага в соответствии с настоящим изобретением содержала по меньшей мере 5 мас.% арамидной крошки, в частности параарамидной крошки, в частности по меньшей мере 10 мас.% по сухой массе бумаги, не включая PAE.
В контексте настоящего описания термин «фибрид арамида» относится к малым, негранулированным, нежестким пленочным частицам. Пленочные частицы фибрида имеют два из своих трех измерений порядка микрона, а третье - менее 1 микрона. В одном варианте осуществления фибриды, используемые в настоящем изобретении, имеют среднюю длину в диапазоне 0,2-2 мм, среднюю ширину в диапазоне 10-500 мкм, и среднюю толщину в диапазоне 0,001-1 мкм.
В одном варианте осуществления фибрид арамида содержит менее 40%, предпочтительно менее 30% крошки, которая определяется как частицы, имеющие средневзвешенную длину (LL) менее 250 мкм.
Фибриды метаарамида могут быть получены, например, путем сдвигового осаждения растворов полимера в коагулирующих жидкостях, как известно из патента US № 2999788. Фибриды полностью ароматических полиамидов (арамидов) также известны из патента US № 3756908, который раскрывает процесс для приготовления фибридов поли(метафениленизофталамида) (MPD-I). Фибриды параарамида могут быть получены, например, с помощью высокосдвиговых процессов, таких как, например, описанные в патентном документе WО2005/059247, которые также называются фибридами струйного прядения.
Если фибриды арамида используются в настоящем изобретении, они могут быть фибридами параарамида, фибридами метаарамида или их комбинацией. Предпочтительно, чтобы фибрид арамида был фибридом параарамида. Наиболее подходящие бумаги были сделаны из фибрида параарамида со значением степени помола по Шопперу-Риглеру (SR) от 50 до 90, предпочтительно от 75 до 85. Эти фибриды предпочтительно имеют удельную площадь поверхности (SSA) меньше чем 10 м2/г, более предпочтительно от 0,5 до 10 м2/г, и наиболее предпочтительно от 1 до 4 м2/г.
В одном варианте осуществления используются фибриды со значением LL0,25 по меньшей мере 0,3 мм, в частности по меньшей мере 0,5 мм, и более конкретно по меньшей мере 0,7 мм. В одном варианте осуществления значение LL0,25 составляет самое большее 2 мм, более конкретно самое большее 1,5 мм, и еще более конкретно самое большее 1,2 мм. LL0,25 означает средневзвешенную по длине длину частиц фибрида, причем частицы с длиной менее 0,25 мм не принимаются во внимание.
При желании бумага по настоящему изобретению содержит фибриллы арамида, в частности фибриллы параарамида. Фибриллы арамида могут быть получены, например, путем прямого прядения из раствора, например как это описано в патентном документе WО2004/099476. В одном варианте осуществления фибриллы арамида имеют структурную нерегулярность, выраженную как разность в CSF (канадская стандартная степень помола) между не сушившимися фибриллами и высушенными фибриллами, по меньшей мере 100, предпочтительно по меньшей мере 150. В одном варианте осуществления используются фибриллы, имеющие во влажной фазе значение CSF меньше чем 300 мл, предпочтительно меньше чем 150 мл, и удельную поверхность (SSA) после сушки меньше чем 7 м2/г, предпочтительно меньше чем 1,5 м2/г, а также предпочтительно средневзвешенную длину для частиц, имеющих длину > 250 мкм (WL0,25) менее 1,2 мм, и более предпочтительно менее 1,0 мм. Подходящие фибриллы и способ их приготовления описаны, например, в патентном документе WO2005/059211.
Бумага по настоящему изобретению содержит самое большее 40 мас.% арамидной волокнистой массы, в частности параарамидной волокнистой массы, по общей массе арамидного материала. Это ограничение на содержание волокнистой массы гарантирует, что бумага содержит необходимые количества крошки и/или фибрида и/или фибрилл, как было определено выше. Может быть предпочтительным, чтобы бумага по настоящему изобретению содержала самое большее 35 мас.% арамидной волокнистой массы. В некоторых вариантах осуществления количество волокнистой массы может быть дополнительно ограничено, например, величиной самое большее 30 мас.%, или самое большее 20 мас.%, или самое большее 10 мас.%. Бумаги, не содержащие арамидную волокнистую массу, также рассматриваются в рамках настоящего изобретения.
В настоящем описании формулировка «арамидная волокнистая масса» относится к арамидному материалу, содержащему стержни диаметром порядка 5-50 микрон и длиной 0,5-6 мм с фибриллами, отходящими от стержня. Фибриллы представляют собой тонкие, похожие на волокна продолжения с диаметром, который обычно находится в субмикронном диапазоне. Арамидная волокнистая масса известна в данной области техники. Арамидная волокнистая масса может быть получена из волокон арамида, нарезанных в длину, например, на 0,5-6 мм, а затем подвергнутых стадии фибриллирования, на которой волокна раздираются, образуя фибриллы, независимо от того, прикреплены они или нет к более толстому стволу. Волокнистая масса этого типа может быть охарактеризована длиной, например, 0,5-6 мм и степенью помола по Шопперу-Риглеру 15-85. В некоторых вариантах осуществления эта волокнистая масса может иметь площадь поверхности 4-20 м2/г.
В одном варианте осуществления бумага в соответствии с настоящим изобретением имеет граммаж в диапазоне 5-1000 г/м2, и более конкретно в диапазоне 10-300 г/м2.
В одном варианте осуществления бумага имеет относительно низкий граммаж, так как для бумаги с низким граммажем улучшение прочности на разрыв может быть особенно важным. Соответственно, в одном варианте осуществления бумага имеет граммаж 5-100 г/м2, в частности 5-60 г/м2, в частности 5-40 г/м2. Это может быть особенно важным для бумаг, которые будут применяться в качестве сепаратора в батареях.
В другом варианте осуществления, где бумага должна применяться в производстве трехмерных продуктов для заполнителей, например, сот, складчатых заполнителей, гофрированных заполнителей и др., может быть предпочтительным, чтобы бумага имела граммаж в диапазоне 10-120 г/м2, в частности 20-100 г/м2.
В одном варианте осуществления бумага в соответствии с настоящим изобретением имеет толщину в диапазоне от 10 мкм до 1 мм, в частности от 15 мкм до 500 мкм, и более конкретно в диапазоне 30-300 мкм.
Бумага в соответствии с настоящим изобретением может иметь плотность в диапазоне 0,2-1,2 г/см3.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения арамидная бумага содержит 10-60 мас.% фибрида арамида, в частности 20-40 мас.% фибрида арамида, в частности фибрида параарамида, в комбинации с 40-90 мас.% арамидной крошки, в частности 60-80 мас.% арамидной крошки, в частности параарамидной крошки, и менее 30 мас.% арамидной волокнистой массы, в частности менее 20 мас.% арамидной волокнистой массы, и более конкретно менее 10 мас.% арамидной волокнистой массы.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения арамидная бумага содержит 10-60 мас.% фибрида арамида, в частности 20-40 мас.% фибрида арамида, в частности фибрида параарамида, в комбинации с 30-90 мас.% метаарамидной крошки, в частности 60-80 мас.% метаарамидной крошки, и менее 30 мас.% арамидной волокнистой массы, в частности менее 20 мас.% арамидной волокнистой массы, и более конкретно менее 10 мас.% арамидной волокнистой массы.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения арамидная бумага содержит 30-70 мас.% фибрида арамида, в частности 40-60 мас.% фибрида арамида, в частности фибрида параарамида, в комбинации с 20-60 мас.% арамидной крошки, в частности 20-40 мас.% арамидной крошки, в частности параарамидной крошки. При желании бумага может содержать вплоть до 40 мас.% арамидной волокнистой массы, в частности вплоть до 30 мас.% арамидной волокнистой массы, например 10-25 мас.% арамидной волокнистой массы.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения арамидная бумага содержит 10-60 мас.% фибрилл арамида, в частности 20-50 мас.% фибрилл арамида, в частности фибрилл параарамида, в комбинации с 10-50 мас.% арамидной крошки, в частности 15-40 мас.% арамидной крошки, в частности параарамидной крошки. При желании бумага может содержать вплоть до 40 мас.% арамидной волокнистой массы, например 10-40 мас.% арамидной волокнистой массы.
Бумага в соответствии с настоящим изобретением может быть произведена способами, известными в данной области техники. В одном варианте осуществления готовится суспензия, обычно водная суспензия, содержащая различные описанные выше арамидные материалы, а также дополнительные компоненты бумаги. Эта суспензия наносится на пористый фильтр для того, чтобы уложить на нем полотно случайным образом переплетенного материала. Вода удаляется из этого полотна, например, путем отжатия и/или применения вакуума, с последующей сушкой для того, чтобы получить бумагу. При желании высушенная бумага подвергается стадии каландрирования. Каландрирование является известным в данной области техники. Обычно оно включает пропускание бумаги через ряд валков, необязательно при повышенных температурах. PAE может добавляться к этой суспензии или к суспензии одного или более исходных материалов. Также возможно, чтобы окончательная бумага контактировала с раствором PAE. Предпочтительно, чтобы PAE включался на относительно ранней стадии в процессе производства бумаги, чтобы гарантировать достаточное взаимодействие PAE с арамидом. Специалисту в данной области техники будет понятно, как это можно сделать.
Бумаги по настоящему изобретению могут применяться во всех применениях, в которых применение бумаг на основе арамида было сочтено привлекательным. Примеры включают в себя электрическую изоляцию, сепараторы для батарей или суперконденсаторов, трехмерные продукты, такие как соты, складчатые заполнители и гофрированные заполнители, применение в фильтрации, применение в применениях, связанных с электроникой, таких как печатные платы и подложки для солнечных батарей, и т.д.
Было найдено, что благодаря их улучшенной z-прочности, бумаги по настоящему изобретению являются особенно подходящими для применения в пространственных структурах, таких как заполнители для слоистых структур, например соты, складчатые заполнители, гофрированные заполнители и др. Слоистые структуры известны в данной области техники. Они содержат структуру низкой плотности, например структуру на основе бумаги, такую как сотовый заполнитель, складчатый заполнитель или гофрированный заполнитель, расположенный между двумя поверхностными листами, также обозначаемыми как облицовка, поверхностные листы или наружные слои.
Следовательно, в одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к трехмерному заполнителю для слоистой структуры, содержащей описанную в настоящем документе бумагу.
В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к сотовому заполнителю, содержащему множество взаимосвязанных стенок, имеющих поверхности, которые определяют множество сотовых ячеек, в котором стенки ячеек формируются из описанной в настоящем документе бумаги. Сотовые заполнители известны в данной области техники и не требуют дополнительного разъяснения.
В другом варианте осуществления настоящее изобретение относится к структуре складчатого заполнителя, содержащей гофрированный лист описанной в настоящем документе бумаги. Гофрированные заполнители известны в данной области техники и не требуют дополнительного разъяснения.
В одном дополнительном варианте осуществления настоящее изобретение относится к структуре складчатого заполнителя, содержащей множество сложенных мозаичных конфигураций, содержащих описанную в настоящем документе бумагу. Эти структуры складчатого заполнителя известны в данной области техники и не требуют дополнительного разъяснения.
Как объяснялось выше, было найдено, что использование смолы PAE улучшает z-прочность бумаги на основе арамида. Следовательно, в одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к применению 0,1-10 мас.% полиамидоаминоэпихлоргидрина (PAE) для улучшения z-прочности описанной в настоящем документе бумаги на основе арамида.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что различные описанные в настоящем документе предпочтительные варианты осуществления могут быть объединены, если они не являются взаимно исключающими.
Настоящее изобретение иллюстрируется следующими примерами, которые не являются ограничивающими.
Пример 1: улучшение Z-прочности и прочности на разрыв листов параарамидной бумаги ручного отлива
Чтобы показать эффект настоящего изобретения, сравнительные бумаги были произведены на формующем устройстве Rapid Koethe (RK) в соответствии со способом стандарта ISO 5269-2. Бумага в соответствии с настоящим изобретением была приготовлена путем добавления смолы PAE (Kymene 625, производства компании Solenis) к суспензии перед ее помещением в формующее устройство. Смола PAE была добавлена в количестве 1 мас.% по массе сухой бумаги.
Сравнительная бумага была приготовлена с помощью процесса, в котором никакого PAE не добавлялось. Сушка выполнялась с использованием RK-сушилки в вакууме при 95°C.
Эти бумаги содержали 70 мас.% параарамидной крошки с линейной плотностью 1,1 децитекс и длиной 6 мм (Twaron® T2000, 6 мм, производства компании Teijin Aramid, Нидерланды) и 30 мас.% ни разу не сушившегося фибрида параарамида (Twaron® D8016, производства компании Teijin Aramid, Нидерланды). Эти бумаги имели граммаж 30 г/м2.
Z-прочность измерялась в соответствии со стандартом Tappi T541. Прочность на разрыв измерялась по способу Эльмендорфа в соответствии со стандартом Tappi 414. Граммаж определялся в соответствии со стандартом ASTM D646.
Результаты показаны в нижеприведенной Таблице 1.
Таблица 1
| Z-прочность (Fmax) (кПа) | Сопротивление разрыву (мН) | Индекс разрыва (мНм2/г) | |
| Бумага в соответствии с настоящим изобретением (с добавлением 4,1 мас.% PAE) | 165 | 723 | 24 |
| Сравнительная бумага (без PAE) | 77 | 423 | 14 |
Как можно видеть из Таблицы 1, добавление 4,1 мас.% PAE привело к существенному улучшению Z-прочности, сопротивления разрыву и индекса разрыва.
Пример 2: влияние количества PAE
Для того, чтобы показать влияние количества PAE, бумаги с различным количеством PAE были произведены следующим образом:
Ни разу не сушившиеся фибриды параарамида (Twaron® D8016, производства компании Teijin Aramid, Нидерланды) диспергировались в измельчителе с консистенцией 1,5% в течение 15 мин. Смола PAE (Kymene GHP20, производства компании Solenis), дозировалась в дисперсию фибрида в количестве, показанном в Таблице 2, и эта система перемешивалась с помощью обычного смесителя в течение 5 мин. Дисперсия фибрида, содержащая смолу PAE, была добавлена в резервуар и дополнительно разбавлена. После нескольких минут непрерывного перемешивания была добавлена параарамидная крошка с линейной плотностью 1,7 децитекс и длиной 6 мм (Twaron® T1000, 6 мм, производства компании Teijin Aramid, Нидерланды), что привело к окончательной консистенции 0,1%. Твердые материалы представляли собой 30 мас.% параарамидных фибридов и 70 мас.% параарамидной крошки.
Полученная дисперсия подавалась на машину с наклонной проволокой для изготовления бумаги с граммажем 30 г/м2.
Нижеприведенная Таблица 2 показывает количество PAE, добавленное в бумагу (по массе сухих твердых веществ), а также z-прочность и индекс разрыва.
Таблица 2
| Добавка PAE (мас.%)* | Z-прочность (Fmax) (кПа) | Индекс разрыва (мНм2/г) | |
| Сравнительный | 0 | 85 | 14 |
| Изобретение 1 | 1,5 | 196 | 20 |
| Изобретение 2 | 2,5 | 261 | 25 |
| Изобретение 3 | 4,0 | 250 | 24 |
*: добавленное количество PAE по сухой массе бумаги
Как видно из Таблицы 2, увеличение количества PAE приводит к увеличению z-прочности и индекса разрыва.
Пример 3: улучшение Z-прочности и прочности на разрыв листов ручного отлива, содержащих метаарамид и параарамид.
Чтобы показать эффект настоящего изобретения в смешанных пара- и метаарамидных бумагах, сравнительные бумаги были произведены на формующем устройстве Rapid Koethe (RK) в соответствии со способом стандарта ISO 5269-2.
Эти бумаги содержали 70 мас.% метаарамидной крошки с линейной плотностью 1,7 децитекс и длиной 6 мм (TeijinConex® T2000, 6 мм, производства компании Teijin Aramid, Нидерланды) и 30 мас.% ни разу не сушившегося фибрида параарамида (Twaron® D8016, производства компании Teijin Aramid, Нидерланды). Эти бумаги имели граммаж 40 г/м2.
Бумага в соответствии с настоящим изобретением была приготовлена путем добавления смолы PAE (Kymene GHP20, производства компании Solenis) к суспензии перед ее помещением в формующее устройство. Смола PAE была добавлена в количестве 2 мас.% по массе сухой бумаги. Сравнительная бумага была приготовлена с помощью процесса, в котором никакого PAE не добавлялось. Сушка выполнялась с использованием RK-сушилки в вакууме при 95°C.
Z-прочность измерялась в соответствии со стандартом Tappi T541. Прочность на разрыв измерялась по способу Эльмендорфа в соответствии со стандартом Tappi 414. Граммаж определялся в соответствии со стандартом ASTM D646.
Результаты показаны в нижеприведенной Таблице 3.
Таблица 3
| Z-прочность (Fmax) (кПа) | Сопротивление разрыву (мН) | Индекс разрыва (мНм2/г) | |
| Бумага в соответствии с настоящим изобретением (с добавлением 2 мас.% PAE) | 127 | 1099 | 27 |
| Сравнительная бумага (без PAE) | 87 | 680 | 16 |
Как можно видеть из Таблицы 3, добавление 2 мас.% PAE привело к существенному улучшению Z-прочности, сопротивления разрыву и индекса разрыва.
1. Бумага на основе арамида, содержащая по меньшей мере 90 мас.% арамидного материала в пересчете на компоненты сухой бумаги, не включая полиамидоаминоэпихлоргидрин (PAE), содержащего по меньшей мере одно из арамидной крошки и фибрида арамида, причем бумага содержит самое большее 40 мас.% арамидной волокнистой массы по общему количеству арамидного материала, и 0,1-4,5 мас.% PAE по сухой массе бумаги.
2. Бумага по п. 1, содержащая по меньшей мере 95 мас.% арамидного материала или по меньшей мере 98 мас.% арамидного материала.
3. Бумага по любому из предшествующих пунктов, в которой количество PAE составляет по меньшей мере 0,5 мас.%, по меньшей мере 1 мас.% и/или самое большее 4,0 мас.%, самое большее 3 мас.% или самое большее 2 мас.%.
4. Бумага по любому из предшествующих пунктов, которая содержит по меньшей мере 5 мас.% арамидной крошки, предпочтительно арамидная крошка представляет собой параарамидную крошку, предпочтительно по меньшей мере 10 мас.% по сухой массе бумаги, не включая PAE.
5. Бумага по любому из предшествующих пунктов, содержащая самое большее 35 мас.% арамидной волокнистой массы, предпочтительно самое большее 30 мас.%, более предпочтительно самое большее 20 мас.%, еще более предпочтительно самое большее 10 мас.%.
6. Бумага по любому из предшествующих пунктов, имеющая граммаж 5-1000 г/м2, предпочтительно в диапазоне 10-300 г/м2.
7. Бумага по п. 6, имеющая граммаж 5-100 г/м2, предпочтительно 5-60 г/м2 и более предпочтительно 5-40 г/м2.
8. Бумага по п. 6, имеющая граммаж в диапазоне 10-120 г/м2, предпочтительно 20-100 г/м2.
9. Бумага по любому из предшествующих пунктов, содержащая 10-60 мас.% фибрида арамида, предпочтительно 20-40 мас.% фибрида арамида, предпочтительно фибрид арамида представляет собой фибрид параарамида, в комбинации с 40-90 мас.% арамидной крошки, предпочтительно 60-80 мас.% арамидной крошки, предпочтительно арамидная крошка представляет собой параарамидную крошку, и менее 30 мас.% арамидной волокнистой массы, предпочтительно менее 20 мас.% арамидной волокнистой массы и более предпочтительно менее 10 мас.% арамидной волокнистой массы.
10. Бумага по любому из пп. 1-8, содержащая 30-70 мас.% фибрида арамида, предпочтительно 40-60 мас.% фибрида арамида, предпочтительно фибрид арамида представляет собой фибрид параарамида, в комбинации с 20-60 мас.% арамидной крошки, предпочтительно 20-40 мас.% арамидной крошки, предпочтительно арамидная крошка представляет собой параарамидную крошку, и вплоть до 40 мас.% арамидной волокнистой массы, предпочтительно вплоть до 30 мас.% арамидной волокнистой массы, более предпочтительно 10-25 мас.% арамидной волокнистой массы.
11. Бумага по любому из пп. 1-8, содержащая 10-60 мас.% фибрилл арамида, предпочтительно 20-50 мас.% фибрилл арамида, предпочтительно фибриллы арамида представляют собой фибриллы параарамида, в комбинации с 10-50 мас.% арамидной крошки, предпочтительно 15-40 мас.% арамидной крошки, предпочтительно арамидная крошка представляет собой параарамидную крошку, и вплоть до 40 мас.% арамидной волокнистой массы, предпочтительно 10-40 мас.% арамидной волокнистой массы.
12. Бумага по любому из пп. 1-8, содержащая 10-60 мас.% фибрида арамида, предпочтительно 20-40 мас.% фибрида арамида, предпочтительно фибрид арамида представляет собой фибрид параарамида, в комбинации с 30-90 мас.% метаарамидной крошки, предпочтительно 60-80 мас.% метаарамидной крошки, и менее 30 мас.% арамидной волокнистой массы, предпочтительно менее 20 мас.% арамидной волокнистой массы и более предпочтительно менее 10 мас.% арамидной волокнистой массы.
13. Применение бумаги по любому из предшествующих пунктов в электрической изоляции, в сепараторах для батарей или суперконденсаторов, в трехмерных продуктах, включая слоистый заполнитель, включая сотовый заполнитель, складчатый заполнитель и гофрированный заполнитель, в фильтрации или в применениях, связанных с электроникой, включая печатные платы и подложки для солнечных батарей.
14. Сотовый заполнитель, содержащий множество взаимосвязанных стенок, имеющих поверхности, образующие множество сотовых ячеек, в котором стенки ячеек сформированы из бумаги по любому из пп. 1-11.
15. Применение 0,1-4,5 мас.% PAE по сухой массе бумаги для улучшения z-прочности и/или прочности на разрыв бумаги на основе арамида, содержащей по меньшей мере 90 мас.% арамидного материала в пересчете на компоненты сухой бумаги, не включая PAE, содержащего по меньшей мере одно из арамидной крошки и фибрида арамида, причем бумага содержит самое большее 40 мас.% арамидной волокнистой массы по общему количеству арамидного материала.
