间位芳纶纸基材料是以芳纶短切纤维和芳纶沉析（或芳纶浆粕）纤维为原料,利用现代造纸湿法抄造技术抄造成纸,再经后续加工处理后制备所得。因芳纶纤维本身高的取向度和结晶度,使其具有较高的比强度、比模量,介电性能、并兼具优良的化学稳定性、耐高温性能和低密度等特性,其产品也多种多样,包括耐高温绝缘材料、轻质化蜂窝材料、高性能电子材料等,在现代高科技领域如电子电工、航空航天、国防军事、轨道交通等都有着广泛的应用。芳纶纸基材料中,由于芳纶短切纤维本身的皮-芯层结构导致纤维表面呈化学惰性,和沉析纤维基体结合性差,导致纸张结构疏松多孔,严重影响了成纸的机械强度和介电性能。此外,芳纶纸在使用过程中会出现老化现象,也严重影响了芳纶纸的使用寿命。纳米纤维素（NFC）和纳米TiO2因为具有优异的增强效果和耐热性能,在改善复合材料性能方面有着广泛的应用。本课题在芳纶纸基材料中引入性能优异的NFC和纳米TiO2,来改善芳纶纸的强度和绝缘性能差等问题。首先对比分析了间位芳纶短切纤维和沉析纤维在表观形貌和形态参数等方面的差异,以及对纸页结构的影响,明确了芳纶纸的强度主要依靠短切和沉析纤维的物理交织,结合强度弱。继而采用磷酸溶液对芳纶短切纤维进行改性来增加其表面粗糙度和活性,并研究了NFC含量对芳纶纸基材料性能的影响。结果表明当NFC的含量为20%时,成纸的抗张指数、撕裂指数、层间结合强度和抗张能量吸收（TEA）分别达到了最大值22.44 N·m·g-1,13.33mN·m2·g-1,138.22J·m-2和29.71/J·m-2。FT-IR表明强度性能的提升主要是因为NFC表面的羟基和芳纶纤维表面的活性基团能够产生很强的氢键缔合作用。SEM图象表明NFC像“蛛网”或“蚕丝”状的薄膜结构粘接在芳纶纤维上,作为短切纤维和沉析纤维的界面粘结桥梁和填充剂,从而使纸张的界面粘结强度大幅度提高。然后利用KH-550改性纳米TiO2,获得分散均一的纳米粒子,再以网状NFC作为载体分散和负载无机纳米TiO2,采用分光光度计研究了二者的分散稳定性和均匀性,结果表明NFC因其特殊的的三维网状结构和表面活性不但可以作为载体截留纳米TiO2,还起到了分散纳米TiO2的作用。FT-IR表明NFC/纳米TiO2通过氢键组装成了紧密的有机-无机杂化纳米材料。接着研究了NFC/纳米TiO2有机-无机杂化纳米材对间位芳纶纸基材料力学性能、应力-应变、绝缘强度和抗老化性能的影响。结果表明当芳纶纤维/NFC/纳米TiO2三者的比例为8.7:0.5:0.8时,复合纸的抗张指数、断裂应力和绝缘强度分别达到了最大值16.42N·m·g-1,6.991MPa和9.81kV·mm-1,同时也具备了较强的抗老化性能。最后探讨了NFC/纳米TiO2的增强机理,主要分为两点:一是NFC/纳米TiO2之间形成了有机-无机界面相,形成优势互补,界面层的活性增强,从而增加了界面的结合强度;二是NFC负载了纳米TiO2后表面粗糙度大幅度提高,从53nm提高到了101.1nm,与芳纶纤维之间产生了较强的界面啮合强度,改善了界面结合强度,从而提升了芳纶纸基材料的综合性能。
