活性炭纤维纸的制备及性能研究

贾韦韦 张俊梅 沈 坚 汤丹丹 刘其霞 季 涛 王飞艳

(1.南通大学纺织服装学院，南通，226019;2.南通大学杏林学院，南通，226019)

活性炭纤维(ACF)，也称纤维状活性炭，是继颗粒状、粉末状活性炭发展之后，于20世纪70年代发展起来的第三代新型功能吸附材料，在东欧、美国、日本等地区和国家已推广应用［1］。目前，ACF已广泛应用于化学、电子、医疗、环境保护、辐射防护、食品卫生等领域，且越来越受到人们的关注［2-3］。随着科技的发展与时代的进步，活性炭纤维种类越来越多，而且随着其形态特征的不断增多和功能特性的不断改进［4］，它的应用领域也在不断拓宽，对人们的日常生活、工业生产和新技术发展起着越来越重要的作用［5］。

在实际应用中，ACF很少直接应用，大多是经深加工制成中间产物或复合材料使用，以提高成纸匀度和强度。目前ACF的使用形态有纱、毡 、线、布和纸，随着科学技术的进步和社会结构及生活环境的变化，纸的使用范围越来越广，赋予纸的功能也越来越多［6］，所以有关炭纤维纸的研究也越来越多，例如利用热固性酚醛树脂和短切炭纤维制备GDL用炭纤维纸［7-8］。国内在炭纤维纸制备方面也进行了许多研究工作，如研究了气体扩散层所用材料［9］，利用中间相沥青对炭纤维纸进行改性［10］;从添加剂和制备工艺方面入手，对炭纤维纸进行改进［11-12］;而有关活性炭纤维纸的性能研究报道较少。

活性炭纤维纸一般由ACF与其他纤维混合抄造而成，由于ACF易絮聚，自身无结合能力，所以在抄造过程中一般还需加入黏结剂。本文采用湿法造纸工艺制备活性炭纤维纸，探讨ACF的含量、热熔性纤维的含量及热压条件与活性炭纤维纸力学性能之间的关系，研究了活性炭纤维纸成型的可行性。

1 试验部分

1.1 试验原料

ACF为江苏苏通碳纤维有限公司生产，比表面积为1 100 m2/g;纸浆由美国某公司提供;低熔点丙纶纤维，熔点为120℃左右。

1.2 试验仪器与设备

JA2003N型电子天平，上海升隆电子科技有限公司(感量0.1 mg);BB331-A型多功能搅拌器，顺德任发电器实业有限公司;76-1型恒温玻璃水浴电动搅拌机，上海标本模型厂;自制湿法造纸装置，见图1;TDY71-45A型塑料制品液压机，公称力为450 kN，天津市天锻液压有限公司;自制热压板，厚度约1.2 mm;YG(B)461E型数字式织物透气性能测定仪，温州大荣纺织仪器有限公司;YG065NL型电子织物强力机，莱州电子仪器有限公司;YG(B)031PC型台式电子织物顶破强力机，温州大荣纺织仪器有限公司。

图1 自制湿法造纸装置

1.3 活性炭纤维纸的制备

称取一定量的ACF和纸浆，将其分别打碎，将两者混合搅拌均匀，将分散均匀的混合物倒入自制的湿法造纸装置中完成活性炭纤维纸的抄造，然后烘干，最后在液压机上通过调节热压条件完成活性炭纤维纸的制作。活性炭纤维纸的制备流程如图2所示。

图2 活性炭纤维纸的制备流程

1.4 性能测试

采用YG(B)461E型数字式织物透气性能测定仪，根据GB/T5453—1997《纺织品织物透气性的测定》测试活性炭纤维纸的透气性能;采用YG(B)031PC型台式电子织物顶破强力机，根据GB/T19976—2005《纺织品顶破强力的测定 钢球法》测试活性炭纤维纸的顶破强力;采用YG065NL型电子织物强力机，根据GB/T3923.1—1997《纺织品 织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定条样法》测试活性炭纤维纸的拉伸断裂强力。

2 结果与分析

2.1 ACF含量对活性炭纤维纸性能的影响

调节活性炭纤维纸中ACF含量，研究其对纤维纸性能的影响，如表1所示。当其他工艺参数一致时，随着ACF含量的增加，活性炭纤维纸的透气性增加。这是因为ACF本身没有黏结力，随着ACF含量的增加，活性炭纤维纸中纤维的堆积更加疏松，纤维之间的缝隙也更多，因此透气性能增加。活性炭纤维纸的拉伸断裂强力随ACF含量的增加而减小，这是因为纸张的拉伸断裂强力是由纤维素纤维之间的氢键决定的，而ACF表面几乎没有活性基团，纤维之间的结合主要靠相互之间的抱合力，同时纤维素纤维的结合力也较差，因此随着ACF含量增大，纤维素纤维之间氢键的数目减少，纤维间的结合力变弱。活性炭纤维纸的顶破强力与ACF含量关系不大，这是因为纤维强度和纤维间固着点的强度是影响顶破强力的关键因素，而纤维摩擦、卷曲和缠结作用亦影响顶破强力，随着ACF含量的增加，虽然纤维间固着点减少，但是纤维摩擦、卷曲和缠结作用增强，且两者的作用力比较接近，所以增加ACF的含量对活性炭纤维纸的顶破强力影响不大。

表1 ACF含量对活性炭纤维纸性能的影响

2.2 热熔性纤维掺入对活性炭纤维纸性能的影响

与普通纸浆不同，ACF之间不会产生氢键结合，100%ACF间无结合强度，无法抄纸［13］。与纸浆混合造纸得到的活性炭纤维纸强力偏低，在实际应用中受到限制。通过添加热熔黏合纤维来提高活性炭纤维纸的强力是解决ACF自身结合强度差的有效方法之一。热熔纤维与纸浆、ACF混合湿法造纸，在热压工序中，通过控制温度使热熔纤维熔融，并使其与活性炭纤维纸浆相互黏结，最终达到提高活性炭纤维纸强力的效果。但是热熔纤维熔融黏结，使得活性炭纤维纸的透气性受到一定的影响。由于热熔纤维是一种均质纤维，熔点必须低于基材，且两者的熔点之差必须足够大，以免热黏结时损坏基材［14］。本文采用低熔点丙纶(熔点120℃左右)作为热熔性纤维，研究其对活性炭纤维纸性能的影响。表2为加入低熔点丙纶后纸张性能的比较。

表2 加入低熔点丙纶后纸张性能的比较

分析表2中1～3号以及4～6号试样可以看出，当保持相同的热压工艺，且ACF含量不变时，随着丙纶含量的增加，活性炭纤维纸的透气性逐渐降低。这是因为活性炭纤维纸的透气性主要取决于活性炭纤维纸中ACF之间的缝隙大小和缝隙数目，丙纶作为热熔性纤维，热压过程中丙纶熔融黏结，增加ACF与纸浆以及ACF之间的黏结，减小ACF之间的缝隙，从而活性炭纤维纸的透气性减小。活性炭纤维纸的拉伸断裂强力随着丙纶含量的增加逐渐增大，这是因为活性炭纤维纸的拉伸断裂强力同样主要取决于ACF与纸浆之间以及ACF相互之间的结合，所以随着丙纶含量的逐渐增加，ACF与纸浆之间以及ACF相互之间的黏结力增加，活性炭纤维纸的断裂强力逐渐增大。活性炭纤维纸的顶破强力随着丙纶含量的增加逐渐增大，这是因为纤维强度和纤维间固着点的强度是影响顶破强力的关键因素，而纤维摩擦、卷曲和缠结作用亦影响顶破强力，随着丙纶含量的增加，ACF与纸浆以及ACF之间的黏结力增强，同时丙纶的强力也远远大于活性炭纤维的强力，所以随着丙纶含量的增加，活性炭纤维纸的顶破强力增大。

2.3 热压温度对活性炭纤维纸性能的影响

研究不同热压温度下活性炭纤维纸的性能，如表3所示。当保持ACF含量不变，且其他工艺条件一致时，随着热压温度的提高，活性炭纤维纸的拉伸断裂强力增加，透气性与顶破强力基本不变。这是因为随着热压温度的不断提高，ACF与纸浆之间以及ACF相互之间的结合力增加，所以活性炭纤维纸的拉伸断裂强力不断增加。但是当热压温度为120℃时，活性炭纤维纸中的ACF之间的缝隙数目以及缝隙达到最大，即使热压温度再提高，ACF之间的缝隙基本保持不变，所以活性炭纤维纸的透气性变化不大。活性炭纤维纸的顶破强力与热压温度关系不大，这是因为纤维强度和纤维间固着点的强度是影响顶破强力的关键因素，而纤维摩擦、卷曲和缠结作用亦影响顶破强力，随着热压温度的提高，虽然纤维间固着点的强力增加，但是纤维摩擦、卷曲和缠结作用减小，且两者的作用力比较接近，所以热压温度提高对活性炭纤维纸的顶破强力影响不大。

表3 不同热压温度下纸张性能的比较

2.4 热压时间对活性炭纤维纸性能的影响

研究不同热压时间下活性炭纤维纸的性能，如表4所示。当保持ACF含量不变，其他工艺条件一致时，随着热压时间的延长，活性炭纤维纸的透气性逐渐降低，拉伸断裂强力逐渐增加，顶破强力基本没有变化。这是因为活性炭纤维纸中ACF表面活性基团少，纤维之间氢键结合数量少，活性炭纤维纸结构疏松，在热压过程中，随着热压时间的延长，ACF之间结合更加紧密，纤维之间的缝隙减小，从而透气性变差，拉伸断裂强力增加。活性炭纤维纸的顶破强力与热压时间关系不大，这是因为纤维强度和纤维间固着点的强度是影响顶破强力的关键因素，而纤维摩擦、卷曲和缠结作用亦影响顶破强力，随着热压时间的增加，虽然纤维间固着点的强力增加，但是纤维摩擦、卷曲和缠结作用减小，且两者的作用几乎相同，所以延长热压时间对活性炭纤维纸的顶破强力影响不大。

2.5 热压压力对活性炭纤维纸性能的影响

改变热压压力，研究不同热压压力下活性炭纤维纸的性能，如表5所示。当保持ACF含量不变，其他工艺条件一致时，随着热压压力的增加，活性炭纤维纸的拉伸断裂强力逐渐降低，透气性与顶破强力基本不变。这是因为热压过程中，纤维间结合越来越紧密，活性炭纤维纸的拉伸断裂强力增加;但是随着压力的不断增加，纸张紧度上升，逐渐丧失了纸张原有的纤维网络状结构，所以当压力超过10 MPa时，部分纤维被压溃，表面产生裂纹，致使纸张在承受外力作用时分散应力的能力越来越弱，表现为活性炭纤维纸的拉伸断裂强力减小。当热压压力为10 MPa时，活性炭纤维纸中的ACF之间缝隙数目以及缝隙达到最大，即使不断增加热压压力，ACF之间缝隙数目以及缝隙基本保持不变，所以活性炭纤维纸的透气性基本保持不变。当热压压力为10 MPa时，ACF纤维之间的黏结作用力最大，活性炭纤维纸中ACF的强力不变，增加热压压力对活性炭纤维纸的顶破强力基本没有影响。

表4 不同热压时间下纸张性能的比较

表5 不同热压压力下纸张性能的比较

3 结语

(1)在热压工艺条件保持一致时，增加ACF含量，活性炭纤维纸的透气性增加，拉伸断裂强力降低，顶破强力基本不变。

(2)在活性炭纤维纸中加入低熔点的热熔性纤维丙纶后，活性炭纤维纸的透气性、拉伸断裂强力、顶破强力均有所提高。

(3)通过调节热压工艺，可制备出透气性与拉伸断裂强力均佳的活性炭纤维纸。当热压温度为120℃、热压时间为30 s、热压压力为10 MPa时，活性炭纤维纸的透气率为135.71 mm/s，拉伸断裂强力为6.2 N。

［1］汪明光，陈湛.活性碳纤维吸附甲苯废气的中试研究［J］.化工设计通讯，2000，26(l)：36-37.

［2］李艳芳，梁大明，刘春兰.国内外活性炭应用发展趋势分析［J］.分析洁净煤技术，2009，15(1)：5-13.

［3］杨庙祥.活性碳纤维的物理化学特性及用途［J］.上海纺织科技，2004，32(3)：7-9.

［4］蔡来胜，刘春雁，刘刚.活性炭纤维及其在空气净化器中的应用［J］.上海纺织科技，2003，31(4)：10-12.

［5］周丕严，陈庆华.H3PO4、KOH活化法桐壳基活性炭的制备及其吸附性能的研究［D］.福州：福建师范大学，2007.

［6］刘秉钺，李牧.功能纸及纸制品的制造［M］.北京：中国轻工业出版社，1998：36-39.

［7］MATHUR R B，MAHESHWARI P H，DHAMI T L ，et al.Characteristics of the carbon paper heat-treated to different temperature and its influence on the performance of PEM fuel cell［J］.Electrochemical Acta，2007，52(14)：4809-4817.

［8］MATHUR R B，MAHESHWARI P H，DHAMI T L，et al.Processing of carbon composite paper as electrode for fuel cell［J］.Journal of Power Sources，2006，161(2)：790-798.

［9］朱相丽，沈曾民，张学军.燃料电池用碳材料的研究进展［J］.电源技术，2004，28(6)：380-384.

［10］吕金燕，张学军，沈曾民.中间相沥青粒子对PEMFC用碳纤维纸性能的影响［J］.电源技术，2006，30(10)：803-805.

［11］张伟，汪树军，刘红研，等.质子交换膜燃料电池专用碳纸的制备及性能测试［J］.太阳能学报，2006，27(2)：199-202.

［12］罗志平，唐浩林，木士春，等.国产碳纤维纸合成PEM-FC气体扩散层 ［J］.电池工业，2005，10(3)：137-139.

［13］王虹，汤人望，李荣年，等.提高碳纤维分散性及碳纤维纸强度的研究［J］.高科技纤维与应用，2010(4)：35-38.

［14］杜志伟.热熔黏合纤维的制造、性能及应用［J］.纺织科学研究，1994(2)：30-33.