增强剂对碳纤维纸性能影响的研究

胡志军 万家乐 张学金 胡桂林

(浙江科技学院,浙江杭州，310023)



·碳纤维纸增强剂·

增强剂对碳纤维纸性能影响的研究

胡志军 万家乐 张学金 胡桂林

(浙江科技学院,浙江杭州，310023)

研究了三聚氰胺甲醛树脂(MF)、聚酰胺环氧氯丙烷(PAE)、聚乙烯醇(PVA)和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)4种增强剂以浆内添加和表面涂覆两种方式对碳纤维纸强度、透气度和导电性能的影响,同时分析了压榨对碳纤维纸性能的影响。结果表明，增强剂在提高碳纤维纸物理指数的同时降低了其导电性和透气性。浆内添加MF对碳纤维纸抗张指数的提升最为明显，但电阻和透气度的降低幅度也最大；表面涂覆CPAM,对碳纤维纸抗张指数影响显著,最大值较其他增强剂增大了近2倍,表明CPAM的表面涂覆可以进一步增加碳纤维纸强度；压榨可以明显提高碳纤维纸的抗张指数,在增强剂用量较低的时,抗张指数的提升幅度被强化,可使抗张指数提前达到最高值；减弱了增强剂对碳纤维纸电阻的影响。

碳纤维；碳纤维纸；增强剂；物理强度；导电性

碳纤维具有密度低、比性能高、非氧化环境下耐超高温、热膨胀系数小且具有各向异性、耐腐蚀性好、良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等一系列优异特性[1-3],常被加工成各种功能材料,在军事及民用方面都有广泛的应用。碳纤维功能纸就是其中之一,可用作发热材料、电磁屏蔽材料、防静电包装材料及燃料电池用气体扩散层材料等[4-6],应用领域十分广阔。

但是,由于C—C间以非极性共价键相连接,呈乱层石墨结构,导致碳纤维表面光滑,呈现化学惰性,表面能低,缺乏有化学活性的官能团,反应活性低,与基体的黏结性差,界面中存在较多的缺陷,不易被水润湿,在水中易絮聚,分散性能差[7-9],直接影响了复合材料的力学性能,限制了碳纤维高性能的发挥。此外,与植物纤维比较,碳纤维之间不会形成氢键结合,纤维间无结合强度,难以成形和抄纸。因而,如何使碳纤维在水相中均匀分散及提高纤维间结合强度,是湿法抄造碳纤维功能纸的关键[10]。

通过添加黏合纤维或增强剂等提高碳纤维纸的强度是解决碳纤维自身结合强度差的有效途径之一[7,11]。木浆作为植物纤维,纤维脱水后易形成大量的氢键。以木浆为黏合纤维,添加一定比例可使碳纤维复合纸具有一定的强度。木浆比例高时,碳纤维纸强度虽然好,但复合材料的功能性会显著弱化；木浆比例低时,黏合效果差,无法正常抄纸,必须辅以增强剂才可以正常抄纸。本实验研究了三聚氰胺甲醛树脂(MF)、聚酰胺环氧氯丙烷(PAE)、聚乙烯醇(PVA)和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)4种典型增强剂,采用浆内添加和表面涂覆两种方式对碳纤维纸强度、透气度和导电性能的影响,同时分析了压榨对碳纤维纸性能的影响。

1 实 验

1.1 实验原料及仪器

药品和原料：短切碳纤维(CCF)；加拿大进口漂白针叶木浆,打浆至43°SR。三聚氰胺甲醛树脂(MF),固含量(50±1)%；聚酰胺环氧氯丙烷(PAE),固含量(12.5±0.5)%；聚乙烯醇(PVA-1788)固体颗粒,以上均为工业级。阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)和非离子表面活性剂吐温-80为分析纯。

仪器:ZQS2-23L打浆机、ZQS4纤维解离器、ZQJ1-200纸样抄取器、Model 400-1平板压榨器、恒温干燥箱、CCI-1000实验室涂布机、华谊MS8218高精度表、WS70-1红外线快速干燥器、YT-WL300抗张强度测量仪、Gurley 4340透气度测量仪。

1.2 实验方法

(1)浆内添加

选用2～3 mm短切碳纤维配制成0.5%水溶液,经纤维解离器处理5 min,加入吐温-80继续搅拌一定时间；再依次加入一定比例植物纤维和增强剂(以纤维绝干质量计算),稀释至0.1%浆浓，经快速纸样抄取器脱水成形,手抄片定量为60 g/m2,烘干平衡水分待用。

(2)表面涂覆

同上方法制备纸样,过程中未添加增强剂。将不同增强剂按一定比例配成溶液,经实验室涂布机将增强剂溶液涂覆于纸张表面。

1.3 性能检测

依据GB/T 22898—2008检测纸样的抗张指数；用四探针法检测碳纤维纸的表面电阻；用Gurley4340透气度测量仪检测纸样的透气性。

2 结果与讨论

2.1 浆内添加增强剂对碳纤维纸性能的影响

分别考察了浆内添加MF、PAE、PVA和CPAM 4种增强剂对碳纤维纸性能的影响。增强剂相对于绝干纤维用量分别为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%、1.1%和1.3%,固定浆料配比、分散剂用量和浆浓等其他条件,实验结果如图1～图3所示。

图1 浆内添加增强剂对碳纤维纸抗张指数的影响

图2 浆内添加增强剂对碳纤维纸电阻的影响

图3 浆内添加增强剂对碳纤维纸透气性的影响

图1表明,增强剂用量对碳纤维纸抗张指数均表现为先增加后减小的趋势,其中MF对碳纤维纸抗张指数的提升最为明显,在用量0.7%时达到最大值,用量超过1.1%后,抗张指数迅速下降。其他3种增强剂在用量0.3%时纸张抗张指数即达到稳定值,在用量0.9%以后出现快速下降。

图2表明,增强剂用量对碳纤维纸导电性能的影响显著,但表现形式各不相同。添加MF，电阻呈现出快增快减的趋势,电阻最大值与抗张指数最大值对应,表明该用量时MF能形成有效的留着和增强,过多MF反而形成大量的流失。PAE与MF变化趋势大致相同,相应的变化比较缓和。添加PVA,电阻表现为单一的增长,先快速后缓慢增加；PVA本身电阻极高,添加后会包裹碳纤维,增加电阻。CPAM对电阻影响相对较小,在用量0.3%出现一极值,与抗张指数对应,但后期出现第二个快速增加段，原因在于CPAM本身属于离子型助剂,但电阻仍相对较大,夹杂在碳纤维之间只会增大体系电阻。

图3表明,增强剂用量对碳纤维纸透气性能影响相对较小,在增强剂用量范围内，纸张透气度整体趋势呈现先下降后保持基本不变。其中,MF对透气度的降低最显著,说明MF容易堵塞碳纤维纸的网孔；PVA、PAE和CPAM虽然在用量0.5%以后透气度有<10个单位的增加,但占比不足8%,可认为增强剂用量过多发生部分流失造成。

2.2 表面涂覆增强剂对碳纤维纸性能的影响

图4～图6所示为采用表面涂覆方式考察4种增强剂对碳纤维纸性能的影响。

图4 表面涂覆增强剂对碳纤维纸抗张指数的影响

图5 表面涂覆增强剂对碳纤维纸电阻的影响

图6 表面涂覆增强剂对碳纤维纸透气性影响

图4表明,MF、PVA和PAE等3种增强剂采取表面涂覆方式对碳纤维纸抗张指数影响不大；CPAM影响显著，在用量1.1%时达到最大值,而且强度较其他增强剂增大了近2倍,表明CPAM的表面涂覆可以显著增加碳纤维纸的强度。

图5表明,采取表面涂覆方式,增强剂对碳纤维纸电阻影响较大,随增强剂用量的增加,电阻不断增大,后趋于稳定。其中,添加CPAM的纸张电阻增加最大,表明CPAM能有效分布于纤维网孔,增加碳纤维纸强度的同时增大了体系的电阻。

图6表明,碳纤维纸透气性随增强剂用量的增加表现为先快速降低、后缓慢减少的趋势。增强剂填充碳纤维纸网孔之间,降低了孔隙率,也降低了导电性。CPAM使纸张的透气度降低幅度最大,与电阻及强度指标对应。

2.3 浆内添加与表面涂覆方式的比较

综合图1～图6数据分析可知，MF采用浆内添加方式对碳纤维纸强度的增加更有利,电阻和透气性变化不大；PVA采用表面涂覆方式使碳纤维纸电阻增加较大,其他两个指标变化不大；PAE两种作用方式的3个指标的变化趋势均相差不大；CPAM采用表面涂覆方式使纸张的抗张指数和电阻均显著增加,透气性变化不大。

2.4 压榨对碳纤维纸性能的影响

选取MF为增强剂并采用浆内添加方式,探讨压榨对碳纤维纸性能的影响。纸张在抄片器上抄取后,经过1 min和0.46 MPa的压力下压榨,之后烘干平衡水分检测,结果如图7和图8所示。

由图7和图8可知，压榨可以明显提高碳纤维纸的抗张指数,特别是在增强剂用量较低条件下,提升幅度更显著。压榨条件下,增强剂用量0.3%后抗张指数就趋于平稳；而未压榨条件下,增强剂用量0.7%时,抗张指数才达到最大值。压榨对碳纤维纸的电阻影响较大,压榨条件下,碳纤维纸的电阻随增强剂用量(>0.1%)显示出单一下降趋势,但下降幅度并不大。可以得出,压榨的作用提高了碳纤维纸的导电性。压榨显著降低了碳纤维纸的透气性，与未压榨纸的变化趋势基本保持一致。

图7 压榨对碳纤维纸抗张指数和电阻的影响

图8 压榨对碳纤维纸透气性的影响

3 结 论

研究了三聚氰胺甲醛树脂(MF)、聚酰胺环氧氯丙烷(PAE)、聚乙烯醇(PVA)和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)4种增强剂,采用浆内添加和表面涂覆两种方式对碳纤维纸性能的影响。

3.1 采用浆内添加方式，碳纤维纸抗张指数随增强剂用量的增加均表现为先增后减的趋势,其中MF对抗张强度的提升最为明显。增强剂用量对碳纤维纸透气性影响较小,整体呈现先下降后保持基本不变；添加MF对透气度的降低最显著,说明MF易堵塞碳纤维纸的网孔。

3.2 采用表面涂覆方式,MF、PVA和PAE 3种增强剂对碳纤维纸抗张指数影响不大；4种增强剂对透气性均表现为单一降低趋势。CPAM对碳纤维纸抗张指数影响显著,最大值较其他增强剂增大了近2倍,表明CPAM的表面涂覆可以进一步增加碳纤维纸强度,同时CPAM对电阻增加和透气性降低也最明显。

3.3 MF采用浆内添加方式对碳纤维纸强度的增加更有利,电阻和透气性变化不大；CPAM采用表面涂覆方式的抗张指数和电阻均显著增加,透气性变化不大。

3.4 压榨可以明显提高碳纤维纸的抗张指数,特别是在增强剂用量较低时,提升幅度更显著,使得抗张指数提前达到最高值。压榨的作用使得增强剂对碳纤维纸电阻的影响减弱。

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(责任编辑：常 青)

Study on the Effect of Strength Additives on the Performance of Carbon Paper

HU Zhi-jun*WAN Jia-le ZHANG Xue-jin HU Gui-lin

(ZhejiangUniversityofScienceandTechnology,Hangzhou,ZhejiangProvince,310023)(*E-mail:foxhuz@163.com)

The effect of application of four typical strength additives melamine formaldehyde resin (MF),polyamide epichlorohydrin (PAE),polyvinyl alcohol (PVA) and cationic polyacrylamide (CPAM) in carbon paper with two ways of internal sizing and surface sizing on the properties of carbon paper including physical strength,air permeability and the conductivity was investigated.Meanwhile the effect of pressing on the performance of the handsheet was compared.The results showed that the strength additives could increase the physical strength of carbon paper while resulting in the reduction of conductivity and permeability.The the promotion of tensile index was most obvious,but the reductions of air permeability and the conductivity were also biggest when MF was used internally.Surface sizing of CPAM had the most significant effect on tensile index of carbon paper,its maximum was almost double of that by using other additives,suggesting that the effective retention of CPAM could further increase the strength of carbon paper.Pressing could increase the carbon paper tensile index obviously,the increase of tensile index was amplified under the low dosage of strength additive,and the maximum of tensile index was reached in advanced.The influence of strength additive on carbon paper resistance was weakened.

carbon fiber; carbon paper; strength additive; physical strength; electrical conductivity

胡志军先生，博士；研究方向：特种纸和功能涂料。

2014-06-06(修改稿)

浙江省自然科学基金项目(NO.LY13C160006); 2012浙江科技学院交叉预研项目(NO.2012JC08Y),浙江省 “十二五”重点学科“制浆造纸工程”基金资助。

TQ342+.742；TS727

A

0254-508X(2015)02-0005-04