基于电缆局部碳纤维复合材料放电性能影响的试验分析

宋耐超,王瑞琦,赵家豪,杜 璇,王 璐

(1.国网河南省电力公司 驻马店供电公司,河南 驻马店 463000;2.河南师范大学,河南 新乡 453007; 3.上海博英信息科技有限公司，上海 200241)

碳纤维复合材料由于具有密度轻、比强度高、抗阻尼性能好、耐腐蚀性能好等特点而被广泛应用于航空航天、交通运输等领域，而随着电热材料在现代生活中应用普及程度的提高[1]，具有导电发热效果的碳纤维复合材料也逐渐开发出来，如目前市场上已出现有助于促进人体血液流通的碳纤维纸基复合材料(通过造纸法或者干法，以碳纤维等为原料制备而成)，这种复合材料能通过导电发热而释放远红外线来作用于电缆，但是其亟待解决的问题是如何做到均匀发热和节能环保，以克服电缆局部放电缺陷[2-3]。在制备碳纤维纸基复合材料过程中，一般需要先制备碳纤维前驱体并加入氧化剂、掺杂剂等，而这些关键因素对碳纤维纸基复合材料电阻率等性能的影响规律尚不清楚[4-7]。本文研究了碳纤维含量、碳纸前驱体成分、氧化剂种类、掺杂剂种类和PY浓度对碳纤维复合材料电阻率和抗张指数等的影响，结果将有助于低电阻率的碳纤维纸基复合材料的制备并推动其在基于电缆局部放电的线路中的应用。

1 材料与方法

实验材料与试剂包括短切碳纤维(5 mm，CF)、1414型芳纶浆粕、打浆度35°的针叶木浆、分析纯无水三氯化铁、分析纯吡咯(PY)、分析纯过硫酸铵(APS)、分析纯十二烷基硫酸钠(SDS)、分析纯十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、分析纯对甲苯磺酸钠(TSNa)、工业纯羧甲基纤维素钠(Na-CMC)、分析纯高锰酸钾、分析纯蒽醌-2-磺酸钠(AQS)、分析纯乙醇、分析纯氢氧化钠(片状)。

预先对碳纤维进行385 ℃/30 min的灼烧处理，然后置于质量分数10%氢氧化钠溶液中浸泡60 min，洗涤过滤后取出表面油脂；将经过预处理的碳纤维在质量分数10%羧甲基纤维素钠溶液中超声处理45 min；然后在疏解器中将浆粕与预处理后的碳纤维进行混合均匀，定型后压榨(0.5 MPa、60 s)和干燥(98 ℃、20 min)处理得到100 g/m2的碳纸前驱体。将针叶木浆/芳纶浆粕与CF混合制备针叶木浆/碳纤维纸(SP/CF)和芳纶浆粕/碳纤维纸(AP/CF)，之后加入硫酸铵(APS)等氧化剂和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)等掺杂剂，并加入浓度0.6 mol/L吡咯(优化PY浓度时浓度介于0～2 mol/L)制备得到碳纤维复合材料PPY/SP/CF和PPY/AP/CF。采用液相聚合法对吡咯进行蒸馏提纯，然后与掺杂剂混合成溶液，将碳纸前驱体在混合溶液中浸渍，之后用喷雾将氧化剂喷到碳纸前驱体上进行0 ℃/360 min的反应，之后经过相同的压榨和干燥工艺得到碳纤维纸基复合材料(CPPY/CF)，制备工艺如图1。

图1 碳纤维纸基复合材料的制备工艺Fig.1 Preparation of carbon fiber paper matrix composites

使用福禄克FLUKE8846A6 1/2数字多用表对材料的电阻率进行测试，测试过程中在2极施加2 kg压力以消除接触电阻；根据GB/T 12914《纸和纸板抗张强度的测定》标准，在L&W Z向抗张强度测试仪上进行抗张强度测试[8]；氧化电势采用IE 6.0电化学工作站进行测试[9]；采用Nicolet i S10傅里叶变换红外光谱仪对红外光谱图进行测试。

2 试验结果与分析

图2为CF含量对碳纸前驱体电阻率和抗张指数的影响。

图2 CF含量对碳纸前驱体电阻率和抗张指数的影响Fig.2 Effect of CF content on resistivity and tensile index of carbon paper precursor

从图2可以看出，随着CF质量分数增加，碳纸前驱体的电阻率先急剧减小；而当CF质量分数增至10%及以上时，其逐渐趋于稳定或略有降低。随着CF质量分数的增加，碳纸前驱体的抗张指数先增大后减小，在CF质量分数为10%时取得最大值。

图3为碳纸前驱体成分对碳纤维增强复合材料电阻率的影响。

图3 碳纸前驱体成分对碳纤维增强复合材料电阻率的影响Fig.3 Effect of carbon paper precursor composition on resistivity of carbon fiber reinforced composites

从图3可以看出，叶木浆/碳纤维纸(SP/CF)的电阻率为0.334 Ω·cm，芳纶浆粕/碳纤维纸(AP/CF)的电阻率为0.353 Ω·cm，SP/CF/PPY的电阻率为0.303 Ω·cm，AP/CF/PPY的电阻率为0.282 Ω·cm。对比分析可知，SP/CF和AP/CF的电阻率相差不大；而SP/CF/PPY的电阻率要高于AP/CF/PPY。这主要是因为在酸性条件下，SP/CF会在一定程度上发生分解，从而使得SP/CF/PPY中的PPY含量会有所减少[10]，反应在最终电阻率上则表现为其电阻率更大。

图4为碳纸前驱体成分对碳纤维增强复合材料红外光谱的影响。

图4 碳纸前驱体成分对碳纤维增强复合材料红外光谱的影响Fig.4 Influence of carbon paper precursor composition on infrared spectrum of carbon fiber reinforced composites

图5为氧化剂种类对碳纤维复合材料电阻率的影响，其中，前驱体为AP/CF、掺杂剂为十二烷基苯磺酸钠。

由图5可以看出，4种氧化剂制备的碳纤维复合材料的电阻率从大至小顺序依次为：KMnO4、H2O2、FeCl3、APS；4种氧化剂制备的碳纤维复合材料的氧化电势从大至小顺序依次为：APS、H2O2、KMnO4、FeCl3。由此可见，4种氧化剂制备的碳纤维复合材料中，APS作为氧化剂时的氧化电势最大，FeCl3作为氧化剂时的氧化电势最小；4种氧化剂制备的碳纤维复合材料中，KMnO4作为氧化剂时的电阻率最大，APS作为氧化剂时的电阻率最小。因此，本文基于电缆局部放电的碳纤维增强复合材料优化的氧化剂为APS。

图5 氧化剂种类对碳纤维复合材料电阻率的影响Fig.5 Effect of oxidant type on resistivity of carbon fiber composite

图6为掺杂剂种类对碳纤维复合材料电阻率的影响，分别列出了十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、甲苯磺酸钠(TSNa)、蒽醌-2-磺酸钠(AQS)和十二烷基硫酸钠(SDS)作为掺杂剂时复合材料的电阻率，前驱体为优化的AP/CF，氧化剂选择优化后的APS。

图6 掺杂剂种类对碳纤维复合材料电阻率的影响Fig.6 Effect of dopant types on resistivity of carbon fiber composites

从图6可以看出，不同掺杂剂制备得到的碳纤维复合材料的电阻率从大至小顺序依次为：SDBS、SDS、TSNa、AQS。由此可见，AQS作为掺杂剂时碳纤维复合材料的电阻率最小，掺杂效果最好；而SDBS作为掺杂剂时碳纤维复合材料的电阻率最大，掺杂效果最差。这主要是因为掺杂剂AQS具有较大的分子体积，能够在反应过程中形成致密性好的PPY[13]；而SDBS由于具有长侧链而降低电荷传输效率[14-17]，造成导电性下降。因此，本文基于电缆局部放电的碳纤维增强复合材料适宜的掺杂剂为AQS。

进一步研究了PY浓度对碳纤维复合材料电阻率的影响，结果如图7。

图7 PY浓度对碳纤维复合材料电阻率的影响Fig.7 Effect of PY concentration on resistivity of carbon fiber composites

从图7可以看出，随着PY浓度的最大，碳纤维复合材料的电阻率先减小后增大，在PY浓度为0.75 mol/L时具有最小值。这主要是因为在较小的PY浓度时，随着PY浓度升高复合材料中PPY含量增大，相应地电阻率会有所减小；但是如果继续增大PY浓度，复合材料中过多的PPY的形成会使得厚度增加[18-20]，电阻率反而增大。因此，为了获得电阻率较低的碳纤维复合材料，适宜的PY浓度为0.75 mol/L。

3 结语

(1)随着CF含量的增加，碳纸前驱体的抗张指数先增大后减小，在CF质量分数为10%时，取得最大值。叶木浆/碳纤维纸(SP/CF)的电阻率为0.334 Ω·cm，芳纶浆粕/碳纤维纸(AP/CF)的电阻率为0.353 Ω·cm，SP/CF/PPY的电阻率为0.303 Ω·cm，AP/CF/PPY的电阻率为0.282 Ω·cm；

(2)4种氧化剂制备的碳纤维复合材料的电阻率从大至小顺序依次为：KMnO4、H2O2、FeCl3、APS，4种氧化剂制备的碳纤维复合材料的氧化电势从大至小顺序依次为：APS、H2O2、KMnO4、FeCl3；

(3)不同掺杂剂制备得到的碳纤维复合材料的电阻率从大至小顺序依次为：SDBS、SDS、TSNa、AQS；随着PY浓度的最大，碳纤维复合材料的电阻率先减小后增大，在PY浓度为0.75 mol/L时具有最小值。