CN103103869A - 一种碳纤维复合功能纸的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维复合功能纸的制备方法，该方法包括以下步骤：（1）碳纤维的预处理；（2）抄纸浆料的制备；（3）抄纸；（4）后处理。通过碳纤维的预处理可以有效减少分散剂的用量，减少浪费和水的污染，在抄纸浆料的制备步骤中，可通过加入功能纤维实现碳纤维复合功能纸的功能化；在抄纸步骤中，通过形成一种纤维网络/母板的层状复合材料以提高纤维网络固网前的机械性能和可加工性能。本发明所述的方法，在制备过程中避免了湿法抄纸工艺助剂用量大，水污染严重的问题，是一种绿色节能的制备方法，同时可采用除植物纤维以外的合成纤维作为基体，制备低定量、中定量、高定量的碳纤维复合功能纸。该方法具有成本低、方法简单的优点，能够适应工业连续化生产的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维复合功能纸的制备方法。
背景技术
碳纤维纸是使用碳纤维或活性碳纤维及碳纤维或活性碳纤维与其它植物或非植物纤维混合生产的具有特殊性能的功能纸。碳纤维纸具备许多优良特性，如导电、导热、多孔、吸附性等，因而被广泛应用于能源、军事、环保、土木、电子电器、采暖等领域。
近年来，随着碳纤维的成本不断降低，碳纤维纸优异的导电性能和电热性能使其在民用电热采暖领域受到越来越多的关注。金属材料热传递主要靠自由电子完成，而如碳纤维和石墨等非金属材料的热传递主要依靠晶格的振动和传递完成，即分子、原子、离子等微观粒子的热运动。在固体分子、原子和电子的振动、转动等运动状态发生改变时，会辐射出电磁波，因此热辐射也是碳纤维纸的主要传热方式。由于碳纤维的热传导和热辐射性能相当的好，能有效避免蓄热和过热现象的发生，因而使使用寿命长，电热转换效率高。碳纤维用作电热元件后，其辐射散热比例大于60%；同时，其辐射出波长为8～15μm的远红外波。该波长范围的热辐射易被人体吸收，具有促进血液循环、减缓类风湿关节炎疼痛等理疗作用。碳纤维纸还具有散热均匀、电流密度小等优点，其电热转换效率＞97％，是一种优异的电热材料。
碳纤维纸作为电热材料主要有以下特点：（1）整个纸面都是发热面和散热面，有利于热量的传输和疏散，热辐射性能好，发热均匀；（2）电热转换效率高，比传统电热材料节能15%-30%；（3）远红外电热辐射转化率＞70%，是一种有源远红外加热元件，对人体具有辅助理疗保健作用；（4）柔软轻质，可按照发热功率和规格的要求，控制碳纤维纸的碳纤维含量和纸张尺寸，加工得到各种不同面积和电阻值，满足不同的使用要求；（5）可挠曲、可粘合，加工性能好，适用范围广。因此，碳纤维复合功能纸作为面状发热材料具有很高的开发价值。
现有碳纤维复合功能纸主要采用植物纤维为基体材料，其优点是工艺简单，成型容易，纸张综合性能良好。但是使用植物纤维为基体，纸张成型后具有易吸湿、耐水性差等固有缺陷，其吸湿特性还会导致电热纸电导率的“漂移”，对电热纸电热性能的稳定性造成影响；同时，植物纤维由于不具有结构和成分的可设计性，在电热纸中仅提供了物理机械性能，不具备功能性。
相较于植物纤维，合成纤维具有更好的环境耐受性和功能多样性。以合成纤维为基体可大大拓展碳纤维复合功能纸的使用场合和应用范围，同时赋予碳纤维复合功能纸功能的多样性。但是，由于许多合成纤维如PP、PE缺乏表面活性官能团，造成纤维间的相互结合能力极弱；且当合成纤维以短纤形式存在时，纤维间的物理缠结能力也不强，这就导致了以合成纤维为主要基体时，纸页的湿强度很低，在进入下一道工序时容易产生变形、撕裂等破坏，因而难以加工成型。所以，目前的碳纤维复合功能纸都是以植物纤维为基体纤维，或在植物纤维中混入少量合成纤维，一般不超过20%，通过植物纤维间的氢键作用提供湿态的力学强度；类似地，在非织造布的湿法成网工艺中，为了使得到的纤维网络在后续的铺网和固网工序中不至于变形、撕裂和破坏，需要在浆料中加入一定量的湿增强剂如改性脲醛树脂、聚乙烯醇等用以提供在固网工序前纤维网络的强度。
除此之外，现有碳纸的湿法抄造工艺中，由于需要在浆料制备过程中使用大量的纤维分散剂和湿增强剂，不仅会产生较大的水体污染，而且具有助剂用量大、浪费严重的缺点，难以适应绿色节能的可循环经济发展要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纤维复合功能纸的制备方法。
本发明的一种碳纤维复合功能纸的制备方法，包括以下步骤：
1）碳纤维的预处理：
碳纤维分的表面处理：
对碳纤维进行表面活化处理，得到活化碳纤维，用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为碳纤维分散剂的水溶液，其中，所述碳纤维分散剂的浓度为5～30wt%，所述的碳纤维分散剂为聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯中的一种或其组合；
短切：
将经过表面处理的碳纤维进行短切，制备得到预处理碳纤维，所述的预处理化碳纤维的长度为2～10mm；
2）抄纸浆料的制备：
碳纤维分散液的制备：
将预处理碳纤维均匀分散在水中形成碳纤维分散液，其中，所述预处理碳纤维的含量为0.5～5wt‰，余量为水；
基体纤维分散液的制备：
将长度为2～15mm的基体纤维均匀分散在水中形成基体纤维分散液，其中，所述基体纤维的含量不大于0.5～5wt‰，余量为水；
将所述碳纤维分散液和所述基体纤维分散液均匀混合成抄纸浆料，其中，所述碳纤维与所述基体纤维的质量比为2:98～90:10；
3）抄纸：
在常规湿法抄纸的过滤器上铺设一层母板进行抄纸，浆料中的水被滤去，碳纤维和基体纤维沉积在母板上，得到一种纤维网络/母板的层状复合材料；
所述的母板为带有微孔的片状板；所述微孔的孔径为10～200μm，可供液体粒子通过；
3）后处理：
将所述层状复合材料烘干至质量恒定后，进行加压热处理，然后除去母板，即得到所述的碳纤维复合功能纸；
所述的基体纤维包括基础纤维和粘结纤维；所述粘结纤维占所述基体纤维的5～100wt%；
所述的基础纤维是木浆纤维、棉纤维、麻纤维、聚烯烃纤维、聚酯纤维或人造丝的一种或几种的组合；所述的粘结纤维是低熔点复合纤维、低熔点热塑性纤维中的一种或几种的组合；所述的低熔点复合纤维包括PE/PP复合纤维、PE/PET复合纤维、PP/PET复合纤维；所述的低熔点热塑性纤维包括PP和PE。
所述的碳纤维复合功能纸中碳纤维的质量百分含量为2～90%；所述的碳纤维复合功能纸由碳纤维和基体纤维通过化学粘结、氢键、分子间作用力或机械缠结作用相互搭接形成稳定的三维网状结构。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种碳纤维复合功能纸的制备方法，所述的碳纤维是PAN基碳纤维或沥青基碳纤维；所述的表面活化处理为等离子表面处理或活化剂活化处理；所述的活化剂为KOH、NaOH、HNO3或H3PO4；所述的基体纤维分散液的制备步骤前，所述的基体纤维还经过上浆处理，其中，所述的上浆处理是指用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为基体纤维分散剂的水溶液，其中，所述基体纤维分散剂的浓度为5～30wt%，所述的基体纤维分散剂为聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯中的一种或其组合。
如上所述的一种碳纤维复合功能纸的制备方法，所述母板的材料为纤维素或聚酯或含氟高聚物。
如上所述的一种碳纤维复合功能纸的制备方法，所述烘干的温度为30～80℃；所述加压热处理是指将烘干后的层状复合材料加热至热处理温度，保温10～60分钟后冷却至室温；在上述加热、保温和冷却过程中，保持层状复合材料表面的压力为2～10MPa；所述的热处理温度为120℃～180℃。加压热处理的目的是使如上所述的层状复合材料中的碳纤维导电网络搭接得更紧密，减小接触电阻，同时又使粘结纤维发生熔融热粘合，对所述的层状复合材料的纤维网络进行固定加强。固定加强一方面能使所述的层状复合材料获得良好的机械性能；另一方面提高了导电网络的长期稳定性。
如上所述的一种碳纤维复合功能纸的制备方法，所述的除去母板是当所述母板的材料为纤维素时，所述的除去母板是指将加压热处理后的所述层状复合材料用丙酮水溶液进行洗涤，脱去母板，所述的丙酮水溶液中，丙酮的质量分数为5%～20%；当所述母板的材料为聚酯或含氟高聚物时，所述的除去母板是指将加压热处理后的所述层状复合材料的所述母板剥除。
本发明还提供了一种功能碳纤维复合电热纸的制备方法，包括以下步骤：
1）碳纤维的预处理：
碳纤维分的表面处理：
对碳纤维进行表面活化处理，得到活化碳纤维，用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为碳纤维分散剂的水溶液，其中，所述碳纤维分散剂的浓度为5～30wt%，所述的碳纤维分散剂为聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯中的一种或其组合；
短切：
将经过表面处理的碳纤维进行短切，制备得到预处理碳纤维，所述的预处理化碳纤维的长度为2～10mm；
2）抄纸浆料的制备：
碳纤维分散液的制备：
将预处理碳纤维均匀分散在水中形成碳纤维分散液，其中，所述预处理碳纤维的含量为0.5～5wt‰，余量为水；
基体纤维分散液的制备：
将长度为2～15mm的基体纤维均匀分散在水中形成基体纤维分散液，其中，所述基体纤维的含量不大于0.5～5wt‰，余量为水；
将所述碳纤维分散液和所述基体纤维分散液均匀混合成抄纸浆料，其中，所述碳纤维与所述基体纤维的质量比为2:98～90:10；
3）抄纸：
在常规湿法抄纸的过滤器上铺设一层母板进行抄纸，浆料中的水被滤去，碳纤维和基体纤维沉积在母板上，得到一种纤维网络/母板的层状复合材料；
所述的母板为带有微孔的片状板；所述微孔的孔径为10～200μm，可供液体粒子通过；
3）后处理：
将所述层状复合材料烘干至质量恒定后，进行加压热处理，然后除去母板，即得到所述的碳纤维复合功能纸；
所述的基体纤维包括基础纤维、功能纤维和粘结纤维；所述粘结纤维占所述基体纤维的5～95wt%，所述功能纤维占所述基体纤维的5～95wt%；
所述的基础纤维是木浆纤维、棉纤维、麻纤维、聚烯烃纤维、聚酯纤维或人造丝的一种或几种的组合；所述的功能纤维是远红外辐射功能纤维、阻燃功能纤维、调温纤维中的一种或几种的组合；所述的粘结纤维是低熔点复合纤维、低熔点热塑性纤维中的一种或几种的组合；所述的低熔点复合纤维包括PE/PP复合纤维、PE/PET复合纤维、PP/PET复合纤维；所述的低熔点热塑性纤维包括PP和PE；所述的远红外辐射功能纤维是指用远红外线辐射功能母粒制备的远红外辐射功能纤维，为已有公开技术，如见专利CN1202294C；所述的阻燃功能纤维是指用阻燃功能母粒制备的阻燃功能纤维，为已有公开技术，如见专利CN101104963A；所述的调温纤维是指由相变材料与成纤聚合物通过复合纺丝的方法制成调温纤维，为已有公开技术，如见专利CN101949070B；
所述的功能碳纤维复合电热纸中碳纤维的质量百分含量为2～90%；所述的功能碳纤维复合电热纸由碳纤维和基体纤维通过化学粘结、氢键、分子间作用力或机械缠结作用相互搭接形成稳定的三维网状结构。
如上所述的一种功能碳纤维复合电热纸的制备方法，所述的碳纤维是PAN基碳纤维或沥青基碳纤维；所述的表面活化处理为等离子表面处理或活化剂活化处理；所述的活化剂为KOH、NaOH、HNO3或H3PO4；所述的基体纤维分散液的制备步骤前，所述的基体纤维还经过上浆处理，其中，所述的上浆处理是指用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为基体纤维分散剂的水溶液，其中，所述基体纤维分散剂的浓度为5～30wt%，所述的基体纤维分散剂为聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯中的一种或其组合。
如上所述的一种功能碳纤维复合电热纸的制备方法，所述母板的材料为纤维素或聚酯或含氟高聚物。
如上所述的一种功能碳纤维复合电热纸的制备方法，所述烘干的温度为30～80℃；所述加压热处理是指将烘干后的层状复合材料加热至热处理温度，保温10～60分钟后冷却至室温；在上述加热、保温和冷却过程中，保持层状复合材料表面的压力为2～10MPa；所述的热处理温度为120℃～180℃。加压热处理的目的是使如上所述的层状复合材料中的碳纤维导电网络搭接得更紧密，减小接触电阻，同时又使粘结纤维发生熔融热粘合，对所述的层状复合材料的纤维网络进行固定加强。固定加强一方面能使所述的层状复合材料获得良好的机械性能；另一方面提高了导电网络的长期稳定性，从而提高功能化复合电热纸电热性能的稳定性。
如上所述的一种功能碳纤维复合电热纸的制备方法，所述的除去母板是当所述母板的材料为纤维素时，所述的除去母板是指将加压热处理后的所述层状复合材料用丙酮水溶液进行洗涤，脱去母板，所述的丙酮水溶液中，丙酮的质量分数为5%～20%；当所述母板的材料为PET或含氟高聚物时，所述的除去母板是指将加压热处理后的所述层状复合材料的所述母板剥除。
有益效果：
本发明在制备过程中避免了湿法抄纸工艺助剂用量大，水污染严重的问题，是一种绿色节能的制备方法。
本发明所制备的碳纤维复合功能纸的基体可以是传统的植物纤维，也可以是各种合成纤维，定量调节范围大，可用于制备低定量、中定量、高定量的碳纤维复合功能纸，因此灵活性大。
本发明具有成本低、方法简单的优点，能够适应工业连续化生产的要求。
本发明所制备的碳纤维复合功能纸具有稳定的电热性能，同时还具有电磁屏蔽、抗静电等多种功能性，并可应用于服装面料、室内装潢、工业生产等多个领域。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
（1）通过等离子表面处理对碳纤维进行表面活化处理，得到活化碳纤维，用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为碳纤维分散剂的水溶液，其中，所述碳纤维分散剂的浓度为5wt%，所述的碳纤维分散剂为聚丙烯酰胺；
（2）将经过表面处理的碳纤维进行短切，制备得到预处理碳纤维，所述的预处理化碳纤维的长度为2mm；
（3）将预处理碳纤维均匀分散在水中形成碳纤维分散液，其中，所述预处理碳纤维的含量为0.5‰，余量为水；
（4）将长度为2mm的基体纤维均匀分散在水中形成基体纤维分散液，其中，所述基体纤维的含量为0.5wt‰，余量为水；所述的基体纤维包括基础纤维和粘结纤维；所述粘结纤维占所述基体纤维的5wt%；所述的基础纤维是木浆纤维；所述的粘结纤维是PE/PP复合纤维；
（5）将所述碳纤维分散液和所述基体纤维分散液均匀混合成抄纸浆料，其中，所述碳纤维与所述基体纤维的质量比为2:98；
（6）在常规湿法抄纸的过滤器上铺设一层母板进行抄纸，浆料中的水被滤去，碳纤维和基体纤维沉积在母板上，得到一种纤维网络/母板的层状复合材料；所述的母板为带有微孔的片状板；材料为纤维素，微孔的孔径为10μm；
（7）将所述层状复合材料烘干至质量恒定后，进行加压热处理，然后除去母板，即得到所述的碳纤维复合功能纸；所述烘干的温度为30℃；所述加压热处理是指将烘干后的层状复合材料加热至120℃。保温60分钟后冷却至室温；在上述加热、保温和冷却过程中，保持层状复合材料表面的压力为2MPa；所述的除去母板是指将加压热处理后的所述层状复合材料用丙酮水溶液进行洗涤，脱去母板，所述的丙酮水溶液中，丙酮的质量分数为5%。
所制得的碳纤维复合功能纸的碳纤维含量为2%，厚度为75μm，定重为10g/m2，电阻率为60Ω·cm，电阻率浮动不超过5%。
实施例2
（1）以KOH为活化剂，对碳纤维进行表面活化处理，得到活化碳纤维，用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为碳纤维分散剂的水溶液，其中，所述碳纤维分散剂的浓度为30wt%，所述的碳纤维分散剂为聚氧化乙烯；
（2）将经过表面处理的碳纤维进行短切，制备得到预处理碳纤维，所述的预处理化碳纤维的长度为10mm；
（3）将预处理碳纤维均匀分散在水中形成碳纤维分散液，其中，所述预处理碳纤维的含量为5‰，余量为水；
（4）将长度为15mm的基体纤维均匀分散在水中形成基体纤维分散液，其中，所述基体纤维的含量为5wt‰，余量为水；所述的基体纤维包括基础纤维和粘结纤维；所述粘结纤维占所述基体纤维的5wt%；所述的基础纤维是木浆纤维；所述的粘结纤维是PE纤维；所述的粘结纤维在分散前已经过上浆处理，上浆剂是浓度5wt%聚丙烯酰胺的水溶液；
（5）将所述碳纤维分散液和所述基体纤维分散液均匀混合成抄纸浆料，其中，所述碳纤维与所述基体纤维的质量比为30:70；
（6）在常规湿法抄纸的过滤器上铺设一层母板进行抄纸，浆料中的水被滤去，碳纤维和基体纤维沉积在母板上，得到一种纤维网络/母板的层状复合材料；所述的母板为带有微孔的片状板；材料为聚酯，微孔的孔径为200μm；
（7）将所述层状复合材料烘干至质量恒定后，进行加压热处理，然后将母板剥除，即得到所述的碳纤维复合功能纸；所述烘干的温度为80℃；所述加压热处理是指将烘干后的层状复合材料加热至140℃。保温10分钟后冷却至室温；在上述加热、保温和冷却过程中，保持层状复合材料表面的压力为10MPa。
所制得的碳纤维复合功能纸的碳纤维含量为30%，厚度为1.6mm，定重为250g/m2，电阻率为0.15Ω·cm，电阻率浮动不超过5%。
实施例3
（1）以NaOH为活化剂，对碳纤维进行表面活化处理，得到活化碳纤维，用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为碳纤维分散剂的水溶液，其中，所述碳纤维分散剂的浓度为20wt%，所述的碳纤维分散剂由聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯组合而成；
（2）将经过表面处理的碳纤维进行短切，制备得到预处理碳纤维，所述的预处理化碳纤维的长度为7mm；
（3）将预处理碳纤维均匀分散在水中形成碳纤维分散液，其中，所述预处理碳纤维的含量为3‰，余量为水；
（4）将长度为4mm的基体纤维均匀分散在水中形成基体纤维分散液，其中，所述基体纤维的含量为0.8wt‰，余量为水；所述的基体纤维是PP/PET复合纤维；所述的粘结纤维在分散前已经过上浆处理，上浆剂是浓度30wt%聚氧化乙烯的水溶液；
（5）将所述碳纤维分散液和所述基体纤维分散液均匀混合成抄纸浆料，其中，所述碳纤维与所述基体纤维的质量比为10:90；
（6）在常规湿法抄纸的过滤器上铺设一层母板进行抄纸，浆料中的水被滤去，碳纤维和基体纤维沉积在母板上，得到一种纤维网络/母板的层状复合材料；所述的母板为带有微孔的片状板；材料为含氟高聚物，微孔的孔径为100μm；
（7）将所述层状复合材料烘干至质量恒定后，进行加压热处理，然后将母板剥除，即得到所述的碳纤维复合功能纸；所述烘干的温度为60℃；所述加压热处理是指将烘干后的层状复合材料加热至180℃。保温40分钟后冷却至室温；在上述加热、保温和冷却过程中，保持层状复合材料表面的压力为5MPa。
所制得的碳纤维复合功能纸的碳纤维含量为10%，厚度为680μm，定重为100g/m2，电阻率为1.8Ω·cm，电阻率浮动不超过5%。
实施例4
（1）以HNO3为活化剂，对碳纤维进行表面活化处理，得到活化碳纤维，用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为碳纤维分散剂的水溶液，其中，所述碳纤维分散剂的浓度为10wt%，所述的碳纤维分散剂由聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯组合而成；
（2）将经过表面处理的碳纤维进行短切，制备得到预处理碳纤维，所述的预处理化碳纤维的长度为4mm；
（3）将预处理碳纤维均匀分散在水中形成碳纤维分散液，其中，所述预处理碳纤维的含量为0.5‰，余量为水；
（4）将长度为15mm的基体纤维均匀分散在水中形成基体纤维分散液，其中，所述基体纤维的含量为5wt‰，余量为水；所述的基体纤维包括基础纤维和粘结纤维；所述粘结纤维占所述基体纤维的10wt%；所述的基础纤维是聚烯烃纤维；所述的粘结纤维是PE/PET复合纤维；所述的基体纤维在分散前已经过上浆处理，上浆剂为基体纤维分散剂的水溶液，浓度为30wt%，所述的基体纤维分散剂由聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯组合而成；
（5）将所述碳纤维分散液和所述基体纤维分散液均匀混合成抄纸浆料，其中，所述碳纤维与所述基体纤维的质量比为90:10；
（6）在常规湿法抄纸的过滤器上铺设一层母板进行抄纸，浆料中的水被滤去，碳纤维和基体纤维沉积在母板上，得到一种纤维网络/母板的层状复合材料；所述的母板为带有微孔的片状板；材料为纤维素，微孔的孔径为120μm；
（7）将所述层状复合材料烘干至质量恒定后，进行加压热处理，然后除去母板，即得到所述的碳纤维复合功能纸；所述烘干的温度为70℃；所述加压热处理是指将烘干后的层状复合材料加热至130℃。保温60分钟后冷却至室温；在上述加热、保温和冷却过程中，保持层状复合材料表面的压力为2MPa；所述的除去母板是指将加压热处理后的所述层状复合材料用丙酮水溶液进行洗涤，脱去母板，所述的丙酮水溶液中，丙酮的质量分数为20%；
所制得的碳纤维复合功能纸的碳纤维含量为90%，厚度为90μm，定重为15g/m2，电阻率为0.1Ω·cm，电阻率浮动不超过5%。
实施例5
（1）以H3PO4为活化剂，对碳纤维进行表面活化处理，得到活化碳纤维，用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为碳纤维分散剂的水溶液，其中，所述碳纤维分散剂的浓度为2wt%，所述的碳纤维分散剂为聚丙烯酰胺；
（2）将经过表面处理的碳纤维进行短切，制备得到预处理碳纤维，所述的预处理化碳纤维的长度为8mm；
（3）将预处理碳纤维均匀分散在水中形成碳纤维分散液，其中，所述预处理碳纤维的含量为2‰，余量为水；
（4）将长度为8mm的基体纤维均匀分散在水中形成基体纤维分散液，其中，所述基体纤维的含量为2wt‰，余量为水；所述的基体纤维包括基础纤维和粘结纤维；所述粘结纤维占所述基体纤维的10wt%；所述的基础纤维是聚酯纤维；所述的粘结纤维是PP纤维；所述的基体纤维在分散前已经过上浆处理，上浆剂为基体纤维分散剂的水溶液，浓度为10wt%，所述的基体纤维分散剂由聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯组合而成；
（5）将所述碳纤维分散液和所述基体纤维分散液均匀混合成抄纸浆料，其中，所述碳纤维与所述基体纤维的质量比为20:80；
（6）在常规湿法抄纸的过滤器上铺设一层母板进行抄纸，浆料中的水被滤去，碳纤维和基体纤维沉积在母板上，得到一种纤维网络/母板的层状复合材料；所述的母板为带有微孔的片状板；材料为纤维素，微孔的孔径为100μm；
（7）将所述层状复合材料烘干至质量恒定后，进行加压热处理，然后除去母板，即得到所述的碳纤维复合功能纸；所述烘干的温度为70℃；所述加压热处理是指将烘干后的层状复合材料加热至180℃。保温15分钟后冷却至室温；在上述加热、保温和冷却过程中，保持层状复合材料表面的压力为4MPa；所述的除去母板是指将加压热处理后的所述层状复合材料用丙酮水溶液进行洗涤，脱去母板，所述的丙酮水溶液中，丙酮的质量分数为15%；
所制得的碳纤维复合功能纸的碳纤维含量为20%，厚度为330μm，定重为50g/m2，电阻率为1.2Ω·cm，电阻率浮动不超过5%。
实施例6
（1）以H3PO4为活化剂，对碳纤维进行表面活化处理，得到活化碳纤维，用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为碳纤维分散剂的水溶液，其中，所述碳纤维分散剂的浓度为2wt%，所述的碳纤维分散剂为聚丙烯酰胺；
（2）将经过表面处理的碳纤维进行短切，制备得到预处理碳纤维，所述的预处理化碳纤维的长度为2mm；
（3）将预处理碳纤维均匀分散在水中形成碳纤维分散液，其中，所述预处理碳纤维的含量为2‰，余量为水；
（4）将长度为15mm的基体纤维均匀分散在水中形成基体纤维分散液，其中，所述基体纤维的含量为1wt‰，余量为水；所述的基体纤维包括功能纤维和粘结纤维；所述粘结纤维占所述基体纤维的5wt%，所述功能纤维占所述基体纤维的95wt%；所述的功能纤维是远红外辐射纤维；所述的粘结纤维由PE/PP复合纤维和PE纤维组合而成；所述的基体纤维在分散前已经过上浆处理，上浆剂是浓度5wt%聚氧化乙烯的水溶液；
（5）将所述碳纤维分散液和所述基体纤维分散液均匀混合成抄纸浆料，其中，所述碳纤维与所述基体纤维的质量比为5:95；
（6）在常规湿法抄纸的过滤器上铺设一层母板进行抄纸，浆料中的水被滤去，碳纤维和基体纤维沉积在母板上，得到一种纤维网络/母板的层状复合材料；所述的母板为带有微孔的片状板；材料为纤维素，微孔的孔径为150μm；
（7）将所述层状复合材料烘干至质量恒定后，进行加压热处理，然后除去母板，即得到所述的碳纤维复合功能纸；所述烘干的温度为60℃；所述加压热处理是指将烘干后的层状复合材料加热至150℃。保温15分钟后冷却至室温；在上述加热、保温和冷却过程中，保持层状复合材料表面的压力为4MPa；所述的除去母板是指将加压热处理后的所述层状复合材料用丙酮水溶液进行洗涤，脱去母板，所述的丙酮水溶液中，丙酮的质量分数为10%；
所制得的功能碳纤维复合电热纸的碳纤维含量为5%，厚度为450μm，定重为40g/m2，电阻率为2Ω·cm，电阻率浮动不超过5%，电热辐射转化效率为88%。
实施例7
（1）以H3PO4为活化剂，对碳纤维进行表面活化处理，得到活化碳纤维，用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为碳纤维分散剂的水溶液，其中，所述碳纤维分散剂的浓度为2wt%，所述的碳纤维分散剂为聚丙烯酰胺；
（2）将经过表面处理的碳纤维进行短切，制备得到预处理碳纤维，所述的预处理化碳纤维的长度为4mm；
（3）将预处理碳纤维均匀分散在水中形成碳纤维分散液，其中，所述预处理碳纤维的含量为2‰，余量为水；
（4）将长度为4mm的基体纤维均匀分散在水中形成基体纤维分散液，其中，所述基体纤维的含量为0.5wt‰，余量为水；所述的基体纤维包括功能纤维和粘结纤维；所述粘结纤维占所述基体纤维的95wt%，所述功能纤维占所述基体纤维的5wt%；所述的功能纤维是阻燃纤维；所述的粘结纤维由PE纤维、PE/PP复合纤维、PE/PET复合纤维组合而成；所述的基体纤维在分散前已经过上浆处理，上浆剂是浓度5wt%聚丙烯酰胺的水溶液；
（5）将所述碳纤维分散液和所述基体纤维分散液均匀混合成抄纸浆料，其中，所述碳纤维与所述基体纤维的质量比为2:98；
（6）在常规湿法抄纸的过滤器上铺设一层母板进行抄纸，浆料中的水被滤去，碳纤维和基体纤维沉积在母板上，得到一种纤维网络/母板的层状复合材料；所述的母板为带有微孔的片状板；材料为含氟高聚物，微孔的孔径为80μm；
（7）将所述层状复合材料烘干至质量恒定后，进行加压热处理，然后将母板剥除，即得到所述的碳纤维复合功能纸；所述烘干的温度为30℃；所述加压热处理是指将烘干后的层状复合材料加热至120℃。保温60分钟后冷却至室温；在上述加热、保温和冷却过程中，保持层状复合材料表面的压力为2MPa；
所制得的功能碳纤维复合电热纸的碳纤维含量为2%，厚度为125μm，定重为20g/m2，电阻率为48Ω·cm，电阻率浮动不超过5%，电热辐射转化效率为65%，极限氧指数为27%。
实施例8
（1）以H3PO4为活化剂，对碳纤维进行表面活化处理，得到活化碳纤维，用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为碳纤维分散剂的水溶液，其中，所述碳纤维分散剂的浓度为2wt%，所述的碳纤维分散剂为聚丙烯酰胺；
（2）将经过表面处理的碳纤维进行短切，制备得到预处理碳纤维，所述的预处理化碳纤维的长度为4mm；
（3）将预处理碳纤维均匀分散在水中形成碳纤维分散液，其中，所述预处理碳纤维的含量为2‰，余量为水；
（4）将长度为4mm的基体纤维均匀分散在水中形成基体纤维分散液，其中，所述基体纤维的含量为0.5wt‰，余量为水；所述的基体纤维包括基础纤维、功能纤维和粘结纤维；所述粘结纤维占所述基体纤维的10wt%，所述功能纤维占所述基体纤维的60wt%；所述的基础纤维由麻纤维和人造丝组合而成，所述的功能纤维是调温纤维；所述的粘结纤维是PE/PP复合纤维；所述的功能纤维在分散前已经过上浆处理，上浆剂是浓度5wt%聚丙烯酰胺的水溶液；
（5）将所述碳纤维分散液和所述基体纤维分散液均匀混合成抄纸浆料，其中，所述碳纤维与所述基体纤维的质量比为90:10；
（6）在常规湿法抄纸的过滤器上铺设一层母板进行抄纸，浆料中的水被滤去，碳纤维和基体纤维沉积在母板上，得到一种纤维网络/母板的层状复合材料；所述的母板为带有微孔的片状板；材料为聚酯，微孔的孔径为120μm；
（7）将所述层状复合材料烘干至质量恒定后，进行加压热处理，然后将母板剥除，即得到所述的碳纤维复合功能纸；所述烘干的温度为80℃；所述加压热处理是指将烘干后的层状复合材料加热至130℃。保温10分钟后冷却至室温；在上述加热、保温和冷却过程中，保持层状复合材料表面的压力为10MPa；
所制得的功能碳纤维复合电热纸的碳纤维含量为90%，厚度为95μm，定重为15g/m2，电阻率为0.08Ω·cm，电阻率浮动不超过5%，电热辐射转化效率为68%，同时具有良好的储热调温功能。
实施例9
（1）以NaOH为活化剂，对碳纤维进行表面活化处理，得到活化碳纤维，用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为碳纤维分散剂的水溶液，其中，所述碳纤维分散剂的浓度为2wt%，所述的碳纤维分散剂为聚丙烯酰胺；
（2）将经过表面处理的碳纤维进行短切，制备得到预处理碳纤维，所述的预处理化碳纤维的长度为4mm；
（3）将预处理碳纤维均匀分散在水中形成碳纤维分散液，其中，所述预处理碳纤维的含量为2‰，余量为水；
（4）将长度为4mm的基体纤维均匀分散在水中形成基体纤维分散液，其中，所述基体纤维的含量为0.5wt‰，余量为水；所述的基体纤维包括基础纤维、功能纤维和粘结纤维；所述粘结纤维占所述基体纤维的30wt%，所述功能纤维占所述基体纤维的60wt%；所述的基础纤维由麻纤维、人造丝和木浆纤维组合而成，所述的功能纤维由调温纤维和远红外辐射纤维组合而成；所述的粘结纤维由PP/PET复合纤维和PP纤维组合而成；所述的功能纤维和粘结纤维在分散前已经过上浆处理，上浆剂是浓度5wt%聚丙烯酰胺的水溶液；
（5）将所述碳纤维分散液和所述基体纤维分散液均匀混合成抄纸浆料，其中，所述碳纤维与所述基体纤维的质量比为3:97；
（6）在常规湿法抄纸的过滤器上铺设一层母板进行抄纸，浆料中的水被滤去，碳纤维和基体纤维沉积在母板上，得到一种纤维网络/母板的层状复合材料；所述的母板为带有微孔的片状板；材料为含氟高聚物，微孔的孔径为120μm；
（7）将所述层状复合材料烘干至质量恒定后，进行加压热处理，然后将母板剥除，即得到所述的碳纤维复合功能纸；所述烘干的温度为60℃；所述加压热处理是指将烘干后的层状复合材料加热至180℃。保温45分钟后冷却至室温；在上述加热、保温和冷却过程中，保持层状复合材料表面的压力为7MPa；
所制得的功能碳纤维复合电热纸的碳纤维含量为3%，厚度为120μm，定重为20g/m2，电阻率为4.3Ω·cm，电阻率浮动不超过5%，电热辐射转化效率为82%，同时具有良好的储热调温功能。
实施例10
（1）以NaOH为活化剂，对碳纤维进行表面活化处理，得到活化碳纤维，用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为碳纤维分散剂的水溶液，其中，所述碳纤维分散剂的浓度为2wt%，所述的碳纤维分散剂为聚丙烯酰胺；
（2）将经过表面处理的碳纤维进行短切，制备得到预处理碳纤维，所述的预处理化碳纤维的长度为5mm；
（3）将预处理碳纤维均匀分散在水中形成碳纤维分散液，其中，所述预处理碳纤维的含量为2‰，余量为水；
（4）将长度为4mm的基体纤维均匀分散在水中形成基体纤维分散液，其中，所述基体纤维的含量为0.5wt‰，余量为水；所述的基体纤维包括基础纤维、功能纤维和粘结纤维；所述粘结纤维占所述基体纤维的30wt%，所述功能纤维占所述基体纤维的60wt%；所述的基础纤维由木浆纤维和聚酯纤维组合而成，所述的功能纤维由调温纤维、远红外辐射纤维和阻燃纤维组合而成；所述的粘结纤维为PE/PP复合纤维；所述的基础纤维在分散前已经过上浆处理，上浆剂是浓度5wt%聚丙烯酰胺的水溶液；
（5）将所述碳纤维分散液和所述基体纤维分散液均匀混合成抄纸浆料，其中，所述碳纤维与所述基体纤维的质量比为3:97；
（6）在常规湿法抄纸的过滤器上铺设一层母板进行抄纸，浆料中的水被滤去，碳纤维和基体纤维沉积在母板上，得到一种纤维网络/母板的层状复合材料；所述的母板为带有微孔的片状板；材料为含氟高聚物，微孔的孔径为80μm；
（7）将所述层状复合材料烘干至质量恒定后，进行加压热处理，然后将母板剥除，即得到所述的碳纤维复合功能纸；所述烘干的温度为60℃；所述加压热处理是指将烘干后的层状复合材料加热至140℃。保温60分钟后冷却至室温；在上述加热、保温和冷却过程中，保持层状复合材料表面的压力为4MPa；
所制得的功能碳纤维复合电热纸的碳纤维含量为3%，厚度为400μm，定重为60g/m2，电阻率为4.3Ω·cm，电阻率浮动不超过5%，电热辐射转化效率为82%，极限氧指数为33%，同时具有良好的储热调温功能。
Claims (10)
1.一种碳纤维复合功能纸的制备方法，其特征是包括以下步骤：
1）碳纤维的预处理：
碳纤维分的表面处理：
对碳纤维进行表面活化处理，得到活化碳纤维，用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为碳纤维分散剂的水溶液，其中，所述碳纤维分散剂的浓度为5～30wt%，所述的碳纤维分散剂为聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯中的一种或其组合；
短切：
将经过表面处理的碳纤维进行短切，制备得到预处理碳纤维，所述的预处理化碳纤维的长度为2～10mm；
2）抄纸浆料的制备：
碳纤维分散液的制备：
将预处理碳纤维均匀分散在水中形成碳纤维分散液，其中，所述预处理碳纤维的含量为0.5～5wt‰，余量为水；
基体纤维分散液的制备：
将长度为2～15mm的基体纤维均匀分散在水中形成基体纤维分散液，其中，所述基体纤维的含量不大于0.5～5wt‰，余量为水；
将所述碳纤维分散液和所述基体纤维分散液均匀混合成抄纸浆料，其中，所述碳纤维与所述基体纤维的质量比为2:98～90:10；
3）抄纸：
在常规湿法抄纸的过滤器上铺设一层母板进行抄纸，浆料中的水被滤去，碳纤维和基体纤维沉积在母板上，得到一种纤维网络/母板的层状复合材料；
所述的母板为带有微孔的片状板；所述微孔的孔径为10～200μm，可供液体粒子通过；
3）后处理：
将所述层状复合材料烘干至质量恒定后，进行加压热处理，然后除去母板，即得到所述的碳纤维复合功能纸；
所述的基体纤维包括基础纤维和粘结纤维；所述粘结纤维占所述基体纤维的5～100wt%；
所述的基础纤维是木浆纤维、棉纤维、麻纤维、聚烯烃纤维、聚酯纤维或人造丝的一种或几种的组合；所述的粘结纤维是低熔点复合纤维、低熔点热塑性纤维中的一种或几种的组合；
所述的碳纤维复合功能纸中碳纤维的质量百分含量为2～90%；所述的碳纤维复合功能纸由碳纤维和基体纤维通过化学粘结、氢键、分子间作用力或机械缠结作用相互搭接形成稳定的三维网状结构。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合功能纸的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维是PAN基碳纤维或沥青基碳纤维；所述的基体纤维分散液的制备步骤前，所述的基体纤维还经过上浆处理，其中，所述的上浆处理是指用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为基体纤维分散剂的水溶液，其中，所述基体纤维分散剂的浓度为5～30wt%，所述的基体纤维分散剂为聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯中的一种或其组合。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合功能纸的制备方法，其特征在于，所述母板的材料为纤维素或聚酯或含氟高聚物。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合功能纸的制备方法，其特征在于，所述烘干的温度为30～80℃；所述加压热处理是指将烘干后的层状复合材料加热至热处理温度，保温10～60分钟后冷却至室温；在上述加热、保温和冷却过程中，保持层状复合材料表面的压力为2～10MPa；所述的热处理温度为120℃～180℃。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合功能纸的制备方法，其特征在于，当所述母板的材料为纤维素时，所述的除去母板是指将加压热处理后的所述层状复合材料用丙酮水溶液进行洗涤，脱去母板，所述的丙酮水溶液中，丙酮的质量分数为5%～20%；当所述母板的材料为聚酯或含氟高聚物时，所述的除去母板是指将加压热处理后的所述层状复合材料的所述母板剥除。
6.一种功能碳纤维复合电热纸的制备方法，其特征是包括以下步骤：
1）碳纤维的预处理：
碳纤维分的表面处理：
对碳纤维进行表面活化处理，得到活化碳纤维，用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为碳纤维分散剂的水溶液，其中，所述碳纤维分散剂的浓度为5～30wt%，所述的碳纤维分散剂为聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯中的一种或其组合；
短切：
将经过表面处理的碳纤维进行短切，制备得到预处理碳纤维，所述的预处理化碳纤维的长度为2～10mm；
2）抄纸浆料的制备：
碳纤维分散液的制备：
将预处理碳纤维均匀分散在水中形成碳纤维分散液，其中，所述预处理碳纤维的含量为0.5～5wt‰，余量为水；
基体纤维分散液的制备：
将长度为2～15mm的基体纤维均匀分散在水中形成基体纤维分散液，其中，所述基体纤维的含量不大于0.5～5wt‰，余量为水；
将所述碳纤维分散液和所述基体纤维分散液均匀混合成抄纸浆料，其中，所述碳纤维与所述基体纤维的质量比为2:98～90:10；
3）抄纸：
在常规湿法抄纸的过滤器上铺设一层母板进行抄纸，浆料中的水被滤去，碳纤维和基体纤维沉积在母板上，得到一种纤维网络/母板的层状复合材料；
所述的母板为带有微孔的片状板；所述微孔的孔径为10～200μm，可供液体粒子通过；
3）后处理：
将所述层状复合材料烘干至质量恒定后，进行加压热处理，然后除去母板，即得到所述的功能碳纤维复合电热纸；
所述的基体纤维包括基础纤维、功能纤维和粘结纤维；所述粘结纤维占所述基体纤维的5～95wt%，所述功能纤维占所述基体纤维的5～95wt%；
所述的基础纤维是木浆纤维、棉纤维、麻纤维、聚烯烃纤维、聚酯纤维或人造丝的一种或几种的组合；所述的功能纤维是远红外辐射功能纤维、阻燃功能纤维、调温纤维中的一种或几种的组合；所述的粘结纤维是低熔点复合纤维、低熔点热塑性纤维中的一种或几种的组合；
所述的碳纤维复合功能纸中碳纤维的质量百分含量为2～90%；所述的碳纤维复合功能纸由碳纤维和基体纤维通过化学粘结、氢键、分子间作用力或机械缠结作用相互搭接形成稳定的三维网状结构。
7.根据权利要求6所述的一种功能碳纤维复合电热纸的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维是PAN基碳纤维或沥青基碳纤维；所述的基体纤维分散液的制备步骤前，所述的基体纤维还经过上浆处理，其中，所述的上浆处理是指用功能上浆剂对所述的活化碳纤维进行常规上浆处理，所述的功能上浆剂为基体纤维分散剂的水溶液，其中，所述基体纤维分散剂的浓度为5～30wt%，所述的基体纤维分散剂为聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯中的一种或其组合。
8.根据权利要求6所述的一种功能碳纤维复合电热纸的制备方法，其特征在于，所述母板的材料为纤维素或聚酯或含氟高聚物。
9.根据权利要求6所述的一种功能碳纤维复合电热纸的制备方法，其特征在于，所述烘干的温度为30～80℃；所述加压热处理是指将烘干后的层状复合材料加热至热处理温度，保温10～60分钟后冷却至室温；在上述加热、保温和冷却过程中，保持层状复合材料表面的压力为2～10MPa；所述的热处理温度为120℃～180℃。
10.根据权利要求6所述的一种功能碳纤维复合电热纸的制备方法，其特征在于，当所述母板的材料为纤维素时，所述的除去母板是指将加压热处理后的所述层状复合材料用丙酮水溶液进行洗涤，脱去母板，所述的丙酮水溶液中，丙酮的质量分数为5%～20%；当所述母板的材料为聚酯或含氟高聚物时，所述的除去母板是指将加压热处理后的所述层状复合材料的所述母板剥除。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |