CN104562835A - 碳纤维增强纸基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导电纸的制备方法，具体为一种碳纤维增强纸基复合材料的制备方法。解决提高导电纤维的分布均匀度问题，原料及步骤如下：原料：80-90%的纸浆板、10-20%的碳纤维、原料的预处理：打浆，使用设备：荷兰式打浆槽，纸浆纤维和导电纤维两者混合，将处理好的导电碳纤维浆液倒入纸浆纤维浆液中，然后稀释，出纸：出纸的车速为5-10米/分，纸浆自然上网，压实，真空吸液，烘干。与现有制备工艺相比，本技术方案在对纤维的分散性处理中，没有用到任何化工型产品，完全物理操作，因此整个生产过程环保安全，不产生污染性强烈的废水，对环境友好。

Description

碳纤维增强纸基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种导电纸的制备方法，具体为一种碳纤维增强纸基复合材料的制备方法。

背景技术

导电纸是一种具有导电性的功能纸，可广泛用于防静电包装，电磁屏蔽，面状发热等军事和民用科技领域。制造方法主要有两种，湿法成型和干法成型。湿法成型的主要技术手段是将碳纤维和纸基纤维在溶液中充分分散，抄成纸张，烘干而得。要点是通过上网浆浓度、碳纤维的长度，分散剂的使用量以及表面化学处理等方法使碳纤维达到良好的分散度。影响导电性能的因素：1碳纤维的长度，2碳纤维的表面处理，3碳纤维的质量分数以及分散均匀度等因素。

碳纤维导电纸是单独使用碳纤维或使用碳纤维与其它纤维为原料，通过湿法或干法制备的一类功能纸。碳纤维具有良好的导电性，将碳纤维与其他纤维混合抄造可制得具有不同电阻率的导电功能纸，此外，碳纤维导电纸还具有轻薄柔软、机械性能好、导热、电热性能优异的特点，因而被广泛应用于新能源、电磁屏蔽、电热、电子器件和抗静电等许多领域。

碳纤维导电纸作为一种高性能的多功能材料具有广阔的发展前景，碳纤维导电纸的研究和开发在国防军工和民用领域都占有重要地位。目前，碳纤维导电纸的制备和应用主要还停留于实验室研究探索阶段，部分科研单位也完成了小试和中试，但都没有得到规模化生产并实现产业化。一方面，碳纤维的表面处理和分散技术在工业生产中一直是有待解决和优化的难点；另一方面，在将实验室研究成果过渡转变为工业化生产的过程中，还面临着许多问题，如何实现碳纤维纸生产的宽幅化，保证其性能的均匀性和稳定性等都是有待解决和深入研究的重要课题。

专利号为941187756公开了一种导电发热用的碳纤维复合纸及其制备方法，主要技术方案是复合纸含有3-20%的导电碳纤维和基体纤维，碳纤维长度为1-20mm。专利号为2008100179054公开了一种碳纤维屏蔽纸的制备工艺，主要步骤是，使用针叶木浆板，打浆后加入一定比例的短切碳纤维，混合均匀后放入纸页成型器中进行加工得到产品。

经过多年观察后发现，这些技术方案形成产品的缺点：导电纤维的组织形态不均匀，有疏有密，电阻值超差过大，发热不均匀屏蔽性能差，严重局部时会引起火灾。经过分析后认为是导电纤维排列不均匀，堆积成团且杂乱无章，无法形成一种均匀的空间连接所致。再结合处理工艺后发现，导致导电纤维排列不均匀的主要原因是制备工艺中对导电纤维的处理方法存在很多问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决提高导电纤维的分布均匀度，克服现有制备工艺中存在的成纸后导电纤维分散度的问题，提供了一种碳纤维增强纸基复合材料的制备方法。

本发明的技术方案是，一种碳纤维增强纸基复合材料的制备方法，原料及步骤如下：

1、原料：80-90%的纸浆板、10-20%的碳纤维、

2、原料的预处理：纸浆板，用清水，7-13℃浸泡，1-3小时，目的是使纤维体积增大，松软，容易碎，容易混合；打浆，使用设备：荷兰式打浆槽；上刀口下刀口之间距离为0.01-0.03mm，重刀打浆40-60分钟，上刀口下刀口之间距离为0.03-0.05mm，轻刀打浆40-60分钟，得到纸浆纤维悬浮液。

通过两次打浆过程的目的，是使纸浆纤维受到两次不同高度剪切力的作用，使纤维形状和物理性质发生质的改变，碳纤维，选用聚丙烯腈基碳纤维，将碳纤维浸泡润胀处理，方案是将其和70-90摄氏度清水混合，洗涤3-10次。不断换水去胶液。温度不能太高，也不能太低，主要目的是为了使碳纤维充分分散，以及去除表面的油，不会出现多支合股以及漂浮的现象。

3、纸浆纤维和导电纤维两者混合，将处理好的导电碳纤维浆液倒入纸浆纤维浆液中，保持65-80摄氏度，在荷兰式打浆槽中混合，要求10-20分之内完成，混合中保持上刀口下刀口之间距离为0.03-0.05mm，轻刀中混合，40-60分钟。

在此过程中，刀重会使导电纤维被切断，而影响导电纤维之间的连接状态，影响产品性能。

4、然后稀释，在打浆槽中，所有纤维占总重的比例为4-5%之间，再送入储浆池中加水稀释浓度为上一工序的三分之一到四分之一之间，再进行稀释，出纸网箱前纤维量比例降至0.1%，稀释步骤时间在5-8分完成。

现有的技术方案中，均是将导电纤维和纸浆纤维进行简单混合，然后进行抄造。但是没有考虑到两种纤维的混合均匀度，这样导致的结果就是导电纤维团聚现象十分明显，当然肉眼宏观观察不到。

5、出纸：出纸的车速为5-10米/分，纸浆自然上网，压实，真空吸液，烘干。

车速很关键，过快或过慢均会导致纸张均匀度下降，出现不规则云朵状图案，而且会出现透空。这样使其中的导电纤维排列不均匀。有的部位聚成团，有的部位为二维网结构。

按照本工艺路线形成的产品，从微观上看，如图1、2所示意，导电纤维呈现三维搭接的立体网状结构，导电纤维混合在基体纤维中，在三维空间内纵横交错，在单位空间内的纤维量一致，搭接均匀度一致，宏观上使导电纤维形成的网络导电性非常均匀稳定，空间任意方向导电均匀性一致，保证了电流在导电纤维形成的网络中传递均匀。形成的导电碳纸产品任意形状剪切，任意方向放置，都不会影响导电性能。而且使用安全。

与现有制备工艺相比，本技术方案在对纤维的分散性处理中，没有用到任何化工型产品，完全物理操作，因此整个生产过程环保安全，不产生污染性强烈的废水，对环境友好。

本工艺中任意一个细节的变动，都会影响产品的质量，例如大量导电纤维悬浮在木浆纤维浆液表面，造成导电纤维分布不均匀，原因是其本上的胶黏剂为处理干净，或者切丝时加油过多，除油不干净，浸泡时水温低，上述物质未能除净，浸泡时间短，未能充分分散。木浆温度高，其中含有的一部分蛋白质等有机物会发酵，从而产生细小的气泡，导电纤维吸附气泡后也容易漂浮。因此，混合浆液必须在短时间内处理完，并尽可能降低抄纸温度。

与现有技术相比，本工艺的特点主要是体现在上述细节的确定，对于木浆纤维和导电纤维的使用比例，并没有太大改观，在基本相似的比例下，本工艺制备的导电纸，效果更好，特别是在造纸过程中，没有使用任何的化学分散剂，纯物理操作，零污染排放，非常环保。

本发明所述工艺制成的导电纸的导电性能检测如下：宏观上，发热均匀，绝对不存在局部过热带来的火灾隐患。标定克数，40-55g/m²,电阻常数，0.02-0,25w/cm²。

附图说明

图1为本发明所述工艺制成的产品的显微结构图；图2为本发明所述工艺制成的产品的显微结构图。 

具体实施方式

实施例1、一种碳纤维增强纸基复合材料的制备方法，使用原料及步骤如下：

1、原料：纸浆选用针叶本色木浆，碳纤维、选用聚丙烯腈基碳纤维，短切成3.5-7.5mm短纤维。

2、原料的预处理：

纸浆板，用清水，10摄氏度浸泡，2小时，然后撕片待用。

纸浆中的纤维因受到体积增大，松软，容易碎，容易混合；打浆，设备：荷兰式打浆槽；上刀口下刀口之间距离为0.02mm，重刀打浆50分钟；上刀口下刀口之间距离为0.04mm，轻刀打浆50分钟。

通过两次打浆过程，使木浆纤维受到高度剪切力的作用，使纤维形状和物理性质发生质的改变，

碳纤维浸泡润胀，和80摄氏度清水混合，洗涤8次，每次不超过20分钟。不断换水去胶液。温度不能太高，也不能太低，主要目的是为了使碳纤维充分分散，不会出现多支合股的现象，导电碳纤维在导电纸中起着关键的作用，因此对其精细处理必不可少，浸泡时间过长，导电碳纤维容易吸附溶液中的杂质，导致电阻值失常，影响产品的分析检测数据。

两者混合，混合过程为本技术特点，将处理好的导电碳纤维浆液缓慢倒入木浆纤维浆液中，65摄氏度以上温度，在打浆槽中混合18分之内完成，混合中保持上刀口下刀口之间距离为0.04mm，轻刀中混合，50分钟；刀重会使导电纤维被切断，而影响导电纤维之间的连接状态，影响产品导电性能和质量。

然后稀释，在打浆槽中，所有纤维的比例约为4-5%之间，再送入储浆池中加水稀释浓度为上一工序的三分之一到四分之一之间，再进行稀释，出纸网箱前纤维量比例降至0.1%。8分左右时间完成，稀释过程中必须一直保持悬浮流动状态，保证出纸的均匀度。

出纸：纸浆自然上网后，经压实，贴在毛布上，真空吸液处理，适当使用蒸汽量，烘干温度控制在85摄氏度，汽压过大，温度过高，会使纸面产生气泡和发脆易撕裂，汽压不足，温度低，会使纸面潮湿，发生霉变。出纸车速控制在8米/分，有利于合成纤维浆料的自然匀速上网，过快会造成合成纤维抢收上网，纸张均匀度下降，出现较多的运朵花，就是不规则的块状物，以及多处透空，更重要的是，导电纤维之间的距离被拉长，无法形成均匀的分布，也就无法形成均匀的三维网络导电搭接机构，大量的形成二维连接结构，影响导电性能，特别是通电后，在成团成块处容易出现温度较高的现象，严重时会引起火灾。

导线纤维悬挂问题：在以往的造纸过程中，会发现导电纤维浮挂在纸张表面，严重影响纸张的局部功率，功率过大，会使局部过热，导致火灾。这一不良现象的产生，愿意主要有：导电纤维本身的胶黏剂没有处理干净，多支合股现象多，切丝时候，加油过多，除油不干净，导致短纤维漂浮在混合浆液上。导电纤维润胀水温不够，混合浆液出现分层。以及在浸泡时候不搅拌，分散不均匀。还有混合纸浆液存放时间过长，导致纸浆轻度发酵，纸浆中的蛋白质外泄分离以及出现气泡，气泡吸附在导电纤维上，使其漂浮。

实施例2、一种碳纤维增强纸基复合材料的制备方法，使用原料及步骤如下：

1、原料：纸浆选用矿棉晶须，碳纤维、选用聚丙烯腈基碳纤维，短切成2.5-7.5mm短纤维。

2、原料的预处理：

纸浆板，用清水，10摄氏度浸泡，2小时，然后撕片待用。

打浆，设备：荷兰式打浆槽

上刀口下刀口之间距离为0.03mm，重刀打浆40分钟

上刀口下刀口之间距离为0.03mm，轻刀打浆60分钟

碳纤维浸泡润胀，和70摄氏度清水混合，洗涤10次，每次不超过20分钟。

两者混合，将处理好的导电碳纤维浆液缓慢倒入纸浆纤维浆液中，65摄氏度以上温度，在打浆槽中混合10分之内完成，混合中保持上刀口下刀口之间距离为0.03mm，轻刀中混合， 60分钟；

然后稀释，在打浆槽中，所有纤维的比例约为5%之间，再送入储浆池中加水稀释浓度为上一工序的三分之一到四分之一之间，再进行稀释，出纸网箱前纤维量比例降至0.1%，5分左右时间完成。稀释过程中必须一直保持悬浮流动状态，保证出纸的均匀度。

出纸：纸浆自然上网后，经压实，贴在毛布上，真空吸液处理，适当使用蒸汽量，烘干温度控制在90摄氏度，出纸车速控制在7米/分。

实施例3、一种碳纤维增强纸基复合材料的制备方法，使用原料及步骤如下：

1、原料：纸浆选用

纤维、选用聚丙烯腈基碳纤维，短切成2.5-10mm短纤维。

2、原料的预处理：

纸浆板，用清水，13摄氏度浸泡，11小时，然后撕片待用。

打浆，设备：荷兰式打浆槽

上刀口下刀口之间距离为0.01mm，重刀打浆60分钟

上刀口下刀口之间距离为0.05mm，轻刀打浆40分钟

碳纤维浸泡润胀，和90摄氏度清水混合，洗涤3次，每次不超过20分钟。

两者混合，将处理好的导电碳纤维浆液缓慢倒入木浆纤维浆液中，70摄氏度以上温度，在打浆槽中混合20分之内完成，混合中保持上刀口下刀口之间距离为0.05mm，轻刀中混合， 60分钟；

然后稀释，在打浆槽中，所有纤维的比例约为5%之间，再送入储浆池中加水稀释浓度为上一工序的三分之一到四分之一之间，再进行稀释，出纸网箱前纤维量比例降至0.1%。5分左右时间完成，稀释过程中必须一直保持悬浮流动状态，保证出纸的均匀度。

出纸：纸浆自然上网后，经压实，贴在毛布上，真空吸液处理，适当使用蒸汽量，烘干温度控制在80摄氏度，出纸车速控制在10米/分。 表1显示本发明实施例所测指标。

表1 

指标	实施例1	实施例2	实施例3
				耐热性	120	300	250
电阻Ω.cm	1300	900	1000
				环境评估	无污染	无污染	无污染

Claims (2)

1.一种碳纤维增强纸基复合材料的制备方法，其特征在于：原料及步骤如下，

（1）、原料：80-90%的纸浆板、10-20%的碳纤维；

（2）、原料的预处理：纸浆板用清水，7-13℃浸泡，1-3小时；

打浆，使用设备，荷兰式打浆槽，上刀口下刀口之间距离为0.01-0.03mm，重刀打浆40-60分钟，上刀口下刀口之间距离为0.03-0.05mm，轻刀打浆40-60分钟得到纸浆纤维悬浮液，

碳纤维，将碳纤维浸泡润胀处理，方案是将其和70-90℃清水混合，洗涤3-10次；

（3）、纸浆纤维和导电纤维两者混合，将处理好的导电碳纤维浆液倒入纸浆纤维浆液中，保持65-80摄氏度，在荷兰式打浆槽中混合，要求10-20分之内完成，混合中保持上刀口下刀口之间距离为0.03-0.05mm，轻刀中混合，40-60分钟；

（4）、稀释，在打浆槽中，所有纤维占总重的比例为4-5%之间，再送入储浆池中加水稀释浓度为上一工序的三分之一到四分之一之间，再进行稀释，出纸网箱前纤维量比例降至0.1%，稀释步骤时间在5-8分完成；

（5）、出纸：出纸的车速为5-10米/分，纸浆自然上网，压实，真空吸液，烘干。

2.根据权利要求1所述的碳纤维增强纸基复合材料的制备方法，其特征在于：原料及步骤如下，

（1）、原料：85%的纸浆板、15%的碳纤维；

（2）、原料的预处理：纸浆板用清水，10℃浸泡，2小时；

打浆，使用设备，荷兰式打浆槽，上刀口下刀口之间距离为0.02mm，重刀打浆50分钟，上刀口下刀口之间距离为0.04mm，轻刀打浆50分钟得到纸浆纤维悬浮液，

碳纤维，将碳纤维浸泡润胀处理，方案是将其和80℃清水混合，洗涤5次；

（3）、纸浆纤维和导电纤维两者混合，将处理好的导电碳纤维浆液倒入纸浆纤维浆液中，保持70摄氏度，在荷兰式打浆槽中混合，要求13分完成，混合中保持上刀口下刀口之间距离为0.04mm，轻刀中混合，50分钟；

（4）、稀释，在打浆槽中，所有纤维占总重的比例为4-5%之间，再送入储浆池中加水稀释浓度为上一工序的三分之一到四分之一之间，再进行稀释，出纸网箱前纤维量比例降至0.1%，稀释步骤时间在5分完成；

（5）、出纸：出纸的车速为8米/分，纸浆自然上网，压实，真空吸液，烘干。