CN104727188A - 一种环境友好型导电纸制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种环境友好型导电纸制备方法。本发明首先称取一定量的针叶木浆纤维分散于水中，并加入一定比例的MWCNT/PANI纳米复合材料。然后，通过高速剪切作用，使纤维与MWCNT/PANI纳米复合材料充分分散、混合，形成高度分散的纸浆与复合材料的悬浮液。最后，经抄纸、干燥等操作得到导电纸。定量为70-110g/m2。本发明工艺流程简捷、自动化程度高。本发明所用原料包括木浆纤维及碳基复合材料，未添加其他化学品。所生产产品属环境友好型，有利于资源回收利用。本发明制得的导电纸可根据需要裁剪成不同形状和大小，且材料导电性能均一，可用于作为抗静电包装材料及面状发热材料等。

Description

一种环境友好型导电纸制备方法
技术领域
本发明属于制浆造纸技术领域，具体涉及以多壁碳纳米管（MWCNT）/聚苯胺（PANI）纳米复合材料作为导电填料，基于湿部成形方法制备环境友好型导电纸。
背景技术
导电纸，一种新型特种纸、功能纸，继承了传统纸张本身的轻质、灵活、低成本、环保等特征，在未来电子元件及储能材料中具备潜在应用前景。事实上，纤维本身不具导电性，纸张的导电性主要取决于导电填料及其应用方式。广义上说，导电纸的制备方法主要有两种：其一，湿部成形方法，将导电填料以物理和/或化学方法沉积在纤维表面，通过传统的湿部成形技术获得具有一定导电性的纤维薄层；其二，表面涂布方法，以导电填料为主原料，辅以胶黏剂等助剂，制备导电涂料，通过表面涂布方式在纸张表面形成导电涂层，制备导电纸。显然，表面涂布方法只能赋予纸张表面导电性，而湿部成形方法可以制备性能更优异的导电纸。
目前，用于赋予纸张导电性的填料主要包括：碳黑、碳纤维、碳纳米管、石墨、石墨烯以及聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯等导电聚合物。在以上导电填料中，碳纳米管因独特的结构与优良的物理化学性能广受瞩目。尤其，以碳纳米管与聚苯胺制备以网状结构为主的复合材料，可有效发挥其协同效应，提高复合材料的综合性能，如更加优异的各向同性导电性、导热性以及三维空间微孔网络等，在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面具有良好的应用前景。
发明内容
本发明提供一种制备环境友好型导电纸的方法，通过如下技术方案实现：
称取一定量的木浆纤维分散于水中，高速剪切分散之后，加入一定比例的MWCNT/PANI纳米复合材料；通过高速剪切作用，使纤维与MWCNT/PANI纳米复合材料充分分散、混合，形成高度分散的纸浆与复合材料的悬浮液，经抄纸、干燥等过程得到导电纸。
上述方法中，所述木浆为针叶木磨木浆，打浆度为40 oSR，称取质量为2 g。
上述方法中，所述MWCNT/PANI复合材料为以下制备路径而来：取0.5 g 经混酸改性的MWCNT、100 mL1 mol/L的盐酸于250 mL的三口烧瓶中，用移液管移取0.49 mL 苯胺加入上述混合物中，接着把上述MWCNT、盐酸溶液、苯胺混合物置于超声波清洗器中超声30 min，然后将其置于冰水浴中并加以机械搅拌反应，转速控制在450 rpm。反应30 min后，逐渐滴加过硫酸铵溶液（0.625 g 过硫酸铵溶于20 mL 1 mol/L的盐酸），滴加的速度调控在每3秒1滴。反应6 h后对所得聚合产物进行抽滤，并用无水乙醇多次洗涤，以确保除去未反应的苯胺及氧化剂等杂质，随后将滤饼放在60 oC烘箱中干燥24 h，最后研磨得到MWCNT/PANI纳米复合材料。
上述方法中，所述MWCNT/PANI纳米复合材料的加入量为10-50%（A+B），其中A为针叶木磨木浆的质量、B为MWCNT/PANI纳米复合材料的质量。
上述方法中，所述高速剪切作用在于对纤维与MWCNT/PANI纳米复合材料混合体系在1500r/min的剪切作用下剪切分散5 min。
本发明是以碳纳米管/聚苯胺纳米复合材料作为导电填料，基于静电作用，通过调控湿部成形方法制备导电纸，并对导电纸的导电性能及力学性能予以评价。
本发明的有益效果：本发明生产工艺流程简捷、自动化程度高，易于实现工业化大生产。所用原料包括木浆纤维及碳基纳米复合材料，未添加其他化学品。所生产产品属环境友好型，有利于资源回收利用。本发明制得的导电纸可根据需要裁剪成不同形状和大小，且材料导电性能均一，可用于作为抗静电包装材料及面状发热材料等。以不同质量的MWCNT/PANI纳米复合材料所抄造的导电纸如图1所示。
附图说明
图1为导电纸图片；
图2为原纸和导电纸的扫描电镜图像。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表达的范围。除非另有说明，实施例中分数和百分比都是以干重计。
实施例 1
一种环境友好型导电纸制备方法。首先，取0.5 g 经混酸改性的MWCNT、100 mL1 mol/L的盐酸于250 mL的三口烧瓶中，用移液管移取0.49 mL 苯胺加入上述混合物中，接着把上述MWCNT、盐酸溶液、苯胺混合物置于超声波清洗器中超声30 min，然后将其置于冰水浴中并加以机械搅拌反应，转速控制在450 rpm。反应30 min后，逐渐滴加过硫酸铵溶液（0.625 g 过硫酸铵溶于20 mL1 mol/L的盐酸），滴加的速度调控在每3秒1滴。反应6 h后对所得聚合产物进行抽滤，并用无水乙醇多次洗涤，以确保除去未反应的苯胺及氧化剂等杂质，随后将滤饼放在60 oC烘箱中干燥24 h，最后研磨得到MWCNT/PANI纳米复合材料。其次，称取2 g针叶木磨木浆纤维分散于水中，在1500 r/min剪切作用下分散2 min后，加入10%的MWCNT/PANI纳米复合材料；通过在1500r/min的剪切作用下剪切分散5min，使纤维与MWCNT/PANI纳米复合材料充分分散、混合，形成高度分散的纸浆与复合材料的悬浮液，经抄纸、干燥等过程得到导电纸。测得导电纸的电导率小于10-10 S/m，抗张指数为50.67 N·m·g-1，撕裂指数为16.43 mN·m2·g-1，耐折度为149 次。
实施例 2
一种环境友好型导电纸制备方法。首先，取0.5 g 经混酸改性的MWCNT、100 mL1 mol/L的盐酸于250 mL的三口烧瓶中，用移液管移取0.49 mL 苯胺加入上述混合物中，接着把上述MWCNT、盐酸溶液、苯胺混合物置于超声波清洗器中超声30 min，然后将其置于冰水浴中并加以机械搅拌反应，转速控制在450 rpm。反应30 min后，逐渐滴加过硫酸铵溶液（0.625 g 过硫酸铵溶于20 mL1 mol/L的盐酸），滴加的速度调控在每3秒1滴。反应6 h后对所得聚合产物进行抽滤，并用无水乙醇多次洗涤，以确保除去未反应的苯胺及氧化剂等杂质，随后将滤饼放在60 oC烘箱中干燥24 h，最后研磨得到MWCNT/PANI纳米复合材料。其次，称取2 g针叶木磨木浆纤维分散于水中，在1500r/min剪切作用下分散2 min后，加入20%的MWCNT/PANI纳米复合材料；通过在1500r/min的剪切作用下剪切分散5 min，使纤维与MWCNT/PANI纳米复合材料充分分散、混合，形成高度分散的纸浆与复合材料的悬浮液，经抄纸、干燥等过程得到导电纸。测得导电纸的电导率0.1 S/m，抗张指数为39.85 N·m·g-1，撕裂指数为10.52 mN·m2·g-1，耐折度为43次。
实施例 3
一种环境友好型导电纸制备方法。首先，取0.5 g 经混酸改性的MWCNT、100 mL1 mol/L的盐酸于250 mL的三口烧瓶中，用移液管移取0.49 mL 苯胺加入上述混合物中，接着把上述MWCNT、盐酸溶液、苯胺混合物置于超声波清洗器中超声30 min，然后将其置于冰水浴中并加以机械搅拌反应，转速控制在450 rpm。反应30 min后，逐渐滴加过硫酸铵溶液（0.625 g 过硫酸铵溶于20 mL1 mol/L的盐酸），滴加的速度调控在每3秒1滴。反应6 h后对所得聚合产物进行抽滤，并用无水乙醇多次洗涤，以确保除去未反应的苯胺及氧化剂等杂质，随后将滤饼放在60 oC烘箱中干燥24 h，最后研磨得到MWCNT/PANI纳米复合材料。其次，称取2 g针叶木磨木浆纤维分散于水中，在1500r/min剪切作用下分散2 min后，加入30%的MWCNT/PANI纳米复合材料；通过在1500r/min的剪切作用下剪切分散5 min，使纤维与MWCNT/PANI纳米复合材料充分分散、混合，形成高度分散的纸浆与复合材料的悬浮液，经抄纸、干燥等过程得到导电纸。所得导电纸的微观结构如图2所示，测得导电纸的电导率0.9 S/m，抗张指数为29.29 N·m·g-1，撕裂指数为9.77 mN·m2·g-1，耐折度为24 次。
实施例 4
一种环境友好型导电纸制备方法。首先，取0.5 g 经混酸改性的MWCNT、100 mL1 mol/L的盐酸于250 mL的三口烧瓶中，用移液管移取0.49 mL 苯胺加入上述混合物中，接着把上述MWCNT、盐酸溶液、苯胺混合物置于超声波清洗器中超声30 min，然后将其置于冰水浴中并加以机械搅拌反应，转速控制在450 rpm。反应30 min后，逐渐滴加过硫酸铵溶液（0.625 g 过硫酸铵溶于20 mL1 mol/L的盐酸），滴加的速度调控在每3秒1滴。反应6 h后对所得聚合产物进行抽滤，并用无水乙醇多次洗涤，以确保除去未反应的苯胺及氧化剂等杂质，随后将滤饼放在60 oC烘箱中干燥24 h，最后研磨得到MWCNT/PANI纳米复合材料。其次，称取2 g针叶木磨木浆纤维分散于水中，在1500r/min剪切作用下分散2 min后，加入40%的MWCNT/PANI纳米复合材料；通过在1500r/min的剪切作用下剪切分散5 min，使纤维与MWCNT/PANI纳米复合材料充分分散、混合，形成高度分散的纸浆与复合材料的悬浮液，经抄纸、干燥等过程得到导电纸。测得导电纸的电导率3 S/m，抗张指数为23.74 N·m·g-1，撕裂指数为8.17 mN·m2·g-1，耐折度为14 次。
实施例 5
一种环境友好型导电纸制备方法。首先，取0.5 g 经混酸改性的MWCNT、100 mL1 mol/L的盐酸于250 mL的三口烧瓶中，用移液管移取0.49 mL 苯胺加入上述混合物中，接着把上述MWCNT、盐酸溶液、苯胺混合物置于超声波清洗器中超声30 min，然后将其置于冰水浴中并加以机械搅拌反应，转速控制在450 rpm。反应30 min后，逐渐滴加过硫酸铵溶液（0.625 g 过硫酸铵溶于20 mL1 mol/L的盐酸），滴加的速度调控在每3秒1滴。反应6 h后对所得聚合产物进行抽滤，并用无水乙醇多次洗涤，以确保除去未反应的苯胺及氧化剂等杂质，随后将滤饼放在60 oC烘箱中干燥24 h，最后研磨得到MWCNT/PANI纳米复合材料。其次，称取2 g针叶木磨木浆纤维分散于水中，在1500r/min剪切作用下分散2 min后，加入50%的MWCNT/PANI纳米复合材料；通过在1500r/min的剪切作用下剪切分散5 min，使纤维与MWCNT/PANI纳米复合材料充分分散、混合，形成高度分散的纸浆与复合材料的悬浮液，经抄纸、干燥等过程得到导电纸。测得导电纸的电导率9 S/m，抗张指数为22.80 N·m·g-1，撕裂指数为6.97 mN·m2·g-1，耐折度为6 次。
图1为添加不同质量MWCNT/PANI纳米复合材料所抄造的导电纸图片。图2中a、b分别是原纸放大500倍和1000倍的扫描电镜图像；图2中c、d分别是导电纸（MWCNT/PANI纳米复合材料的加入量为30%）放大500倍和1000倍的扫描电镜图像。
综上，本发明以碳纳米管/聚苯胺作为导电填料，基于静电作用、通过调控湿部成形方法制备导电纸，不仅可以赋予纸张导电性，而且有效提高纸张的力学性能。这对于纸张的功能性开发、提高纸张的附加值具有重要的理论意义和实践价值。

Claims (5)

1.一种环境友好型导电纸制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）称取一定量的木浆纤维分散于水中，高速剪切分散之后，加入一定比例的MWCNT/PANI纳米复合材料；
（2）通过高速剪切作用，使纤维与MWCNT/PANI纳米复合材料充分分散、混合，形成高度分散的纸浆与复合材料的悬浮液，经抄纸、干燥过程得到导电纸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述木浆为针叶木磨木浆，打浆度为40 oSR，称取质量为2 g。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述MWCNT/PANI纳米复合材料的加入量为10-50%（A+B），其中A为针叶木磨木浆的质量、B为MWCNT/PANI纳米复合材料的质量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述MWCNT/PANI复合材料为以下制备路径而来：取0.5 g 经混酸改性的MWCNT、100 mL1 mol/L的盐酸于250 mL的三口烧瓶中，用移液管移取0.49 mL 苯胺加入上述混合物中，接着把上述MWCNT、盐酸溶液、苯胺混合物置于超声波清洗器中超声30 min，然后将其置于冰水浴中并加以机械搅拌反应，转速控制在450 rpm；反应30 min后，逐渐滴加过硫酸铵溶液，滴加的速度调控在每3秒1滴；反应6 h后对所得聚合产物进行抽滤，并用无水乙醇多次洗涤，以确保除去未反应的苯胺及氧化剂杂质，随后将滤饼放在60 oC烘箱中干燥24 h，最后研磨得到MWCNT/PANI纳米复合材料；所述的过硫酸铵溶液由0.625 g 过硫酸铵溶于20 mL1 mol/L的盐酸得到。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对纤维与MWCNT/PANI纳米复合材料混合体系在1500r/min的剪切作用下剪切分散5 min。
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