CN106381752A

CN106381752A - 一种碳纤维发热纸及其应用

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Publication number: CN106381752A
Application number: CN201610789211.7A
Authority: CN
Inventors: 王永军; 穆峻荣
Original assignee: Hebei Jing Chang Electronic Technology Co Ltd; Shijiazhuang Hot Amperex Technology Ltd
Current assignee: Hebei Jing Chang Electronic Technology Co Ltd; Shijiazhuang Hot Amperex Technology Ltd
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2017-02-08

Abstract

本发明属于碳材料技术领域，具体涉及一种碳纤维发热纸。针对现有技术问题，本发明设计提供了一种高强度、高模量、低密度、耐腐蚀、耐高温、导电导热优良的碳纤维发热纸。所述的一种碳纤维发热纸，包含碳纤维8％‑‑22％、植物纤维75％‑‑90％、石墨烯0.001％‑‑0.006％、分散剂0.5％‑‑1.3％、消泡剂0.4％‑‑1.5％。本发明的发热纸由碳纤维与植物纤维纸浆与石墨烯构成，其完全克服了电热膜、导电涂料、碳粉等加热体，易断裂、易脱落、过氧化、过电流、耐热性能差和绝缘强度低等缺点，使它达到具有导电强度高、导电均匀、安全可靠、防屏蔽等功能；将所述发热纸导电极、绝缘材料复合制成发热板应用于发热器，具有供热较快、热效率高、使用寿命长、无污染、节能环保的优点。

Description

一种碳纤维发热纸及其应用

技术领域

本发明属于碳材料技术领域，具体涉及一种碳纤维发热纸。

背景技术

传统的导电纸是以防静电剂、导电粉末作为原料，采用湿部填加或在原纸上以涂布的方式赋予纸张防静电、导电的效果。但是由于金属粉末易被氧化或是涂层易于脱落等原因，使得导电纸导电性及稳定性不高、屏蔽性较差。只能应用于一般电子仪器的防静电及对屏蔽要求不高的场合，更不能应用于电加热采暖系统，极大地限制了导电纸的应用。虽然后来采用在合成纤维的表面镀金属后抄片的方法，但也存在镀层容易脱落、易氧化的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明设计提供了一种高强度、高模量、低密度、耐腐蚀、耐高温、导电导热优良的碳纤维发热纸。

一种碳纤维发热纸，其特征在于包含以下组分，依重量计：碳纤维8％--22％、植物纤维75％--90％、石墨烯0.001％--0.006％、分散剂0.5％--1.3％、消泡剂0.4％--1.5％。

所述的一种碳纤维发热纸，其特征在于所述石墨烯含量为0.003％。

所述的一种碳纤维发热纸，其特征在于所述碳纤维含量为8％-15％，所述植物纤维含量为83％--90％。

所述的一种碳纤维发热纸，其特征在于所述碳纤维含量为8％-10％，所述植物纤维含量为88％--90％。

所述的一种碳纤维发热纸，其特征在于所述碳纤维为T300--3K高强度碳纤维，直径为5--7um，经剪切成为长度8--15mm的短切碳纤维。

所述的一种碳纤维发热纸，其特征在于所述植物纤维由针叶松木料打浆制成，打浆度为24.5°SR。

所述的一种碳纤维发热纸，其特征在于还包括增强剂0.3％--0.5％、施胶剂0.3％--1％、助留助滤剂0.01％--0.08％、造纸防腐剂0.015％--0.04％。

所述的一种碳纤维发热纸，其特征在于所述分散剂为阴离子聚丙烯洗胺(APAM)，所述消泡剂位磷酸三丁酯，所述增强剂为纤维素衍生物(CMC)，所述施胶剂为阳离子分散松香胶，所述助留助滤剂为聚丙烯酰胺，造纸防腐剂为DL501。

所述的一种碳纤维发热纸的应用，其特征在于应用于制作电暖器发热板。

所述的一种碳纤维发热纸的应用，其特征在于所述电暖器发热板由碳纤维发热纸与导电极、绝缘材料在140-160℃的温度下经高压复合压制而成。

本发明的发热纸由碳纤维与植物纤维纸浆与石墨烯构成，其完全克服了电热膜、导电涂料、碳粉等加热体，易断裂、易脱落、过氧化、过电流、耐热性能差和绝缘强度低等缺点，使它达到具有导电强度高、导电均匀、安全可靠、防屏蔽等功能，加入的石墨烯，使得碳纤维纸在原来电阻基本不变的情况下，提高了内部电子的能量，使得电子在高效的迁移过程中，与电子、原子的碰撞加剧，用热的形式释放的能量增加；将所述发热纸导电极、绝缘材料复合制成发热板应用于发热器，具有供热较快、热效率高、使用寿命长、无污染、节能环保的优点。

附图说明

图1为本发明中发热板的结构示意图。

图中，1-碳纤维发热纸、2-导电极、3-绝缘材料、4-电源线。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。

一、碳纤维发热纸的组成结构及原理

(1)碳纤维：质量分数：8％--22％

作为优选，可选用优质进口的T300--3K高强度碳纤维，直径5--7um，经过剪切长丝碳纤维切成长度为8--15mm的短切碳纤维；经过表面去胶、除油，在浓硝酸中浸泡4h，取出烘干，然后在球磨机中粉碎成2--6mm左右的具有表面活性的短切纤维；

(2)植物纤维：质量分数：75％--90％

作为优选，可选用加拿大真叶松木料制成木桨，打桨度24.5°SR。

(3)需要的助剂

导电增强剂：石墨烯质量指数：0.001％--0.006％

分散剂：阴离子聚丙烯洗胺(APAM),质量分数：0.5％--1.3％

消泡剂：磷酸三丁酯，质量分数：0.4％--1.5％

增强剂：纤维素衍生物(CMC)，质量分数：0.3％--0.5％

施胶剂：阳离子分散松香胶，质量分数：0.3％--1％

助留助滤剂：聚丙烯酰胺，质量分数：0.01％--0.08％

造纸防腐剂：DL501，质量分数：0.15‰--0.4‰

(4)原理

在碳纤维纸的制作过程中加入微量的“电子运动强化材料”石墨烯，这就使得碳纤维纸在原来电阻基本不变的情况下，提高了内部电子的能量，使得电子在高效的迁移过程中，与电子、原子的碰撞加剧，用热的形式释放的能量增加。

二、成品测试方案及结果

1、检测仪器

纸样抄取器，ZQJ1-B型，陕西科技大学机械厂制造；

标准桨样疏解器(瑞典进口)；

摆锤式抗张试验机，CN60M/ZL300，西化仪(北京)科技有限公司；

塑料薄膜/薄片自动高精度测厚仪，M9-CHY－C2西化仪(北京)科技有限公司；

多媒体显微镜，上海勇诺生物科技有限公司；

高精度表Agilent 34401A,量程：0--100MΩ，美国仪器。

2、测试方案及结果

将不同用量的碳纤维与植物纤维置于疏解器中，同时加入1.2％的APAM及0.03％的磷酸三丁酯,纾解1400转后抄片。对导电纸的导电性能及力学性能进行测试。

(1)碳纤维含量与纸张的体电阻及线电阻的关系。

采用高精度表Agilent 34401A,测量时在两极施加4kg以上的压力，以减少接触电阻，提高测量准确性。表1是纸张体电阻率随碳纤维含量变化而变化的关系。

表1碳纤维含量对纸张体积电阻率及线电阻的影响

注：定量为60g/m²

从上表可以看出，此种导电纸在碳纤维低含量时，就显示出优异的导电性能。我们可以根据需要，通过调整碳纤维的含量，生产多种规格要求的导电纸。加入石墨烯后，体积电阻率及线电阻均有所下降，导电性能增强。

(2)、纸张定量对导电纸导电性能的影响。

表2是导电纸的线电阻及体电阻与纸张定量的关系

表2纸张定量对体积电阻率及线电阻的影响

注：碳纤维含量为9.5％

从表2可以看出，此种导电纸当碳纤维含量固定时，体积电阻率与纸张的定量无关，基本上保持不变；而线电阻随纸张定量的增加而不断下降。

利用这一性能，可以通过调整纸张定量(厚度)对相同碳纤维含量的纸张线电阻进行调整，生产不同屏蔽性能要求及不同功率要求的电热纸。

(3)、碳纤维含量对导电纸力学性能的影响。

用摆锤式抗张试验机、塑料薄膜/薄片自动高精度测厚仪对导电纸性能测试，结果如表3所示：

表3碳纤维含量对纸张抗张指数的影响

碳纤维含量(％)	抗张指数(N.m.g^ˉ1)
		0	30.28
1	31.38
		2	32.03
5	33.71
		8	33.42
9	33.15
		10	33.02
15	30.24
		20	29.60
25	29.50

注：定量为60g/m²

我们生产的导电纸，碳纤维的含量均低于15％。从上表可以看出，导电纸在保持较高导电性(体积电阻率0.615--0.147Ω.cm)的情况下，还能保持较好的抗张强度(抗张指数≥30.24N.m.g^ˉ1)，完全可以满足使用要求。

(4)、温度对导电纸导电性能的影响。

把导电纸(100X60cm)和环氧树脂板(绝缘板)、PET膜(耐高温聚酯薄膜)、铜电极经热压机(压力600t、温度140--160℃)复合压制成为耐温200℃、绝缘性能良好的电热板。表4为在电极之间通入交流～220V、50HZ时，电热板升高到不同温度时，对电热纸导电性能的影响。

表4温度对导电纸线电阻的影响

注：选用碳纤维含量9.5％的样品。

从上表可以看出，电热纸的线电阻随温度的升高基本保持不变(变化小于2.3％)，略有下降的趋势。表明此种导电纸在工作温度小于120℃时，导电性能相当稳定。

(5)、加入石墨烯后对导电纸发热性能的影响。

通过调整碳纤维含量(9％--9.5％)，按照(4)方法制作线电阻相同的不加入石墨烯、加入石墨烯(0.003％)两块电热板，加入交流～220V、50HZ时，用手持测温仪对加热板表面温度进行测试，测试结果如表5所示。

表5加入石墨烯对导电纸发热性能的影响

注：选用碳纤维含量9--9.5％的样品。20℃时，线电阻为96.27Ω.

从上表可以看出，加入石墨烯后的加热纸升温速度加快，稳定后的温度比未加入石墨烯的电热纸温度提高10℃以上。这表明，在同样的线电阻(也即在输入电压相同时，两块电热纸的输入电功率相同)情况下，加入石墨烯的电热纸发热效率有不小的提高。这对于冬季采暖，在达到同样的温度的情况下，加入石墨烯后电热纸有明显的节电效果。

同样，通过加入适量的石墨烯以提高导电性，可应用于要求屏蔽效果更高的军用、民用场合。

(6)加入石墨烯后对导电纸PTC行为的影响。

按照(5)所述方法制作两块电热板，用手持测温仪对加热板表面温度进行测试，在加热420秒(7分钟)--4小时之间测试结果如表6所示。

表6加入石墨烯对导电纸发热性能的影响

注：选用碳纤维含量9--9.5％的样品。20℃时，线电阻为96.27Ω.

从上表可以看出，电热纸的表面温度上升到一定值后，PTC行为发生作用，温度不再发生变化。加入石墨烯后电热纸的PTC行为仍然保持不变，只是PTC温度提高了。

三、将碳纤维发热纸应用于发热器

本发明的碳纤维发热纸壳应用于制作电采暖器的发热板，如图1所示，所述电暖器发热板由碳纤维发热纸1与导电极2、绝缘材料3复合压制而成，导电极2设置在碳纤维发热纸1的两侧，作为正负两极引出电源线4，与外接电源电路连接。

通过本发明制作的碳纤维发热板发热较快、使用寿命长，且能够对人体起到远红外保健和辐射理疗作用，无烟无尘，不干燥，无污染，绿色环保，且设置简单，易实施，能够工业化大批量制造。

本发明的发热纸由碳纤维与木质纸浆、合成纤维纸浆与电子运动强化材料石墨烯构成。其完全克服了电热膜、导电涂料、碳粉等加热体，易断裂、易脱落、过氧化、过电流、耐热性能差和绝缘强度低等缺点，使它达到具有导电强度高、导电均匀、安全可靠、防屏蔽等功能。经试验，应用本发明制作的碳纤维发热板的新型采暖器与普通电暖器相比可节电30％左右，供暖快，节能效果明显，具有极大的推广价值。

在不脱离本发明原理的前提下，本产品还可以作出若干变型和改进，如所述各种助剂不仅限于本实施例的举例，还可以采用其他常规助剂，均能实现本发明目的，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，这些变型和改进方案也应视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种碳纤维发热纸，其特征在于包含以下组分，依重量计：

碳纤维8％--22％、植物纤维75％--90％、石墨烯0.001％--0.006％、分散剂0.5％--1.3％、消泡剂0.4％--1.5％。

2.如权利要求1所述的一种碳纤维发热纸，其特征在于所述石墨烯含量为0.003％。

3.如权利要求1所述的一种碳纤维发热纸，其特征在于所述碳纤维含量为8％-15％，所述植物纤维含量为83％--90％。

4.如权利要求1所述的一种碳纤维发热纸，其特征在于所述碳纤维含量为8％-10％，所述植物纤维含量为88％--90％。

5.如权利要求1所述的一种碳纤维发热纸，其特征在于所述碳纤维为T300--3K高强度碳纤维，直径为5--7um，经剪切成为长度8--15mm的短切碳纤维。

6.如权利要求1所述的一种碳纤维发热纸，其特征在于所述植物纤维由针叶松木料打浆制成，打浆度为24.5°SR。

7.如权利要求1所述的一种碳纤维发热纸，其特征在于还包括增强剂0.3％--0.5％、施胶剂0.3％--1％、助留助滤剂0.01％--0.08％、造纸防腐剂0.015％--0.04％。

8.如权利要求7所述的一种碳纤维发热纸，其特征在于所述分散剂为阴离子聚丙烯洗胺(APAM)，所述消泡剂位磷酸三丁酯，所述增强剂为纤维素衍生物(CMC)，所述施胶剂为阳离子分散松香胶，所述助留助滤剂为聚丙烯酰胺，造纸防腐剂为DL501。

9.如权利要求1所述的一种碳纤维发热纸的应用，其特征在于应用于制作电暖器发热板。

10.如权利要求9所述的一种碳纤维发热纸的应用，其特征在于所述电暖器发热板由碳纤维发热纸与导电极、绝缘材料在140-160℃的温度下经高压复合压制而成。