CN109898362A - 一种无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于导电功能材料领域，公开了一种无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸及其制备方法。所述制备方法包括如下步骤：将连续的碳纤维和铜纤维剪短成短纤维，然后通过湿法造纸技术得到铜/碳纤维纸，对所得的铜/碳纤维纸进行烘干处理后，再采用高温固相烧结的方法即可得到所述一种无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸。本发明提供的碳纤维纸以碳纤维为原料，用铜纤维取代传统的聚合物粘结剂，通过湿法造纸和固相烧结工艺形成烧结结合点，为碳纤维纸提供了较好的力学性能。此外，由于碳纤维与铜纤维本身的特性，使得碳纤维纸具有较好的导电性和耐热性。
Description
技术领域
本发明属于导电功能材料、电磁屏蔽材料领域，具体涉及一种无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸及其制备方法。
背景技术
近年来，由于加工成本低、易于剪裁、性价比高等优点，无纺布吸引了大量人员的关注。而在众多的无纺布中，碳纤维无纺布(又称碳纤维纸)已经广泛地应用于柔性电子、电磁屏蔽等领域当中。碳纤维纸是以短切碳纤维作为原料，通过湿法造纸技术制备而成的，具有轻质多孔、导电性强、耐腐蚀的特点。碳纤维纸的强度主要是由碳纤维与碳纤维之间的摩擦力来提供的，这一性质导致了碳纤维纸的力学性能较差。一般，为了增强其力学性能，人们往往添加一些聚合物粘结剂，例如聚乙烯纤维。然而聚合物粘结剂会渗透到碳纤维与碳纤维之间，增大了接触电阻，严重地损害碳纤维纸的导电性，从而使得其电磁屏蔽能力下降。因此，如何增强碳纤维纸的力学性能而不损害其导电性是本发明重点解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸及其制备方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
本发明为了解决传统聚合物粘结剂会损害碳纤维纸导电性的问题，提供一种力学性能优异、导电性强、无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸及其制备方法，该制备方法结合了湿法造纸与固相烧结工艺，过程简单可控，便于推广应用。
本发明提供的一种无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸的制备方法，包括如下步骤：
(1)碳纤维和铜纤维的准备：分别将连续的横截面直径为5-15μm的碳纤维、连续的横截面直径为20-25μm的铜纤维剪短至长度为2-10mm的短纤维，然后使用有机溶剂对短纤维进行超声波清洗，清洗后放置到烘箱中40-60℃烘干1-2小时；烘干后，称取剪短后的碳纤维和剪短后的铜纤维(碳纤维横截面直径为5-15μm，铜纤维横截面直径为20-25μm)，剪短后的碳纤维与剪短后的铜纤维质量比为1：2-3；
(2)湿法造纸：将步骤(1)准备好的碳纤维和铜纤维加入到质量分数为1.4wt％-1.7wt％的分散液中进行搅拌分散，得到混合物，将混合物静置5-10min，然后将含有纤维的分散液通过80-100目的不锈钢滤网，抄造成铜/碳纤维纸；
(3)烘干：将步骤(2)所得的铜/碳纤维纸放置到烘干箱进行烘干处理；
(4)固相烧结：将烘干处理后的铜/碳纤维纸放置到平板模具中进行压合，然后在氢气氛围下采用高温固相烧结的方法即可得到所述无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸。
进一步地，步骤(1)中所述有机溶剂为无水丙酮或无水乙醇。
进一步地，步骤(1)中所述超声波清洗的超声频率为20-50KHz，超声波清洗的时间为10-30min。
进一步地，步骤(2)所述分散液为甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素溶液中的一种。
进一步地，步骤(2)中所述搅拌速率为600-700rpm，搅拌时间为4-6min。
进一步地，步骤(3)所述烘干温度为40-60℃，烘干时间为3-4h。
进一步地，步骤(4)所述高温固相烧结的温度为900-1000℃，高温固相烧结时间为30-60min。
由上述的制备方法制得的一种无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸，其结构如图1所示。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：
(1)传统的聚合物粘结剂虽然可以提高碳纤维纸力学性能，但是会损害碳纤维纸的导电性和导热性；本发明采用铜纤维取代传统的聚合物粘结剂，在固相烧结的过程中，铜纤维熔融后与碳纤维形成烧结结合点，为碳纤维纸提供了较好的力学性能；此外，铜纤维本身具备较好的导热性与导电性，本发明提供的方法可以提高碳纤维纸的力学性能而不损害其导电性能。
(2)本发明采用的碳纤维和铜纤维均为耐高温材料，而传统的聚合物粘结剂在高温条件下便会分解失效；因此，本发明所制备的碳纤维纸可以服役于极高温环境，克服了聚合物粘结剂的缺点。
(3)本发明所制备的高性能碳纤维纸具有较好的力学性能和导电性能，并且所使用的工艺流程简单、容易操作，有利于推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的所述无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸的结构示意图；
其中，1-碳纤维；2-铜纤维；3-烧结结合点；4-高性能碳纤维纸。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施例作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
实施例1
一种无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸的制备方法，包括如下步骤：
(1)碳纤维和铜纤维的准备：分别将连续的横截面直径为5um的碳纤维、横截面直径为20um的铜纤维剪短至长度为2mm的短纤维，然后使用无水丙酮对短纤维进行20KHz的超声波清洗30min，清洗后放置到烘箱中40℃烘干2小时。称量0.942g的碳纤维(横截面直径为5um，长度为2mm的短纤维)，并按照碳铜纤维的比例(碳纤维：铜纤维质量比＝1:2)称量1.884g的铜纤维(横截面直径为20um，长度为2mm的短纤维)。
(2)湿法造纸：将步骤(1)准备好的碳纤维和铜纤维放置到质量分数浓度为1.4wt％的羟乙基纤维素溶液中进行搅拌分散，搅拌速度为600rpm，搅拌时间为6min，得到混合物，将混合物静置10min后，将含有纤维的分散液通过一个100目的不锈钢滤网，抄造成铜/碳纤维纸。
(3)烘干：将步骤(2)所得的铜/碳纤维纸放置到烘干箱进行烘干处理。烘干温度为60℃，烘干时间为3小时。
(4)固相烧结：将烘干后的铜/碳纤维纸放置到平板模具中进行压合，然后在氢气氛围下采用高温固相烧结的方法，烧结的温度为900℃，烧结时间为60min，即可得到所述无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸，其结构如图1所示。
实施例2
一种无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸的制备方法，包括如下步骤：
(1)碳纤维和铜纤维的准备：分别将连续的横截面直径为7um的碳纤维、横截面直径为22um的铜纤维剪短至长度为6mm的短纤维，然后使用无水丙酮对短纤维进行40KHz的超声波清洗20min，清洗后放置到烘箱中60℃烘干1小时。称量1.256g的碳纤维(横截面直径为7um，长度为6mm的短纤维)，并按照碳铜纤维的比例(碳纤维：铜纤维质量比＝1:2)称量2.512g的铜纤维(横截面直径为22um，长度为6mm的短纤维)。
(2)湿法造纸：将步骤(1)准备好的碳纤维和铜纤维放置到质量分数浓度为1.7wt％的羟乙基纤维素溶液中进行搅拌分散，搅拌速度为700rpm，搅拌时间为4min，得到混合物，将混合物静置5min后，将含有纤维的分散液通过一个80目的不锈钢滤网，抄造成铜/碳纤维纸。
(3)烘干：将步骤(2)所得的铜/碳纤维纸放置到烘干箱进行烘干处理。烘干温度为40℃，烘干时间为4小时。
(4)固相烧结：将烘干后的铜/碳纤维纸放置到平板模具中进行压合，然后在氢气氛围下采用高温固相烧结的方法，烧结的温度为1000℃，烧结时间为30min，即可得到所述无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸，其结构可参照图1。
实施例3
一种无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸的制备方法，包括如下步骤：
(1)碳纤维和铜纤维的准备：将连续的横截面直径为15um的碳纤维、横截面直径为25um的铜纤维分别剪短至长度为10mm的短纤维，然后使用无水乙醇对短纤维进行50KHz的超声波清洗10min，清洗后放置到烘箱中50℃烘干2小时。称量1.57g的碳纤维(横截面直径为15um的，长度为10mm的短纤维)，并按照碳铜纤维的比例(碳纤维：铜纤维质量比＝1:3)称量4.71g的铜纤维(横截面直径为25um的，长度为10mm的短纤维)。
(2)湿法造纸：将步骤(1)准备好的碳纤维和铜纤维放置到质量分数浓度为1.6wt％的羧甲基纤维素钠溶液中进行搅拌、分散，搅拌速度为600rpm，搅拌时间为5min。待分散液静置8min后，将含有纤维的分散液通过一个80目的不锈钢滤网，抄造成铜/碳纤维纸。
(3)烘干：将步骤(2)所得的铜/碳纤维纸放置到烘干箱进行烘干处理。烘干温度为50℃，烘干时间为4小时。
(4)固相烧结：将烘干后的铜/碳纤维纸放置到平板模具中进行压合，然后在氢气氛围下采用高温固相烧结的方法，烧结的温度为900℃，烧结时间为50min，即可得到所述无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸，其结构可参照图1。
对比例1
制备不添加铜纤维的碳纤维纸(即为普通的碳纤维纸)，包括如下步骤：
(1)碳纤维的准备：将连续的横截面直径为5um的碳纤维剪短至长度为2mm的短纤维，然后使用无水丙酮对短纤维进行20KHz的超声波清洗30min，清洗后放置到烘箱中40℃烘干2小时。称量0.942g的碳纤维(横截面直径为5um，长度为2mm的短纤维)。
(2)湿法造纸：将步骤(1)准备好的碳纤维放置到质量分数为1.4wt％的羟乙基纤维素溶液中进行搅拌分散，搅拌速度为600rpm，搅拌时间为6min，得到混合物，将混合物静置10min后，将含有纤维的分散液通过一个100目的不锈钢滤网，抄造成碳纤维纸。
(3)烘干：将步骤(2)所得的碳纤维纸放置到烘干箱进行烘干处理。烘干温度为60℃，烘干时间为3小时。最终取出即可得到所述普通的碳纤维纸。
测试：采用四点探针法、闪光导热法以及条样法分别测定碳纤维纸的电导率、导热率、拉伸强度。其中，闪光导热法使用长18mm、宽6mm的样品，条样法使用长80mm、宽25mm的样品进行测试。测试结果如下表1所示：
表1
| 电导率(S/cm) | 导热率(W·k<sup>-1</sup>·m<sup>-1</sup>) | 拉伸强度(MPa) | |
| 对比例1得到的碳纤维纸 | 19.5 | 59.2 | 0.7 |
| 实施例1得到的碳纤维纸 | 19.7 | 60.3 | 6.6 |
| 实施例2得到的碳纤维纸 | 20.6 | 60.9 | 7.0 |
| 实施例3得到的碳纤维纸 | 22.1 | 62.1 | 8.2 |
上述试验结果证明了本发明提供的方法可以提高碳纤维纸的拉伸性能而不损害其导电和导热性能。
本发明具体实施制得的无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸，其结构如图1所示。本发明通过湿法造纸，碳纤维1与铜纤维2相互搭接，此时纤维纸的强度仅由纤维之间的摩擦力来提供，力学强度较低。之后进行固相烧结，在高温高压的作用下，铜纤维会熔化并会粘附在碳纤维的表面上，形成了较大接触面积的烧结结合点3。此时固相烧结之后得到的高性能碳纤维纸4的强度则主要是由烧结结合点提供的，铜纤维充当了聚合物粘结剂的作用，力学强度得到了提高。此外，碳纤维和铜纤维均为导电、导热的良导体，以烧结结合点作为“桥梁”，形成了一个完整的导电、导热路径。热量和电流可以很容易地在纤维之间进行传导，使得高性能碳纤维纸的导电和导热性能没有被损害。
上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)碳纤维和铜纤维的准备：分别将横截面直径为5-15μm的碳纤维、横截面直径为20-25μm的铜纤维剪短至长度为2-10mm的短纤维，使用有机溶剂对短纤维进行超声波清洗，清洗后烘干；烘干后，称取剪短后的碳纤维和剪短后的铜纤维，备用；
(2)湿法造纸：将步骤(1)准备好的碳纤维和铜纤维加入到质量分数为1.4wt％-1.7wt％的分散液中进行搅拌分散，得到混合物，将混合物静置5-10min，然后将混合物通过80-100目的不锈钢滤网，抄造成铜/碳纤维纸；
(3)烘干：将步骤(2)所得的铜/碳纤维纸放置到烘干箱进行烘干处理；
(4)固相烧结：将烘干处理后的铜/碳纤维纸放置到平板模具中进行压合，然后在氢气氛围下采用高温固相烧结的方法处理，得到所述无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述有机溶剂为无水丙酮或无水乙醇。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述超声波清洗的超声频率为20-50KHz，超声波清洗的时间为10-30min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述烘干的温度为40-60℃，烘干时间为1-2h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述剪短后的碳纤维与剪短后的铜纤维的质量比为1：2-3。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述分散液为甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素溶液中的一种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述搅拌分散的搅拌速率为600-700rpm，搅拌时间为4-6min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述烘干温度为40-60℃，烘干时间为3-4h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述高温固相烧结的温度为900-1000℃，高温固相烧结的时间为30-60min。
10.由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的一种无聚合物粘结剂的高性能碳纤维纸。
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