碳纤维的改性及其纸基功能材料性能的研究

碳纤维的改性及其纸基功能材料性能的研究⊙韩文佳1赵传山1,2陈克复1杨仁党1杨飞1（1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室；华南理工大学广东省造纸技术与装备公共实验室，广州510640；2.山东轻工业学院制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室，济南250353）A research on mod i cation of carbon ber and the p erformance as paper-based fu nctional material⊙H AN Wen -jia 1,ZHAO Chu an-shan 1,2,CHEN Ke-fu 1,Y A NG Ren-d ang 1,YANG Fei 1(1.State Key Lab of Pu lp and Pap er Engin eering ,Guangd ong Public Laboratory of Pap er Technology and Equipment,South Chin a University o f Techn olog y,Guang zh ou 510640,Chin a;2.Key Lab of Pap er Science and T ech nolog y of Ministry of Edu cation,Sh andong Institu te of Lig ht Ind ustry,Jinan 250353,Ch ina)碳纤维是经过1300～1600℃高温碳化制得的含碳量高达93%以上的新型碳材料，具有密度低、模量高、强度高等突出优点[1]。

正是因为碳纤维具有以上优越性能，碳纤维纸基功能材料广泛应用于防静电材料、电磁屏蔽材料、面状发热材料等领域[2～6]。

特别是高纯度的碳纤维纸基功能材料在新能源领域和化学材料领域都有广泛应用，例如燃料电池的气体扩散层电极目前主要材料是高纯度的碳纤维纸[7,8]。

碳纤维比表面积小，表面能低，具有很强的疏水性，造成碳纤维在水中较难分散，而且与胶黏剂结合较差，因此高纯度碳纤维纸面临纸页强度低且匀度差的问题。

通过改性来改变纤维化学惰性提高碳纤维的亲水性，从而有效地改善碳纤维的分散性能以及其与胶黏剂的结合性能，对于提高碳纤维纸的匀度和强度有重要作用。

目前碳纤维改性的方法主要有气相氧化[9]、液相氧化[10,11]、电化学氧化[12,13]、表面涂层处理[14,15]、等离子体处理[16]等方法。

本文探讨了硝酸液相改性对碳纤维性质及碳纤维纸性能的影响。

中图分类号:TS 722;T S 71+2文献标志码:A文章编号:1007-9211(2010)04-0022-05韩文佳，在读博士研究生；主要从事植物资源的高质化利用、加工纸及特种纸的研究工作。

利用未改性和改性的碳纤维在相同的成形条件下制得碳纤维纸，抗张指数按照国家标准进行检测。

1.2.4的碳纤维导电性能的检测导电性能是碳纤维纸非常重要的物理指标，实验中采用数字万用表对碳纤维纸的导电性进行了分析。

试样宽度为1.5c m ，长度为4c m ，有效测量长度为3cm ，待显示数值稳定后记录。

利用如下公式计算电阻率：ρ=R s/l =R w d /1式中：ρ—电阻率，ΩcmR —电阻，Ωw —宽度，cm d —厚度，cm l —长度，cm s —截面积，cm 2利用此参数的测量可以表征碳纤维纸在不同的成形条件下电阻率的变化。

的结果与讨论1的实验1.1的原料及仪器实验原料：聚丙烯腈碳纤维（日本T o r a y 公司）；聚氧化乙烯:工业级；硝酸溶液：浓度为65%，分析纯。

实验仪器：P T I 纸页快速成形器:H EL A N ；扫描电镜；X 射线衍射分析仪；高倍生物显微镜；超声波洗涤器（型号KQ2200）；数字万用表（DT 9205B ）。

1.2的实验方法1.2.1的碳纤维的改性利用一定浓度的硝酸在冷凝回流装置中对碳纤维进行改性，改性温度选用30℃、60℃、90℃，改性时间为30m i n 、60m i n 、90m i n 、120m i n 、150m i n ，改性结束后加碱中和剩余的酸，然后反复洗涤，将纤维干燥待用。

1.2.2的碳纤维润湿性能的检测分散时间法：取0.1g 碳纤维在超声波作用下分散在500m l 水中，记录至纤维完全分散需要的时间。

3的碳纤维纸基材料强度性能测试摘要：为了提高碳纤维和所成纸基功能材料的性能，利用一定浓度的硝酸对碳纤维进行了改性。

利用X 射线衍射(XRD )、扫描电镜（SEM ）等分析手段对改性后碳纤维进行分析。

结果表明：随着改性的进行，纤维亲水性明显提高，碳纤维在水中的分散性得到改善；碳纤维的石墨特征几乎没有变化，但观察到纤维表面受到明显的侵蚀。

对纸基功能材料的物理检测结果表明：随着改性时间延长和温度的提高，碳纤维纸的匀度得到明显的改善，抗张指数呈先增加后降低的趋势，电阻率呈逐渐增大的趋势。

综合考虑纤维改性效果和碳纤维纸性能的变化，确定最佳改性温度为60℃，改性时间为90min ，此时碳纤维纸的抗张指数为14.2N m /g ，电阻率为0.153Ω.cm 。

关键词：碳纤维；改性；功能材料；抗张指数；电阻率A b str act:Carb on b er w as mod i ed w ith n itric acid in ord er to imp rov e th e p rop er ties of carb o n b er an d p ap er-based fu n ction a l mater ia ls.Mod i ed carb on b er w as an alyzed by th e X-ray d iffractio n p atter n ,th e SEM an d o ther meth od s.Resu lts sho w th at th e h yd ro p h ilicity an d d isp ersion in w ater of b er are sign i ca ntly imp ro ved after mo d i catio n.Th e g rap h ite ch ar acteristic of carb on b er ch a ng es little w h ile seriou s cor rosio n o ccu rs on th e su r face of b er.T he p hy sical p r op erties of p ap er -b ased fu n ctio na l materials wer e tested.Th e resu lt sho w th at th e resistiv ity in cr eases w ith th e in crease o f the mod i catio n time an d tem per atu re.It w as also fou n d th at the ten sile in d ex in cr eases rst,an d th en d ecrea ses an d th e carb on pap er ’s fo rmation is obv iou sly imp rov ed.Wh en th e effect of mod i cation an d p erform an ce o f carb on b er p ap er are co n sid ered ,its op tim al mod i cation con d itio n s are th at th e mo d i cation time 90min an d temp eratu re 60℃.In th ese con d ition s,th e ten sile in d ex an d r esistiv ity of carb on b er p ap er ar e 14.2N m/g an d 0.153Ωcm r esp ectively .K ey w or d s:carb on b er;mod i cation ;fu nctio n al material;ten sile in dex;r esistiv ity21.2.度分散5m i n 后，用数码相机记录纤维在水中的分散情况。

可以看出，改性前纤维在水中具有很强的疏水性，改性后纤维的亲水性提高，纤维能在一定搅拌作用的情况下分散成单根纤维的形式，纤维在水中的分散效果明显改善。

2.1.2的碳纤维表面形态的变化碳纤维在60℃条件下，利用一定浓度的硝酸分别处理30m i n 、60m i n 、90m i n 、120m i n ，利用扫描电镜对纤维表面形态进行记录，如图4～图7所示。

由图4电镜照片可以看出，碳纤维改性前的表面非常均匀，表面光滑；由图5～图7可以看出，硝酸的液相改性在一定程度上侵蚀了纤维表面，随着改性时间的延长，纤维表面受到的侵蚀作用越来越明显，这样很大程度上提高了碳纤维表面的亲水性、比表面积，从而改善了碳纤维的分散性能。

由处理120m i n 的碳纤维电镜照片可以看出，纤维受到的侵蚀作用已经非常明显，纤维出现多处开裂，会导致纤维本身强度以及其他性能的严重损失，可能会影响碳纤维纸的强度性能和其他性能，因此60℃的条件下改性时间也不宜过长。

结合碳纤维改性后分散性的变化，确定最佳的改性条件为60℃、改性时间90m i n 。

2.1.3的碳纤维结构的变化图8为在60℃的条件下液相氧化改性90m i n 后与未改性的碳纤维，通过X 衍射表征碳纤维结构的变化。

由图8可知，未改性和改性后的碳纤维的衍射峰都基本呈明显石墨晶体特性，但改性后特征衍射峰强度明显变小[8]，长时间的反应可能会导致石墨结构发生严重变化影响碳纤维的强度。

因此，用硝酸改性碳纤维的反应时间不宜太长，温度不宜太高。

2.2的碳纤维改性对纤维成纸性能的影响2.2.1的碳纤维纸匀度的变化以改性前后的碳纤维分别抄得定量为30g/m 2的碳纤维纸，图9和图10为生物显微镜观察到的纸页结构。

从图9、图10的显微镜照片中可以观察到，未改性碳纤维在纸页中呈较大纤维束的形式存在，改性后纤维束明显减少，纸页匀度明显改善。

2.2.2的改性对碳纤维纸强度的影响采用改性前后的碳纤维抄造碳纤维纸，研究碳纤维的改性对碳纤维纸强度的影响。

在添加一定量的分散剂和胶黏剂的条件下，分别抄造定量为6的纸页，2.1的碳纤维改性对纤维性质的影响2.1.1的碳纤维亲水性能的变化利用一定浓度的硝酸在不同的温度和时间的条件下进行改性，图1是改性后一定量的碳纤维分散至均匀所需时间的变化趋势。