碳纤维纸的电热性能研究

李红斌 房桂干 施英乔 邓拥军 沈葵忠 丁来保 韩善明 焦健 田庆文

摘要： 通过优选分散剂的方式改善碳纤维纸的匀度，制备出温度分布均匀的碳纤维纸，探讨了分散剂对碳纤维纸匀度性能的影响，以及碳纤维纸电阻对电热性能的影响。采用尘埃匀度仪、热成像仪等仪器对制备的碳纤维纸进行表征。结果表明，制备碳纤维纸时，加入用量0.6%的阴离子聚丙烯酰胺（APAM）能够较明显地改善纸张匀度;碳纤维纸在通电加热条件下，电阻仅降低了2.59%，纸张表面温差小于6℃，具有恒定功率的特征;碳纤维在纸张中的加入量为5.0%左右，可以获得较高的远红外法向全发射率，在8～15 μm波段纸张法向全发射率最高为83.13%。

关键词：碳纤维纸;匀度;遠红外线;发射率

中图分类号：TS761.2     文献标识码：A     DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.03.006

Abstract： Carbon fiber paper with uniform temperature distribution was prepared by optimizing dispersant to improve the uniformity of carbon fiber paper. The influence of dispersant on the uniformity of carbon fiber paper and the influence of resistance value of carbon fiber paper on electric heating performance were discussed. The prepared carbon fiber paper was characterized by using instruments such as dust homogenizer and a thermal imager. The results showed that adding 0.6% APMP， the uniformity of the carbon fiber paper could be improved significantly， under electric heating， the resistance value of the carbon fiber paper only reduced by 2.59%， and the temperature difference on the paper surface was less than 6℃， which had the characteristic of constant power， was more appropriate to control a lower content of carbon fiber in the paper in order to have a higher normal emissivity of far infrared. In this study， when the content of carbon fiber was 5.0%， the far infrared emissivity in the 8～15 μm band was 83.13%.

Key words： carbon fiber exothermic paper; sheet formation; far infrared ray; emissivity

随着无机纤维技术的发展，现代造纸原料出现了一个新的领域，采用完全非植物纤维或植物纤维与非植物纤维配合生产具有特定性能的功能型纸张^[1]，改变了传统单一的植物纤维造纸生产方式。碳纤维纸是具有一定碳纤维含量的功能型纸张^[2]，该特种纸作为低温面状发热材料可用于采暖地板、防霉衣柜、红外杀菌等领域^[3]，将有效缓解当前林业产业同质化恶性竞争的局面。

碳纤维纸根据电阻率的不同可以用作电磁波屏蔽材料、面状发热材料、抗静电包装材料^[4]、电化学领域用材料等，其中作为低温面状发热材料的碳纤维纸具有优异的电热性能，在通电状态下，其发热温度范围通常是30～250℃，电热转换效率>97%，比传统材料节能15%～30%，而且它还有一种其他发   热材料所不及的性能，即它的远红外电热辐射转换率>70%，而且还放射出5～20 μm的对人体具有保健功能的远红外线^[5]。因此，碳纤维纸是一种很具有开发价值的低温面状发热材料。

造纸助剂中分散剂分散纤维的机理一般分为三个方面：①分散剂表面电荷与纤维表面电荷相同，可使纤维表面电荷增加，从而增加纤维之间的排斥力，减少纤维之间的絮聚机会;②分散剂表面电荷与纤维表面电荷相反，则分散剂将吸附在纤维表面，使得纤维表面电荷的电性反转，纤维之间相互排斥;③加入的分散剂属于高分子型，可使纸浆悬浮液的黏度增加，使纤维表面附着一层保护膜，从而使纤维不会缠结在一起。但是碳纤维不容易被水润湿^[6-7]，在水中容易产生絮聚，分散性能相对较差^[8-10]，如果碳纤维在纸浆悬浮液中分散不均匀就会造成纸张局部电阻过高或者过低，使得纸张发热不均匀，通电加热过程中容易造成安全隐患。因此，研究碳纤维及植物纤维在抄造过程中的分散性是制备碳纤维纸的关键技术^[11]，且碳纤维纸的电阻对碳纤维纸的电热性能影响还未见相关报道，因此，适宜的纸张匀度及纸张电阻是本研究的侧重点，本研究通过加入分散剂改善纸张匀度，最终为优化碳纤维纸性能提供指导依据。

1 实 验

1.1 实验原料

日本东丽公司优质高碳纤维长丝切制而成的短切无胶碳纤维，单丝直径7.0～10 μm，含碳量≥95% （4 mm）;加拿大“狮牌”商品硫酸盐针叶木浆板。

1.2 实验药品

聚氧化乙烯（PEO），分析纯，阿拉丁试剂有限公司;阴离子聚丙烯酰胺（APAM），分析纯，国药集团化学试剂有限公司;羧甲基纤维素钠（CMC），分析纯，阿拉丁试剂有限公司;盐酸、碳酸氢钠、氢氧化钠，国药集团化学试剂有限公司;阳离子聚电解质（聚二烯丙基二甲基氯化铵标准溶液）、阴离子聚电解质（聚乙烯基磺酸钠标准溶液），美国Aldrich 公司。

1.3 实验设备

标准纸浆疏解器（P95568.S，瑞典PTI公司）;标准纸页成型器（ZQJ1-B-1，英国MESSMER公司）;尘埃匀度仪（2D LAB and F/SENSOR，法国TECHPAP公司）;热成像仪（Ti100，美国福禄克公司）;高精度万用表（117C，美国福禄克公司）;温度记录表（SIN-R6000C，杭州联测）;电荷测定仪（PCD03，BTG公司）。

1.4 实验方法

1.4.1 碳纤维表面电荷测定^[11]

碳纤维表面负电荷密度q（μmol/g）的计算如公式（1）所示。

式中，C₁为阳离子聚电解质的电荷密度，mmol/L;V₁为阳离子聚电解质用量，mL;C₂为阴离子聚电解质的电荷密度，mmol/L;V₂为阴离子聚电解质用量，mL;M为样品绝干质量，g。

1.4.2 碳纤维纸的制备

碳纤维长度4.0 mm，硫酸盐针叶木浆打浆度48^oSR，碳纤维加入量5.0%、10.0%、15.0%、20.0%，加入不同用量的分散剂，用标准纸页成型器进行抄造，定量40.0 g/m²。

1.4.3 纸张匀度的测定

按照GB/T 10739—2002对碳纤维纸样进行恒温恒湿处理，按照FECHPAP公司标准对纸张匀度进行检测。

1.4.4 纸张电热性能测试

按照GB/T 7287—2008《红外辐射加热器试验方法》对纸张电热性能进行测定。

1.4.5 纸张电阻随通电时间的变化

在标准大气压、电压25 V条件下，碳纤维纸张规格13.0 cm×6.5 cm，定量40.0 g/m²，电阻值116 Ω，放置在自制加热装置上进行累计通电1500 h加热。

1.4.6 纸张电阻与远红外辐射强度的研究

将制备的碳纤维纸裁剪成13.0 cm×6.5 cm的规格，测定其电阻及远红外辐射强度。

2 结果与讨论

2.1 碳纤维表面电荷分析

碳纤维特殊的制备过程，使其表面酸性基团含量很少，氧化处理引入酸性基团，这些酸性基团的电离使碳纤维表面带有负电荷，用胶体滴定法计算碳纤维表面负电荷密度为28.75 μmol/g。

2.2 分散剂对碳纤维纸匀度性能影响

纤维在纸张中如果分散不均匀就会造成碳纤维纸局部电阻过高或者过低，使得纸张发热不均匀，因此，碳纤维与植物纤维在水中均匀分散成为制备碳纤维纸的关键。由于碳纤维表面带有负电荷，根据造纸分散剂的分散原理，本研究选取聚氧化乙烯（PEO）、阴离子聚丙烯酰胺（APAM）、羧甲基纤维素钠（CMC）作为分散剂，并对碳纤维纸匀度进行检测，分析分散剂对纤维分散效果的影响，最终为优化碳纤维纸性能提供指导依据。

图1为分散剂用量与碳纤维纸匀度指数的关系。从图1可以看出，与对照样相比，3种分散剂使纸张匀度均有所改善，从匀度改善效果来看，APAM对纸张匀度的改善效果更为显著，当APAM用量从0.2%增加至1.0%时，纸张匀度指数逐渐增加;当APAM用量大于0.6%时，匀度指数变化趋势变缓和，这说明加入APAM分散剂后，增加了碳纤维表面的负电荷，从而增加了碳纤维之间以及与植物纤维之间的排斥力，使得碳纤维在纸浆抄造过程中分散性得到一定的改善。3种分散剂相比，加入0.6%的APAM分散剂后纸张匀度较其他两种分散剂都要好。故本研究最终选取APAM作为分散剂。

图2为自制碳纤维纸的热成像图，從图2中可以看出，该碳纤维纸温度分布均匀，在所选区域内最高温度为50.4℃，最低温度44.5℃，温差不超过5.9℃，图3和图4为某市售碳纤维纸的热成像图。从图3和图4可以看出，这两种市面所销售的碳纤维纸均存在温度分布不均匀的现象，局部温度过高的问题较为突出，温差最高达到了38.2℃。由以上分析可知，加入分散剂后，碳纤维纸的匀度指数得到了明显的改善，且纸张电热性能也得到了改善。

2.3 碳纤维纸的电热性能研究

将碳纤维纸作为发热元件应用于电热地板需研究其电热性能，包括电阻及电热稳定性等，从而为碳纤维纸的实际应用提供理论基础。

2.3.1 纸张电阻随通电时间的变化规律

图5为通电时间对纸张电阻的影响。从图5可以看出，随着通电加热时间的增加，在通电达到576 h后纸张的电阻并没有明显变化。当累计通电时间达到1000 h后，纸张电阻略微降低，达113 Ω，只降低了2.59%，之后电阻的变化趋于稳定，因此，本实验制备的碳纤维纸具有恒定功率的特征。这可能是由于碳纤维与植物纤维导电网络相互之间已经较为紧密的搭接在一起，但是随着通电时间的增加，碳纤维通过导电通路放电，电流击穿绝缘层，促进导电网络的形成，从而使得纸张电阻下降，导电性能增加。另外，碳纤维表面也存在一部分结构不完整的晶格位错、缺陷等，这也会影响碳纤维的导电性能，通电时碳纤维表面的缺陷发生电化学极化，通过热氧化作用，氧化掉部分表层，也促使了碳纤维之间的网络搭接体出现电阻下降的现象。

2.3.2 碳纤维纸的发热稳定性研究

本实验针对碳纤维纸在长时间通电加热条件下的表面温度分布情况进行了研究，结果如图6所示。从图6可以看出，实验累计通电加热172 h的过程中，4个测试点的温度基本维持在44～50℃之间，并且每个测试点在累计通电加热时间内温度波动幅度不大，温差基本维持在3～4℃，这说明本实验中制备的碳纤维纸发热稳定性较好。

2.3.3 纸张电阻与远红外辐射强度的关系

当碳纤维纸通电后，在适当的电阻和电压下，具有优异的发热性能，而且还有一种其他发热材料所不及的远红外发射效应，但是由于远红外波的穿透能力较弱，如果碳纤维纸作为发热元件，表面覆盖有涂层或者其他装饰层，远红外波就会衰减，针对这类问题，开展远红外辐射强度的研究，可为碳纤维纸实际应用时增强远红外发热效应提供一定的理论依据。

本实验通过测定碳纤维纸在8～15 μm波段的法向全发射率来考察纸张电阻对纸张远红外辐射强度的影响，实验结果如图7和图8所示。从图7和图8可以看出，随着碳纤维加入量的增加，纸张电阻由204 Ω降低至28 Ω，在8～15 μm波段纸张法向全发射率由83.13%降低至76.19%，可见，碳纤维纸的远红外法向全发射率随着电阻的降低而降低，由此可知，若要获得较高的纸张远红外法向全发射率，碳纤维在纸张中的加入量要控制在5.0%左右较为适宜;图7中碳纤维纸张的电热转换效率相对较低，最高仅为50.3%。如何提高电热转换效率有待后续研究。

3 结 论

通过优选分散剂的方式改善碳纤维纸匀度，制备出了温度分布均匀的碳纤维纸，并探讨了分散剂对碳纤维纸匀度性能的影响，以及碳纤维纸电阻对电热性能的影响。

3.1 聚氧化乙烯（PEO）、阴离子聚丙烯酰胺（APAM）、羧甲基纤维素钠（CMC）3种分散剂对纸张匀度均有较好的改善作用;3种分散剂相比，用量0.6%的APAM的分散效果好于其他两种分散剂，能够较明显地改善纸张匀度。

3.2 本研究制备的碳纤维纸在通电加热条件下，电阻仅降低了2.59%，纸张表面温差小于6℃，具有恒定功率的特征。

3.3 碳纤维加入量5.0%时，碳纤维纸在远红外8～15 μm波段法向发射率最高为83.13%。

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（责任编辑：黄举）