短切碳纤维最佳分散工艺研究

华飞果 吴帅 童树华 史景利

摘要：以3种长度2 mm、3 mm、5 mm的聚丙烯腈碳纤维为研究对象，以表面活性剂、分散剂聚氧化乙烯（PEO）和聚丙烯酰胺（PAM）为分散助剂，探讨表面活性剂、碳纤维长度、碳纤维悬浮液质量分数与分散剂种类、配比及用量对碳纤维分散性能的影响。结果表明，碳纤维长度和碳纤维悬浮液质量分数是影响碳纤维分散的重要因素;3 mm碳纤维在分散体系中质量分数0.1111%、分散剂用量0.0059%、分散剂配比PEO∶PAM=3∶1（质量比）、表面活性剂用量0.025%时，碳纤维在水中达到最佳分散状态，且沉降时间为9 min;分散剂可以帮助碳纤维更快地浸润到水中，加快分散速度。

关键词：碳纤维;表面活性剂;分散剂;分散等级;沉降时间

中图分类号：TS722

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2019.04.007

Abstract：In this paper， polyacrylonitrile carbon fibers with length of 2 mm， 3 mm and 5 mm were used as the research object， surfactant， dispersant PEO and PAM were used as dispersing additives， and the effects of surfactant， fiber length and consistency， the type， ratio and dosage of dispersant on the dispersibility of carbon fibers in water were studied. The results showed that the length and consistency of carbon fiber were important factors affecting the dispersion of carbon fiber; When the consistency of 3 mm carbon fiber reached 0.1111%， the addition of dispersant was 0.0059%， and PEO∶PAM=3∶1， surfactant was 0.025%， the carbon fiber reached the best dispersion state， and the settling time reached 9 min. At the same time， the pretreatment of surfactant could help the fibers soak into water faster and accelerate the dispersion speed.

Key words：carbon fiber; surfactant; dispersant; dispersion grade; settling time

燃料电池（Fuel Cell ，FC）是一种新型的能量转换装置，它通过燃料（如氢气）的电化学氧化和氧化剂（如氧气）的电化学还原直接产生电流。鉴于FC发电不经过燃烧过程，不受卡诺循环的限制，故而FC不仅具有很高的能量转换效率，而且发电过程不会造成环境污染，因此成为21世纪公认的最有前景的清洁能源。

FC种类繁多，性能各异，其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）除具有FC基本特点之外，还具有可在室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长与比能量高等突出优点。在以氢作为主要能源载体的氢能时代，它将是最佳的家庭动力源。

另一方面，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，碳纤维纸就是具有一定碳纤维含量的功能型纸张[1]，而且符合现代材料对轻量化的要求[2]，为了使PEMFC中电化学反应顺利进行，需要对关键部件进行研究，主要包括质子交换膜、气体扩散层和电催化层，而其中适用于PEMFC电极气体扩散层基底的碳纤维纸，虽然已经存在工业化产品，但其制备技术复杂且高度保密[3]，部分指标有待进一步提升，因此系统研究短切碳纤维在浆液中的分散机理和分散工艺，对于制备均匀性良好的基材碳纤维纸具有十分重要的意义[4]。

碳纤维具有石墨乱层结构，碳碳之间以极性非共价键相连接，导致碳纤维表面活性基团少，表面活性低，憎水性强，不易良好分散。因此，如何使碳纤维良好分散于水中将是制造碳纤维纸过程中的关键因素[5]，同时，影响纤维在水中分散特性因素有很多，如纤维长度、纤维表面特性、分散方法、分散浓度等[6]。本研究就碳纤维纸制造过程中碳纤维在水中的

分散性能进行分析，探讨表面活性剂、碳纤维长度、碳纤维悬浮液质量分数及分散剂种类和配比对碳纤维分散性能的影响。

1实验

1.1实验原料

表面活性剂：聚山梨酯80（吐温80），皂化值 -45～60，上海展云化工有限公司;硬脂酸钠（C17H35COONa），郑州康源化工产品有限公司;十二烷基苯磺酸钠（C18H29NaO3S），湖北兴银河化工有限公司。

分散剂：聚丙烯酰胺（PAM），相对分子质量600万，日本住友精化株式会社;聚氧化乙烯（PEO），相對分子质量100万，上海联胜化工有限公司。

AW基聚丙烯腈短切碳纤维，长度2、3、5 mm，南京纬达复合材料有限公司。

1.2实验方法

1.2.1表面活性剂对不同长度碳纤维分散性能的影响

将十二烷基苯磺酸钠、吐温80和硬脂酸钠3种表面活性剂分别配制成质量分数为1%的溶液备用。称取2 mm和3 mm碳纤维各0.5 g置于250 mL烧杯中，加入配制的质量分数为1%的表面活性剂5 g，预处理后再补水至200 g（此时表面活性剂占总混合物的质量分数为0.025%），用玻璃棒搅拌7 min后观察纤维分散情况，同时对比未加表面活性剂的空白样。

1.2.2分散剂及其配比对碳纤维分散性能的影响

以3 mm碳纤维为实验对象，在相同分散剂配比下，探究不同碳纤维悬浮液质量分数下碳纤维在水中的分散等级、沉降时间和沉降高度，探索分散剂最佳配比（质量比）和碳纤维悬浮液质量分数。

1.2.3碳纤维悬浮液质量分数及纤维长度对碳纤维分散性能的影响

在最佳分散剂配比下，以2 mm、5 mm碳纤维为对象进行多组实验，通过逐步提高碳纤维在整个分散体系中的质量分数，探索在分散等级1级时碳纤维悬浮液的最大质量分数。

1.3分散效果表征

1.3.1碳纤维分散等级

为了更好地区分碳纤维在水中的分散程度，将分散后的碳纤维悬浮液搅拌均匀后置于平底蒸发皿内，蒸发皿放置在白底承托物上，普通数码照相机拍照后对比碳纤维聚集状态用于区分碳纤维在水中的分散状态，按照纤维分散程度分成图1所示的4个分散等级（以3 mm碳纤维为例），以该指标为主要参考指标。

1.3.2沉降时间

沉降时间为碳纤维分散完成后，纤维从静置到完全沉淀所需的时间。在相同的容器和纤维长度条件下，沉降时间越长，纤维分散体系越稳定，分散效果越好，该指标为次要参考指标。

1.3.3沉降高度

沉降高度为碳纤维分散完成后，纤维完全沉淀后的纤维高度。在相同的容器和纤维长度条件下，沉降高度越小，分散效果越好，该指标为辅助参考指标。

2结果与讨论

2.1表面活性剂对不同长度碳纤维分散性能的影响

不同表面活性剂对2种长度碳纤维分散效果的影响分别如图2和图3所示。

通过图2和图3可知，3种表面活性剂对促进3 mm 碳纤维在水中的分散作用不大，分散等级为4级，但对比2 mm碳纤维数据表明，在加入0.025%的表面活性剂后，2 mm碳纤维只在玻璃棒搅拌下就达到较好的分散效果，分散等级为2级。

由于碳纤维表面具有疏水性和纤维丝之间存在较大摩擦力[7]，C—C之间以非极性关价键相连接，呈乱层石墨结构，导致碳纤维表面光滑[8]，且制造运输过程中也会在纤维表面沾染焦油等污染物，所以纤维憎水性强，难以迅速地浸润到液体中，分散更加困难。从图2中还可见，在未加入表面活性剂时，由于纤维的憎水性和纤维短切过程中产生的大量轻质纤维束和纤维球团会漂浮在水面，难以快速浸润到水中，但是表面活性剂的加入能帮助纤维快速地浸润到水中。

2.2分散剂及其配比对碳纤维分散性能的影响

实验以3 mm碳纤维为对象，在相同的分散剂用量（分散剂在总分散体系中的质量占比）条件下，分析碳纤维悬浮液质量分数（碳纤维在总分散体系中的质量占比）、分散剂种类和配比对碳纤维分散效果的影响，结果见表1。

通过对比表1中4#和6#的数据，可以发现分散剂PEO与PAM的区别，在分散剂用量为0.0059%的条件下，PEO处理的碳纤维悬浮液在质量分数0.1019%下达到分散等级1级，分散效果好;而PAM处理的碳纤维悬浮液在质量分数0.0185%时达到分散等级1级，但使用PAM处理的纤维却有更长的沉降时间（10 min），远大于PEO处理的碳纤维悬浮液沉降时间（4 min）。

2.3碳纤维悬浮液质量分数及碳纤维长度对分散性能的影响

为分析纤维悬浮液质量分数及碳纤维长度对分散性能的影响，在分散剂最佳配比（PEO∶PAM=3∶1）下进行2种碳纤维长度的分散实验，结果分别见表2和表3。

从表3可以看出，5 mm碳纤维的分散性能要差于3 mm和2 mm碳纤维，表3中6#数据表明，在分散剂最佳配比和用量下，5 mm碳纤维在碳纤维悬浮液质量分数0.0394%时达到分散等级1级。影响5 mm碳纤维分散性能的主要因素是碳纤维自身长度和质量，较长的纤维长度使纤维在水中容易相互打结，较大的自身质量也使得纤维沉降时间缩短。

3结论

本研究就碳纤维纸制造过程中碳纤维在水中的分散性能进行分析，探讨表面活性剂、碳纤维长度、碳纤维悬浮液质量分数、分散剂种类及配比对碳纤维分散性能的影响。

3.1碳纤维长度对碳纤维在水中分散性能影响很大，加上碳纤维本身的特性，必须要有分散剂和表面活性剂的辅助处理才能达到良好的分散状态以满足抄纸要求。

3.2聚氧化乙烯（PEO）和聚丙烯酰胺（PAM）两种分散剂都可以明显提高碳纤维的分散性能，但作用效果存在差异;PEO分散碳纤维的效果好于PAM，而PAM对碳纤维的沉降时间提升明显;采用PEO∶PAM=3∶1（质量比）的配比可优势互补，实现碳纤维的最佳分散。

3.3在分散剂配比PEO∶PAM=3∶1（质量比）、分散剂用量为0.0059%、表面活性剂用量0.025%的条件下，碳纤维悬浮液分散等级达到1级时，2 mm碳纤维悬浮液最大质量分数为0.6964%，3 mm碳纤维悬浮液最大质量分数为0.1111%，5 mm碳纤维悬浮液最大质量分数0.0394%。

参考文献

[1]LI Hongbin， FANG Guigan， SHI Yingqiao， et al. Study on Electric Heating Performance of Carbon Fiber Exothermic Paper[J]. China Pulp & Paper， 2019， 38（3）： 32.李紅斌， 房桂干， 施英乔， 等. 碳纤维纸的电热性能研究[J]. 中国造纸， 2019， 38（3）： 32.

[2]ZOU Wenjun， LU Zhaoqing， YANG Jie. Effect of CPAM on Electromagnetic Shield Made of Carbon FiberNickel Powder[J]. China Pulp & Paper， 2016， 35（2）： 74.邹文俊， 陆赵情， 杨洁. CPAM对碳纤维镍粉电磁屏蔽纸的影响研究[J]. 中国造纸， 2016， 35（2）： 74.

[3]Guan Fengyu， Zhang Wei， Cheng Ying. Study on Dispersion Mechanism of Carbon Fiber for PEMFC in the Slurry[J]. Chemistry Bulletin， 2014， 77（4）： 378.关凤禹， 张伟， 程颖. 质子交换膜燃料电池用碳纤维在浆液中分散机理研究[J]. 化学通报， 2014， 77（4）： 378.

[4]Lv Jinyan. Modification of carbon fiber paper for proton exchange membrane fuel cell[D]. Beijing： Beijing University of Chemical Technology， 2006.呂金艳. 质子交换膜燃料电池用碳纤维纸的性能优化[D]. 北京： 北京化工大学， 2006.

[5]Zhang Meiyun， Zhong Linxin， Peng Xinwen. A study on dispersing properties of carbon fibers in the process of carbon fiber shielding paper[J]. China Pulp & Paper Industry， 2008（6）： 10.张美云， 钟林新， 彭新文. 碳纤维屏蔽纸制造过程中纤维分散性能的研究[J]. 中华纸业，  2008（6）： 10.

[6]ZHAO Jun， HU Jian， LIANG Yun， et al. Study on Carbon Fiber Surface Characteristics and Its Dispersion in Water[J]. China Pulp & Paper， 2008， 27（5）： 15.赵君， 胡健， 梁云， 等. 碳纤维表面特性及其在水中的分散性[J]. 中国造纸， 2008， 27（5）： 15.

[7]Wei Rong， Yan Qingsong， Lu Gang. Effect of ultrasound on the dispersion uniformity of carbon fiber in aqueous solution[J]. HiTech. Fiber & Application， 2014， 39（3）： 40.魏蓉， 严青松， 芦刚. 超声作用对短切碳纤维在水溶液中分散性的影响[J]. 高科技纤维与应用， 2014， 39（3）： 40.

[8]HU Zhijun， WAN Jiale， ZHANG Xuejin， et al. Study on the Effect of Strength Additives on the Performance of Carbon Paper[J]. China Pulp & Paper， 2015， 34（2）： 5.胡志军， 万家乐， 张学金， 等. 增强剂对碳纤维性能影响的研究[J]. 中国造纸， 2015， 34（2）： 5.CPP

（责任编辑：常青）