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碳纤维复合材料以及炭纤维抄造过程中存在的问题
来源:www.gshaoshi.com 发布时间:2019/3/29 10:13:05
碳纤维抄造过程中存在的问题
结合碳纤维纸实验室抄造的实际过程,总结碳纤维纸生产过程中存在的问题及相应的解决方法。碳纤维不同于植物纤维,碳纤维表面仅含有少量的基团,在打浆过程中只能产生切断作用,不能产生分丝帚化现象,在纸页成型后纤维间也不会产生氢键,在碳纤维的成纸过程中面临一些不同于植物纤维的难题需要解决,主要集中在分散和成纸强度两个方面。
3. 1分散问题
碳纤维作为一种合成纤维,在其制备的过程中,纤维中的氧逸出,使其具较差的亲水性,通过实验得知碳纤维带负电,加之碳纤维在成纸过程往往纤维较长,因此纤维分散困难。实验过程中主要通过以下几种方法解决碳纤维的分散问题取得了一定的效果.
(l)降低纤维分散浓度
在对纤维一水分散体系的研究中,R.J. Ke reke s和C工sc hen提出了“拥挤因子”的概念.拥挤因子被定义为在直径为单根纤维长度的球形介质中纤维的根数,用N表示:

根据公式计算得拥挤因子,因为碳纤维随打浆时间变化,仅其长度发生变化,纤维本身因为没有润胀和分丝帚化现象,所以直径基本不变,也就是说同浓度条件下,纤维体积浓度是常数,长度L成为影响拥挤因子的唯一变量,随着打浆时间的增加,L/d减小。
当N较小时,纤维相互间可以自由地平移运动,只因偶尔碰撞而暂时接触;随着N增加,由于纤维的平动和转动而发生的碰撞增加,长度/直径比值大的纤维趋于分布不均匀,长度直径比值小的纤维却趋向于分布均匀,当N大到一定程度,纤维形成连续的网状结构,纤维的平动受到限制而局限于转动,纤维的可流动性明显下降,转动也受到限制,纤维之间保持持续性的接触,产生絮聚现象。
因此想得到分散良好的碳纤维纸,要求碳纤维纸的成形过程必须在低浓条件下进行。
(2)添加表面活性剂和分散剂
碳纤维复合材料表面电荷得知碳纤维带负电,这种纤维带的负电荷会使纤维与纤维间不容易分开,影响分散性。加入表面活性剂,在水中发生电离正离子基团的正离子端与带负电荷的纤维表面相吸附,使疏水基朝外面,这样利用正离子基团将纤维分开,也就破坏了纤维间的静电现象,正离子基团带着纤维均匀的在水中分散开,分散剂能破坏纤维的一部分静电作用。实验中通过添加一定量的表面活性剂A一l提高纤维的分散性。
(3)碳纤维改性
利用液相氧化、气相氧化、热化学氧化等方法对碳纤维进行改性,增加碳纤维表面的含氧量,从而提高纤维的亲水性,利于纤维分散。图3改性前碳纤维成纸图4改性后碳纤维成纸。

图3为未改性的碳纤维纸的纤维镜照片,可以观察到,未改性碳纤维在纸页中呈较大的纤维束的形式存在;而图4是经过改性的碳纤维纸的纤维镜照片,改性后成纸种纤维束明显减少,纸页匀度明显改善。


3.2强度问题

由于碳纤维具有很好的化学稳定性,表面具有较少的含氧基团,在成形过程中,纤维与纤维之间不能形成氢键结合,因此成纸强度较低。主要通过添加胶粘剂来形成纸页的强度,但胶粘剂在纸页中的分布不均匀和留着率低制约着纸页的质量的提高。碳纤维纸实验室成形过程中采用PVA,CMC,阳离子淀粉等作为胶粘剂,通过碳纤维的改性提高胶粘剂的留着率及其在纸页中的均匀分布。图5、图6分别为碳纤维改性前后得到的碳纤维中胶粘剂留着的电镜照片。



碳纤维纸作为一种高性能的复合材料,在多个领域具有重要应用,特别高性能碳纤维纸在燃料电池中的应用具有重要意义,随着造纸技术和复合材料成形技术的发展,高性能的碳纤维纸的质量将有更大提高。