短切碳纖維最佳分散工藝研究

華飛果 吳帥 童樹華 史景利

摘要：以3種長(zhǎng)度2 mm、3 mm、5 mm的聚丙烯腈碳纖維為研究對(duì)象，以表面活性劑、分散劑聚氧化乙烯（PEO）和聚丙烯酰胺（PAM）為分散助劑，探討表面活性劑、碳纖維長(zhǎng)度、碳纖維懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與分散劑種類、配比及用量對(duì)碳纖維分散性能的影響。結(jié)果表明，碳纖維長(zhǎng)度和碳纖維懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響碳纖維分散的重要因素;3 mm碳纖維在分散體系中質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1111%、分散劑用量0.0059%、分散劑配比PEO∶PAM=3∶1（質(zhì)量比）、表面活性劑用量0.025%時(shí)，碳纖維在水中達(dá)到最佳分散狀態(tài)，且沉降時(shí)間為9 min;分散劑可以幫助碳纖維更快地浸潤(rùn)到水中，加快分散速度。

關(guān)鍵詞：碳纖維;表面活性劑;分散劑;分散等級(jí);沉降時(shí)間

中圖分類號(hào)：TS722

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

燃料電池（Fuel Cell ，F(xiàn)C）是一種新型的能量轉(zhuǎn)換裝置，它通過燃料（如氫氣）的電化學(xué)氧化和氧化劑（如氧氣）的電化學(xué)還原直接產(chǎn)生電流。鑒于FC發(fā)電不經(jīng)過燃燒過程，不受卡諾循環(huán)的限制，故而FC不僅具有很高的能量轉(zhuǎn)換效率，而且發(fā)電過程不會(huì)造成環(huán)境污染，因此成為21世紀(jì)公認(rèn)的最有前景的清潔能源。

FC種類繁多，性能各異，其中質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）除具有FC基本特點(diǎn)之外，還具有可在室溫快速啟動(dòng)、無(wú)電解液流失、水易排出、壽命長(zhǎng)與比能量高等突出優(yōu)點(diǎn)。在以氫作為主要能源載體的氫能時(shí)代，它將是最佳的家庭動(dòng)力源。

另一方面，隨著無(wú)機(jī)纖維技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代造紙?jiān)铣霈F(xiàn)了一個(gè)新的領(lǐng)域，采用完全非植物纖維或植物纖維與非植物纖維配合生產(chǎn)具有特定性能的功能型紙張，碳纖維紙就是具有一定碳纖維含量的功能型紙張[1]，而且符合現(xiàn)代材料對(duì)輕量化的要求[2]，為了使PEMFC中電化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行，需要對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行研究，主要包括質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層和電催化層，而其中適用于PEMFC電極氣體擴(kuò)散層基底的碳纖維紙，雖然已經(jīng)存在工業(yè)化產(chǎn)品，但其制備技術(shù)復(fù)雜且高度保密[3]，部分指標(biāo)有待進(jìn)一步提升，因此系統(tǒng)研究短切碳纖維在漿液中的分散機(jī)理和分散工藝，對(duì)于制備均勻性良好的基材碳纖維紙具有十分重要的意義[4]。

碳纖維具有石墨亂層結(jié)構(gòu)，碳碳之間以極性非共價(jià)鍵相連接，導(dǎo)致碳纖維表面活性基團(tuán)少，表面活性低，憎水性強(qiáng)，不易良好分散。因此，如何使碳纖維良好分散于水中將是制造碳纖維紙過程中的關(guān)鍵因素[5]，同時(shí)，影響纖維在水中分散特性因素有很多，如纖維長(zhǎng)度、纖維表面特性、分散方法、分散濃度等[6]。本研究就碳纖維紙制造過程中碳纖維在水中的

分散性能進(jìn)行分析，探討表面活性劑、碳纖維長(zhǎng)度、碳纖維懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分散劑種類和配比對(duì)碳纖維分散性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料

表面活性劑：聚山梨酯80（吐溫80），皂化值 -45～60，上海展云化工有限公司;硬脂酸鈉（C17H35COONa），鄭州康源化工產(chǎn)品有限公司;十二烷基苯磺酸鈉（C18H29NaO3S），湖北興銀河化工有限公司。

分散劑：聚丙烯酰胺（PAM），相對(duì)分子質(zhì)量600萬(wàn)，日本住友精化株式會(huì)社;聚氧化乙烯（PEO），相對(duì)分子質(zhì)量100萬(wàn)，上海聯(lián)勝化工有限公司。

AW基聚丙烯腈短切碳纖維，長(zhǎng)度2、3、5 mm，南京緯達(dá)復(fù)合材料有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1表面活性劑對(duì)不同長(zhǎng)度碳纖維分散性能的影響

將十二烷基苯磺酸鈉、吐溫80和硬脂酸鈉3種表面活性劑分別配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的溶液備用。稱取2 mm和3 mm碳纖維各0.5 g置于250 mL燒杯中，加入配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的表面活性劑5 g，預(yù)處理后再補(bǔ)水至200 g（此時(shí)表面活性劑占總混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%），用玻璃棒攪拌7 min后觀察纖維分散情況，同時(shí)對(duì)比未加表面活性劑的空白樣。

1.2.2分散劑及其配比對(duì)碳纖維分散性能的影響

以3 mm碳纖維為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在相同分散劑配比下，探究不同碳纖維懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下碳纖維在水中的分散等級(jí)、沉降時(shí)間和沉降高度，探索分散劑最佳配比（質(zhì)量比）和碳纖維懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2.3碳纖維懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)及纖維長(zhǎng)度對(duì)碳纖維分散性能的影響

在最佳分散劑配比下，以2 mm、5 mm碳纖維為對(duì)象進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，通過逐步提高碳纖維在整個(gè)分散體系中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，探索在分散等級(jí)1級(jí)時(shí)碳纖維懸浮液的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3分散效果表征

1.3.1碳纖維分散等級(jí)

為了更好地區(qū)分碳纖維在水中的分散程度，將分散后的碳纖維懸浮液攪拌均勻后置于平底蒸發(fā)皿內(nèi)，蒸發(fā)皿放置在白底承托物上，普通數(shù)碼照相機(jī)拍照后對(duì)比碳纖維聚集狀態(tài)用于區(qū)分碳纖維在水中的分散狀態(tài)，按照纖維分散程度分成圖1所示的4個(gè)分散等級(jí)（以3 mm碳纖維為例），以該指標(biāo)為主要參考指標(biāo)。

1.3.2沉降時(shí)間

沉降時(shí)間為碳纖維分散完成后，纖維從靜置到完全沉淀所需的時(shí)間。在相同的容器和纖維長(zhǎng)度條件下，沉降時(shí)間越長(zhǎng)，纖維分散體系越穩(wěn)定，分散效果越好，該指標(biāo)為次要參考指標(biāo)。

1.3.3沉降高度

沉降高度為碳纖維分散完成后，纖維完全沉淀后的纖維高度。在相同的容器和纖維長(zhǎng)度條件下，沉降高度越小，分散效果越好，該指標(biāo)為輔助參考指標(biāo)。

2結(jié)果與討論

2.1表面活性劑對(duì)不同長(zhǎng)度碳纖維分散性能的影響

不同表面活性劑對(duì)2種長(zhǎng)度碳纖維分散效果的影響分別如圖2和圖3所示。

通過圖2和圖3可知，3種表面活性劑對(duì)促進(jìn)3 mm 碳纖維在水中的分散作用不大，分散等級(jí)為4級(jí)，但對(duì)比2 mm碳纖維數(shù)據(jù)表明，在加入0.025%的表面活性劑后，2 mm碳纖維只在玻璃棒攪拌下就達(dá)到較好的分散效果，分散等級(jí)為2級(jí)。

由于碳纖維表面具有疏水性和纖維絲之間存在較大摩擦力[7]，C—C之間以非極性關(guān)價(jià)鍵相連接，呈亂層石墨結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致碳纖維表面光滑[8]，且制造運(yùn)輸過程中也會(huì)在纖維表面沾染焦油等污染物，所以纖維憎水性強(qiáng)，難以迅速地浸潤(rùn)到液體中，分散更加困難。從圖2中還可見，在未加入表面活性劑時(shí)，由于纖維的憎水性和纖維短切過程中產(chǎn)生的大量輕質(zhì)纖維束和纖維球團(tuán)會(huì)漂浮在水面，難以快速浸潤(rùn)到水中，但是表面活性劑的加入能幫助纖維快速地浸潤(rùn)到水中。

2.2分散劑及其配比對(duì)碳纖維分散性能的影響

實(shí)驗(yàn)以3 mm碳纖維為對(duì)象，在相同的分散劑用量（分散劑在總分散體系中的質(zhì)量占比）條件下，分析碳纖維懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)（碳纖維在總分散體系中的質(zhì)量占比）、分散劑種類和配比對(duì)碳纖維分散效果的影響，結(jié)果見表1。

通過對(duì)比表1中4#和6#的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)分散劑PEO與PAM的區(qū)別，在分散劑用量為0.0059%的條件下，PEO處理的碳纖維懸浮液在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1019%下達(dá)到分散等級(jí)1級(jí)，分散效果好;而PAM處理的碳纖維懸浮液在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.0185%時(shí)達(dá)到分散等級(jí)1級(jí)，但使用PAM處理的纖維卻有更長(zhǎng)的沉降時(shí)間（10 min），遠(yuǎn)大于PEO處理的碳纖維懸浮液沉降時(shí)間（4 min）。

2.3碳纖維懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)及碳纖維長(zhǎng)度對(duì)分散性能的影響

為分析纖維懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)及碳纖維長(zhǎng)度對(duì)分散性能的影響，在分散劑最佳配比（PEO∶PAM=3∶1）下進(jìn)行2種碳纖維長(zhǎng)度的分散實(shí)驗(yàn)，結(jié)果分別見表2和表3。

從表3可以看出，5 mm碳纖維的分散性能要差于3 mm和2 mm碳纖維，表3中6#數(shù)據(jù)表明，在分散劑最佳配比和用量下，5 mm碳纖維在碳纖維懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.0394%時(shí)達(dá)到分散等級(jí)1級(jí)。影響5 mm碳纖維分散性能的主要因素是碳纖維自身長(zhǎng)度和質(zhì)量，較長(zhǎng)的纖維長(zhǎng)度使纖維在水中容易相互打結(jié)，較大的自身質(zhì)量也使得纖維沉降時(shí)間縮短。

3結(jié)論

本研究就碳纖維紙制造過程中碳纖維在水中的分散性能進(jìn)行分析，探討表面活性劑、碳纖維長(zhǎng)度、碳纖維懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分散劑種類及配比對(duì)碳纖維分散性能的影響。

3.1碳纖維長(zhǎng)度對(duì)碳纖維在水中分散性能影響很大，加上碳纖維本身的特性，必須要有分散劑和表面活性劑的輔助處理才能達(dá)到良好的分散狀態(tài)以滿足抄紙要求。

3.2聚氧化乙烯（PEO）和聚丙烯酰胺（PAM）兩種分散劑都可以明顯提高碳纖維的分散性能，但作用效果存在差異;PEO分散碳纖維的效果好于PAM，而PAM對(duì)碳纖維的沉降時(shí)間提升明顯;采用PEO∶PAM=3∶1（質(zhì)量比）的配比可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)碳纖維的最佳分散。

3.3在分散劑配比PEO∶PAM=3∶1（質(zhì)量比）、分散劑用量為0.0059%、表面活性劑用量0.025%的條件下，碳纖維懸浮液分散等級(jí)達(dá)到1級(jí)時(shí)，2 mm碳纖維懸浮液最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6964%，3 mm碳纖維懸浮液最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1111%，5 mm碳纖維懸浮液最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.0394%。

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（責(zé)任編輯：常青）