[发明专利]一种碳纤维的表面改性以及分散技术

说明书

技术领域

本发明属于湿法碳纤维纸生产领域，具体涉及一种碳纤维表面改性及水中分散的方法与应用。

背景技术

碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为230～430GPa亦高于钢。因此碳纤维增强复合材料的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000MPa/(g/cm³)以上，而A3钢的比强度仅为59MPa/(g/cm³)左右，其比模量也比A3钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。

碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属（比如铝）复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。

碳纤维具有低密度、高强度、耐高温、抗化学腐蚀、高导电、高导热、生物相容性好等一系列优异特性，常被加工成各种功能材料或高性能复合材料。

碳纤维纸就是其中的一类，可用作防静电包装纸、面状发热材料、电磁波屏蔽材料、导电纸、质子交换膜燃料电池用气体扩散层材料等，具有广阔的应用前景。

碳纤维表面呈乱层石墨结构，有沟槽和明显的裂隙，表面粗糙，使纤维间摩擦力较大而难以离散为单根纤维。碳碳间以非极性共价键相连接，导致碳纤维表面活性基团少，不容易被水润湿，在水中易絮聚，分散性能差。

另外，与植物纤维不同，碳纤维之间不会产生氢键结合，纤维间无结合强度，无法正常抄纸。因此，如何使碳纤维均匀地分散于水中以及提高碳纤维纸的强度是碳纤维湿法造纸的关键技术。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种一种碳纤维表面改性以及分散方法，该方法以PAN基碳纤维为原料通过表面改性以及添加分散剂来达到目的；

本发明的另一目的在于提供上述一种碳纤维表面改性以及分散方法在抄造碳纤维纸方面的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种碳纤维表面改性以及分散方法，包括以下操作步骤：

（1）洗涤：在室温下用洗涤液抽滤碳纤维；所述洗涤液的质量为碳纤维质量的20～40倍，抽滤次数10～30次，抽吸真空度为-0.1～0.5mpa；

（2）氧化：将经过步骤（1）洗涤的碳纤维加至酸液中进行氧化；所述氧化时间为12～24小时，温度为85～90℃；酸液的体积百分比浓度为60～70%；酸液的质量为碳纤维质量的30～50倍；

（3）润胀：将经过步骤（2）氧化的碳纤维放入碱液中进行润胀10～30分钟；所述碱液质量分数为5～15%；碱液质量为碳纤维质量的20～50倍；

（4）分散：将经过步骤（3）润胀的碳纤维添加到分散剂、消泡剂、增稠剂和水配成的混合液中，接着在高速疏解机下进行疏解；所述混合液中分散剂的质量为碳纤维质量的0.1～2%，消泡剂的质量为碳纤维质量的0.01～1%，增稠剂的质量为碳纤维质量的1～5%，水的质量为碳纤维质量的100～200倍；分散时间为5min～30min。

步骤（1）所述碳纤维为PAN基碳纤维。

步骤（1）所述的洗涤液为乙醇与丙酮的混合液，其体积比值介于0.5～2。

步骤（2）所述的酸液为浓硝酸、浓磷酸或次氯酸。

步骤（3）所述的碱液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氢氧化钙溶液的一种。

步骤（4）所述的分散剂为PEO，消泡剂为磷酸三丁酯，增稠剂为羟丙基甲基纤维素。

步骤（4）所述混合液的配置过程是将分散剂、消泡剂和增稠剂同时投入水中，或者将分散剂、消泡剂和增稠剂依次加入水中。

步骤（4）所述高速疏解机的分散转速为3000～10000r/min。

上述的碳纤维表面改性以及分散方法在抄造碳纤维纸方面的应用。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明可以大幅提高碳纤维在水中的分散性，因而提高碳纤维纸的匀度和强度。