活性炭纖維紙的制備及性能研究

賈韋韋 張俊梅 沈 堅 湯丹丹 劉其霞 季 濤 王飛艷

(1.南通大學紡織服裝學院，南通，226019;2.南通大學杏林學院，南通，226019)

活性炭纖維(ACF)，也稱纖維狀活性炭，是繼顆粒狀、粉末狀活性炭發展之后，于20世紀70年代發展起來的第三代新型功能吸附材料，在東歐、美國、日本等地區和國家已推廣應用［1］。目前，ACF已廣泛應用于化學、電子、醫療、環境保護、輻射防護、食品衛生等領域，且越來越受到人們的關注［2-3］。隨著科技的發展與時代的進步，活性炭纖維種類越來越多，而且隨著其形態特征的不斷增多和功能特性的不斷改進［4］，它的應用領域也在不斷拓寬，對人們的日常生活、工業生產和新技術發展起著越來越重要的作用［5］。

在實際應用中，ACF很少直接應用，大多是經深加工制成中間產物或復合材料使用，以提高成紙勻度和強度。目前ACF的使用形態有紗、氈 、線、布和紙，隨著科學技術的進步和社會結構及生活環境的變化，紙的使用范圍越來越廣，賦予紙的功能也越來越多［6］，所以有關炭纖維紙的研究也越來越多，例如利用熱固性酚醛樹脂和短切炭纖維制備GDL用炭纖維紙［7-8］。國內在炭纖維紙制備方面也進行了許多研究工作，如研究了氣體擴散層所用材料［9］，利用中間相瀝青對炭纖維紙進行改性［10］;從添加劑和制備工藝方面入手，對炭纖維紙進行改進［11-12］;而有關活性炭纖維紙的性能研究報道較少。

活性炭纖維紙一般由ACF與其他纖維混合抄造而成，由于ACF易絮聚，自身無結合能力，所以在抄造過程中一般還需加入黏結劑。本文采用濕法造紙工藝制備活性炭纖維紙，探討ACF的含量、熱熔性纖維的含量及熱壓條件與活性炭纖維紙力學性能之間的關系，研究了活性炭纖維紙成型的可行性。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

ACF為江蘇蘇通碳纖維有限公司生產，比表面積為1 100 m2/g;紙漿由美國某公司提供;低熔點丙綸纖維，熔點為120℃左右。

1.2 試驗儀器與設備

JA2003N型電子天平，上海升隆電子科技有限公司(感量0.1 mg);BB331-A型多功能攪拌器，順德任發電器實業有限公司;76-1型恒溫玻璃水浴電動攪拌機，上海標本模型廠;自制濕法造紙裝置，見圖1;TDY71-45A型塑料制品液壓機，公稱力為450 kN，天津市天鍛液壓有限公司;自制熱壓板，厚度約1.2 mm;YG(B)461E型數字式織物透氣性能測定儀，溫州大榮紡織儀器有限公司;YG065NL型電子織物強力機，萊州電子儀器有限公司;YG(B)031PC型臺式電子織物頂破強力機，溫州大榮紡織儀器有限公司。

圖1 自制濕法造紙裝置

1.3 活性炭纖維紙的制備

稱取一定量的ACF和紙漿，將其分別打碎，將兩者混合攪拌均勻，將分散均勻的混合物倒入自制的濕法造紙裝置中完成活性炭纖維紙的抄造，然后烘干，最后在液壓機上通過調節熱壓條件完成活性炭纖維紙的制作。活性炭纖維紙的制備流程如圖2所示。

圖2 活性炭纖維紙的制備流程

1.4 性能測試

采用YG(B)461E型數字式織物透氣性能測定儀，根據GB/T5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》測試活性炭纖維紙的透氣性能;采用YG(B)031PC型臺式電子織物頂破強力機，根據GB/T19976—2005《紡織品頂破強力的測定 鋼球法》測試活性炭纖維紙的頂破強力;采用YG065NL型電子織物強力機，根據GB/T3923.1—1997《紡織品 織物拉伸性能第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定條樣法》測試活性炭纖維紙的拉伸斷裂強力。

2 結果與分析

2.1 ACF含量對活性炭纖維紙性能的影響

調節活性炭纖維紙中ACF含量，研究其對纖維紙性能的影響，如表1所示。當其他工藝參數一致時，隨著ACF含量的增加，活性炭纖維紙的透氣性增加。這是因為ACF本身沒有黏結力，隨著ACF含量的增加，活性炭纖維紙中纖維的堆積更加疏松，纖維之間的縫隙也更多，因此透氣性能增加。活性炭纖維紙的拉伸斷裂強力隨ACF含量的增加而減小，這是因為紙張的拉伸斷裂強力是由纖維素纖維之間的氫鍵決定的，而ACF表面幾乎沒有活性基團，纖維之間的結合主要靠相互之間的抱合力，同時纖維素纖維的結合力也較差，因此隨著ACF含量增大，纖維素纖維之間氫鍵的數目減少，纖維間的結合力變弱。活性炭纖維紙的頂破強力與ACF含量關系不大，這是因為纖維強度和纖維間固著點的強度是影響頂破強力的關鍵因素，而纖維摩擦、卷曲和纏結作用亦影響頂破強力，隨著ACF含量的增加，雖然纖維間固著點減少，但是纖維摩擦、卷曲和纏結作用增強，且兩者的作用力比較接近，所以增加ACF的含量對活性炭纖維紙的頂破強力影響不大。

表1 ACF含量對活性炭纖維紙性能的影響

2.2 熱熔性纖維摻入對活性炭纖維紙性能的影響

與普通紙漿不同，ACF之間不會產生氫鍵結合，100%ACF間無結合強度，無法抄紙［13］。與紙漿混合造紙得到的活性炭纖維紙強力偏低，在實際應用中受到限制。通過添加熱熔黏合纖維來提高活性炭纖維紙的強力是解決ACF自身結合強度差的有效方法之一。熱熔纖維與紙漿、ACF混合濕法造紙，在熱壓工序中，通過控制溫度使熱熔纖維熔融，并使其與活性炭纖維紙漿相互黏結，最終達到提高活性炭纖維紙強力的效果。但是熱熔纖維熔融黏結，使得活性炭纖維紙的透氣性受到一定的影響。由于熱熔纖維是一種均質纖維，熔點必須低于基材，且兩者的熔點之差必須足夠大，以免熱黏結時損壞基材［14］。本文采用低熔點丙綸(熔點120℃左右)作為熱熔性纖維，研究其對活性炭纖維紙性能的影響。表2為加入低熔點丙綸后紙張性能的比較。

表2 加入低熔點丙綸后紙張性能的比較

分析表2中1～3號以及4～6號試樣可以看出，當保持相同的熱壓工藝，且ACF含量不變時，隨著丙綸含量的增加，活性炭纖維紙的透氣性逐漸降低。這是因為活性炭纖維紙的透氣性主要取決于活性炭纖維紙中ACF之間的縫隙大小和縫隙數目，丙綸作為熱熔性纖維，熱壓過程中丙綸熔融黏結，增加ACF與紙漿以及ACF之間的黏結，減小ACF之間的縫隙，從而活性炭纖維紙的透氣性減小。活性炭纖維紙的拉伸斷裂強力隨著丙綸含量的增加逐漸增大，這是因為活性炭纖維紙的拉伸斷裂強力同樣主要取決于ACF與紙漿之間以及ACF相互之間的結合，所以隨著丙綸含量的逐漸增加，ACF與紙漿之間以及ACF相互之間的黏結力增加，活性炭纖維紙的斷裂強力逐漸增大。活性炭纖維紙的頂破強力隨著丙綸含量的增加逐漸增大，這是因為纖維強度和纖維間固著點的強度是影響頂破強力的關鍵因素，而纖維摩擦、卷曲和纏結作用亦影響頂破強力，隨著丙綸含量的增加，ACF與紙漿以及ACF之間的黏結力增強，同時丙綸的強力也遠遠大于活性炭纖維的強力，所以隨著丙綸含量的增加，活性炭纖維紙的頂破強力增大。

2.3 熱壓溫度對活性炭纖維紙性能的影響

研究不同熱壓溫度下活性炭纖維紙的性能，如表3所示。當保持ACF含量不變，且其他工藝條件一致時，隨著熱壓溫度的提高，活性炭纖維紙的拉伸斷裂強力增加，透氣性與頂破強力基本不變。這是因為隨著熱壓溫度的不斷提高，ACF與紙漿之間以及ACF相互之間的結合力增加，所以活性炭纖維紙的拉伸斷裂強力不斷增加。但是當熱壓溫度為120℃時，活性炭纖維紙中的ACF之間的縫隙數目以及縫隙達到最大，即使熱壓溫度再提高，ACF之間的縫隙基本保持不變，所以活性炭纖維紙的透氣性變化不大。活性炭纖維紙的頂破強力與熱壓溫度關系不大，這是因為纖維強度和纖維間固著點的強度是影響頂破強力的關鍵因素，而纖維摩擦、卷曲和纏結作用亦影響頂破強力，隨著熱壓溫度的提高，雖然纖維間固著點的強力增加，但是纖維摩擦、卷曲和纏結作用減小，且兩者的作用力比較接近，所以熱壓溫度提高對活性炭纖維紙的頂破強力影響不大。

表3 不同熱壓溫度下紙張性能的比較

2.4 熱壓時間對活性炭纖維紙性能的影響

研究不同熱壓時間下活性炭纖維紙的性能，如表4所示。當保持ACF含量不變，其他工藝條件一致時，隨著熱壓時間的延長，活性炭纖維紙的透氣性逐漸降低，拉伸斷裂強力逐漸增加，頂破強力基本沒有變化。這是因為活性炭纖維紙中ACF表面活性基團少，纖維之間氫鍵結合數量少，活性炭纖維紙結構疏松，在熱壓過程中，隨著熱壓時間的延長，ACF之間結合更加緊密，纖維之間的縫隙減小，從而透氣性變差，拉伸斷裂強力增加。活性炭纖維紙的頂破強力與熱壓時間關系不大，這是因為纖維強度和纖維間固著點的強度是影響頂破強力的關鍵因素，而纖維摩擦、卷曲和纏結作用亦影響頂破強力，隨著熱壓時間的增加，雖然纖維間固著點的強力增加，但是纖維摩擦、卷曲和纏結作用減小，且兩者的作用幾乎相同，所以延長熱壓時間對活性炭纖維紙的頂破強力影響不大。

2.5 熱壓壓力對活性炭纖維紙性能的影響

改變熱壓壓力，研究不同熱壓壓力下活性炭纖維紙的性能，如表5所示。當保持ACF含量不變，其他工藝條件一致時，隨著熱壓壓力的增加，活性炭纖維紙的拉伸斷裂強力逐漸降低，透氣性與頂破強力基本不變。這是因為熱壓過程中，纖維間結合越來越緊密，活性炭纖維紙的拉伸斷裂強力增加;但是隨著壓力的不斷增加，紙張緊度上升，逐漸喪失了紙張原有的纖維網絡狀結構，所以當壓力超過10 MPa時，部分纖維被壓潰，表面產生裂紋，致使紙張在承受外力作用時分散應力的能力越來越弱，表現為活性炭纖維紙的拉伸斷裂強力減小。當熱壓壓力為10 MPa時，活性炭纖維紙中的ACF之間縫隙數目以及縫隙達到最大，即使不斷增加熱壓壓力，ACF之間縫隙數目以及縫隙基本保持不變，所以活性炭纖維紙的透氣性基本保持不變。當熱壓壓力為10 MPa時，ACF纖維之間的黏結作用力最大，活性炭纖維紙中ACF的強力不變，增加熱壓壓力對活性炭纖維紙的頂破強力基本沒有影響。

表4 不同熱壓時間下紙張性能的比較

表5 不同熱壓壓力下紙張性能的比較

3 結語

(1)在熱壓工藝條件保持一致時，增加ACF含量，活性炭纖維紙的透氣性增加，拉伸斷裂強力降低，頂破強力基本不變。

(2)在活性炭纖維紙中加入低熔點的熱熔性纖維丙綸后，活性炭纖維紙的透氣性、拉伸斷裂強力、頂破強力均有所提高。

(3)通過調節熱壓工藝，可制備出透氣性與拉伸斷裂強力均佳的活性炭纖維紙。當熱壓溫度為120℃、熱壓時間為30 s、熱壓壓力為10 MPa時，活性炭纖維紙的透氣率為135.71 mm/s，拉伸斷裂強力為6.2 N。

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