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種長度2 mm、3 mm、5 mm的聚丙烯腈碳纖維為研究對象，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、碳纖維長度、碳纖維懸浮液質量分數與分散劑種類、配比及用量對碳纖維分散性能的影響。結果表明，碳纖維長度和碳纖維懸浮液質量分數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量分數0.1111%、分散劑用量0.0059%、分散劑配比PEO∶PAM=3∶1（質量比）、表面活性劑用量0.025%時，碳纖維在水中達到最佳分散狀態，且沉降時間為9 min;分散劑可以幫助碳纖維更快地浸潤到水中，加快分散速度。

關鍵詞：碳纖維;表面活性劑;分散劑;分散等級;沉降時間

中圖分類號：TS722

文獻標識碼：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 ，FC）是一種新型的能量轉換裝置，它通過燃料（如氫氣）的電化學氧化和氧化劑（如氧氣）的電化學還原直接產生電流。鑒于FC發電不經過燃燒過程，不受卡諾循環的限制，故而FC不僅具有很高的能量轉換效率，而且發電過程不會造成環境污染，因此成為21世紀公認的最有前景的清潔能源。

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

另一方面，隨著無機纖維技術的發展，現代造紙原料出現了一個新的領域，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]，而且符合現代材料對輕量化的要求[2]，為了使PEMFC中電化學反應順利進行，需要對關鍵部件進行研究，主要包括質子交換膜、氣體擴散層和電催化層，而其中適用于PEMFC電極氣體擴散層基底的碳纖維紙，雖然已經存在工業化產品，但其制備技術復雜且高度保密[3]，部分指標有待進一步提升，因此系統研究短切碳纖維在漿液中的分散機理和分散工藝，對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構，碳碳之間以極性非共價鍵相連接，導致碳纖維表面活性基團少，表面活性低，憎水性強，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鍵因素[5]，同時，影響纖維在水中分散特性因素有很多，如纖維長度、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

分散性能進行分析，探討表面活性劑、碳纖維長度、碳纖維懸浮液質量分數及分散劑種類和配比對碳纖維分散性能的影響。

1實驗

1.1實驗原料

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），相對分子質量600萬，日本住友精化株式會社;聚氧化乙烯（PEO），相對分子質量100萬，上海聯勝化工有限公司。

AW基聚丙烯腈短切碳纖維，長度2、3、5 mm，南京緯達復合材料有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1表面活性劑對不同長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量分數為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，加入配制的質量分數為1%的表面活性劑5 g，預處理后再補水至200 g（此時表面活性劑占總混合物的質量分數為0.025%），用玻璃棒攪拌7 min后觀察纖維分散情況，同時對比未加表面活性劑的空白樣。

1.2.2分散劑及其配比對碳纖維分散性能的影響

以3 mm碳纖維為實驗對象，在相同分散劑配比下，探究不同碳纖維懸浮液質量分數下碳纖維在水中的分散等級、沉降時間和沉降高度，探索分散劑最佳配比（質量比）和碳纖維懸浮液質量分數。

1.2.3碳纖維懸浮液質量分數及纖維長度對碳纖維分散性能的影響

在最佳分散劑配比下，以2 mm、5 mm碳纖維為對象進行多組實驗，通過逐步提高碳纖維在整個分散體系中的質量分數，探索在分散等級1級時碳纖維懸浮液的最大質量分數。

1.3分散效果表征

1.3.1碳纖維分散等級

為了更好地區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皿內，蒸發皿放置在白底承托物上，普通數碼照相機拍照后對比碳纖維聚集狀態用于區分碳纖維在水中的分散狀態，按照纖維分散程度分成圖1所示的4個分散等級（以3 mm碳纖維為例），以該指標為主要參考指標。

1.3.2沉降時間

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

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度條件下，沉降高度越小，分散效果越好，該指標為輔助參考指標。

2結果與討論

2.1表面活性劑對不同長度碳纖維分散性能的影響

不同表面活性劑對2種長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種表面活性劑對促進3 mm 碳纖維在水中的分散作用不大，分散等級為4級，但對比2 mm碳纖維數據表明，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到較好的分散效果，分散等級為2級。

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之間以非極性關價鍵相連接，呈亂層石墨結構，導致碳纖維表面光滑[8]，且制造運輸過程中也會在纖維表面沾染焦油等污染物，所以纖維憎水性強，難以迅速地浸潤到液體中，分散更加困難。從圖2中還可見，在未加入表面活性劑時，由于纖維的憎水性和纖維短切過程中產生的大量輕質纖維束和纖維球團會漂浮在水面，難以快速浸潤到水中，但是表面活性劑的加入能幫助纖維快速地浸潤到水中。

2.2分散劑及其配比對碳纖維分散性能的影響

實驗以3 mm碳纖維為對象，在相同的分散劑用量（分散劑在總分散體系中的質量占比）條件下，分析碳纖維懸浮液質量分數（碳纖維在總分散體系中的質量占比）、分散劑種類和配比對碳纖維分散效果的影響，結果見表1。

通過對比表1中4#和6#的數據，可以發現分散劑PEO與PAM的區別，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量分數0.1019%下達到分散等級1級，分散效果好;而PAM處理的碳纖維懸浮液在質量分數0.0185%時達到分散等級1級，但使用PAM處理的纖維卻有更長的沉降時間（10 min），遠大于PEO處理的碳纖維懸浮液沉降時間（4 min）。

2.3碳纖維懸浮液質量分數及碳纖維長度對分散性能的影響

為分析纖維懸浮液質量分數及碳纖維長度對分散性能的影響，在分散劑最佳配比（PEO∶PAM=3∶1）下進行2種碳纖維長度的分散實驗，結果分別見表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#數據表明，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量分數0.0394%時達到分散等級1級。影響5 mm碳纖維分散性能的主要因素是碳纖維自身長度和質量，較長的纖維長度使纖維在水中容易相互打結，較大的自身質量也使得纖維沉降時間縮短。

3結論

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行分析，探討表面活性劑、碳纖維長度、碳纖維懸浮液質量分數、分散劑種類及配比對碳纖維分散性能的影響。

3.1碳纖維長度對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到良好的分散狀態以滿足抄紙要求。

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對碳纖維的沉降時間提升明顯;采用PEO∶PAM=3∶1（質量比）的配比可優勢互補，實現碳纖維的最佳分散。

3.3在分散劑配比PEO∶PAM=3∶1（質量比）、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達到1級時，2 mm碳纖維懸浮液最大質量分數為0.6964%，3 mm碳纖維懸浮液最大質量分數為0.1111%，5 mm碳纖維懸浮液最大質量分數0.0394%。

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（責任編輯：常青）