基于電纜局部碳纖維復合材料放電性能影響的試驗分析

宋耐超,王瑞琦,趙家豪,杜 璇,王 璐

(1.國網河南省電力公司 駐馬店供電公司,河南 駐馬店 463000;2.河南師范大學,河南 新鄉(xiāng) 453007; 3.上海博英信息科技有限公司，上海 200241)

碳纖維復合材料由于具有密度輕、比強度高、抗阻尼性能好、耐腐蝕性能好等特點而被廣泛應用于航空航天、交通運輸?shù)阮I域，而隨著電熱材料在現(xiàn)代生活中應用普及程度的提高[1]，具有導電發(fā)熱效果的碳纖維復合材料也逐漸開發(fā)出來，如目前市場上已出現(xiàn)有助于促進人體血液流通的碳纖維紙基復合材料(通過造紙法或者干法，以碳纖維等為原料制備而成)，這種復合材料能通過導電發(fā)熱而釋放遠紅外線來作用于電纜，但是其亟待解決的問題是如何做到均勻發(fā)熱和節(jié)能環(huán)保，以克服電纜局部放電缺陷[2-3]。在制備碳纖維紙基復合材料過程中，一般需要先制備碳纖維前驅體并加入氧化劑、摻雜劑等，而這些關鍵因素對碳纖維紙基復合材料電阻率等性能的影響規(guī)律尚不清楚[4-7]。本文研究了碳纖維含量、碳紙前驅體成分、氧化劑種類、摻雜劑種類和PY濃度對碳纖維復合材料電阻率和抗張指數(shù)等的影響，結果將有助于低電阻率的碳纖維紙基復合材料的制備并推動其在基于電纜局部放電的線路中的應用。

1 材料與方法

實驗材料與試劑包括短切碳纖維(5 mm，CF)、1414型芳綸漿粕、打漿度35°的針葉木漿、分析純無水三氯化鐵、分析純吡咯(PY)、分析純過硫酸銨(APS)、分析純十二烷基硫酸鈉(SDS)、分析純十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、分析純對甲苯磺酸鈉(TSNa)、工業(yè)純羧甲基纖維素鈉(Na-CMC)、分析純高錳酸鉀、分析純蒽醌-2-磺酸鈉(AQS)、分析純乙醇、分析純氫氧化鈉(片狀)。

預先對碳纖維進行385 ℃/30 min的灼燒處理，然后置于質量分數(shù)10%氫氧化鈉溶液中浸泡60 min，洗滌過濾后取出表面油脂；將經過預處理的碳纖維在質量分數(shù)10%羧甲基纖維素鈉溶液中超聲處理45 min；然后在疏解器中將漿粕與預處理后的碳纖維進行混合均勻，定型后壓榨(0.5 MPa、60 s)和干燥(98 ℃、20 min)處理得到100 g/m2的碳紙前驅體。將針葉木漿/芳綸漿粕與CF混合制備針葉木漿/碳纖維紙(SP/CF)和芳綸漿粕/碳纖維紙(AP/CF)，之后加入硫酸銨(APS)等氧化劑和十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)等摻雜劑，并加入濃度0.6 mol/L吡咯(優(yōu)化PY濃度時濃度介于0～2 mol/L)制備得到碳纖維復合材料PPY/SP/CF和PPY/AP/CF。采用液相聚合法對吡咯進行蒸餾提純，然后與摻雜劑混合成溶液，將碳紙前驅體在混合溶液中浸漬，之后用噴霧將氧化劑噴到碳紙前驅體上進行0 ℃/360 min的反應，之后經過相同的壓榨和干燥工藝得到碳纖維紙基復合材料(CPPY/CF)，制備工藝如圖1。

圖1 碳纖維紙基復合材料的制備工藝Fig.1 Preparation of carbon fiber paper matrix composites

使用福祿克FLUKE8846A6 1/2數(shù)字多用表對材料的電阻率進行測試，測試過程中在2極施加2 kg壓力以消除接觸電阻；根據(jù)GB/T 12914《紙和紙板抗張強度的測定》標準，在L&W Z向抗張強度測試儀上進行抗張強度測試[8]；氧化電勢采用IE 6.0電化學工作站進行測試[9]；采用Nicolet i S10傅里葉變換紅外光譜儀對紅外光譜圖進行測試。

2 試驗結果與分析

圖2為CF含量對碳紙前驅體電阻率和抗張指數(shù)的影響。

圖2 CF含量對碳紙前驅體電阻率和抗張指數(shù)的影響Fig.2 Effect of CF content on resistivity and tensile index of carbon paper precursor

從圖2可以看出，隨著CF質量分數(shù)增加，碳紙前驅體的電阻率先急劇減小；而當CF質量分數(shù)增至10%及以上時，其逐漸趨于穩(wěn)定或略有降低。隨著CF質量分數(shù)的增加，碳紙前驅體的抗張指數(shù)先增大后減小，在CF質量分數(shù)為10%時取得最大值。

圖3為碳紙前驅體成分對碳纖維增強復合材料電阻率的影響。

圖3 碳紙前驅體成分對碳纖維增強復合材料電阻率的影響Fig.3 Effect of carbon paper precursor composition on resistivity of carbon fiber reinforced composites

從圖3可以看出，葉木漿/碳纖維紙(SP/CF)的電阻率為0.334 Ω·cm，芳綸漿粕/碳纖維紙(AP/CF)的電阻率為0.353 Ω·cm，SP/CF/PPY的電阻率為0.303 Ω·cm，AP/CF/PPY的電阻率為0.282 Ω·cm。對比分析可知，SP/CF和AP/CF的電阻率相差不大；而SP/CF/PPY的電阻率要高于AP/CF/PPY。這主要是因為在酸性條件下，SP/CF會在一定程度上發(fā)生分解，從而使得SP/CF/PPY中的PPY含量會有所減少[10]，反應在最終電阻率上則表現(xiàn)為其電阻率更大。

圖4為碳紙前驅體成分對碳纖維增強復合材料紅外光譜的影響。

圖4 碳紙前驅體成分對碳纖維增強復合材料紅外光譜的影響Fig.4 Influence of carbon paper precursor composition on infrared spectrum of carbon fiber reinforced composites

圖5為氧化劑種類對碳纖維復合材料電阻率的影響，其中，前驅體為AP/CF、摻雜劑為十二烷基苯磺酸鈉。

由圖5可以看出，4種氧化劑制備的碳纖維復合材料的電阻率從大至小順序依次為：KMnO4、H2O2、FeCl3、APS；4種氧化劑制備的碳纖維復合材料的氧化電勢從大至小順序依次為：APS、H2O2、KMnO4、FeCl3。由此可見，4種氧化劑制備的碳纖維復合材料中，APS作為氧化劑時的氧化電勢最大，F(xiàn)eCl3作為氧化劑時的氧化電勢最小；4種氧化劑制備的碳纖維復合材料中，KMnO4作為氧化劑時的電阻率最大，APS作為氧化劑時的電阻率最小。因此，本文基于電纜局部放電的碳纖維增強復合材料優(yōu)化的氧化劑為APS。

圖5 氧化劑種類對碳纖維復合材料電阻率的影響Fig.5 Effect of oxidant type on resistivity of carbon fiber composite

圖6為摻雜劑種類對碳纖維復合材料電阻率的影響，分別列出了十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、甲苯磺酸鈉(TSNa)、蒽醌-2-磺酸鈉(AQS)和十二烷基硫酸鈉(SDS)作為摻雜劑時復合材料的電阻率，前驅體為優(yōu)化的AP/CF，氧化劑選擇優(yōu)化后的APS。

圖6 摻雜劑種類對碳纖維復合材料電阻率的影響Fig.6 Effect of dopant types on resistivity of carbon fiber composites

從圖6可以看出，不同摻雜劑制備得到的碳纖維復合材料的電阻率從大至小順序依次為：SDBS、SDS、TSNa、AQS。由此可見，AQS作為摻雜劑時碳纖維復合材料的電阻率最小，摻雜效果最好；而SDBS作為摻雜劑時碳纖維復合材料的電阻率最大，摻雜效果最差。這主要是因為摻雜劑AQS具有較大的分子體積，能夠在反應過程中形成致密性好的PPY[13]；而SDBS由于具有長側鏈而降低電荷傳輸效率[14-17]，造成導電性下降。因此，本文基于電纜局部放電的碳纖維增強復合材料適宜的摻雜劑為AQS。

進一步研究了PY濃度對碳纖維復合材料電阻率的影響，結果如圖7。

圖7 PY濃度對碳纖維復合材料電阻率的影響Fig.7 Effect of PY concentration on resistivity of carbon fiber composites

從圖7可以看出，隨著PY濃度的最大，碳纖維復合材料的電阻率先減小后增大，在PY濃度為0.75 mol/L時具有最小值。這主要是因為在較小的PY濃度時，隨著PY濃度升高復合材料中PPY含量增大，相應地電阻率會有所減小；但是如果繼續(xù)增大PY濃度，復合材料中過多的PPY的形成會使得厚度增加[18-20]，電阻率反而增大。因此，為了獲得電阻率較低的碳纖維復合材料，適宜的PY濃度為0.75 mol/L。

3 結語

(1)隨著CF含量的增加，碳紙前驅體的抗張指數(shù)先增大后減小，在CF質量分數(shù)為10%時，取得最大值。葉木漿/碳纖維紙(SP/CF)的電阻率為0.334 Ω·cm，芳綸漿粕/碳纖維紙(AP/CF)的電阻率為0.353 Ω·cm，SP/CF/PPY的電阻率為0.303 Ω·cm，AP/CF/PPY的電阻率為0.282 Ω·cm；

(2)4種氧化劑制備的碳纖維復合材料的電阻率從大至小順序依次為：KMnO4、H2O2、FeCl3、APS，4種氧化劑制備的碳纖維復合材料的氧化電勢從大至小順序依次為：APS、H2O2、KMnO4、FeCl3；

(3)不同摻雜劑制備得到的碳纖維復合材料的電阻率從大至小順序依次為：SDBS、SDS、TSNa、AQS；隨著PY濃度的最大，碳纖維復合材料的電阻率先減小后增大，在PY濃度為0.75 mol/L時具有最小值。