碳纤维纸的力学性能

碳纤维纸的力学性能

试验研

究

碳纤维纸的力学性能

●钟林新1，张美云2，彭新文2

（1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州510641；

陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安710021）2.陕西科技大学造纸工程学院，

摘要：研究碳纤维纸的力学性能，并对比不同配抄纤维所成纸页的力学性能。结果表明，当采用植物纤维和碳纤维配抄时，在一定范围内增加碳纤维含量能够提高纸页的紧度、抗张强度、耐破度、撕裂度；超过这个范围会使这些力学性能急剧下降；随着碳纤维含量的提高，耐折度不断下降。采用聚乙烯/聚丙烯皮芯层双组分纤维（ES纤维）作为配抄纤维所成纸页的力学性能不如采用植物纤维所成纸页的力学性能。关键词：碳纤维纸；碳纤维；力学性能中图分类号：TS722

文献标识码：A

文章编号：1001-6309(2009)03-0018-04

碳纤维(carbonfibers，简称具有高CF)是一种高性能纤维，强度、高模量、低密度和耐腐蚀性、导电性、传热性及阻燃性能近年来，良好等优点。CF以其优异力学性能和电学性能已被广泛应用于航空、航天、核工业以及其他行业。

碳纤维纸是一种高性能功能纸。利用CF导电性、稳定性可

2]

以用来开发发热纸[1，，作为一种

前期对碳纤维在水中分散性能进行了研究，解决了碳纤维上网分散问题[9]。在此基础上对碳纤维纸的导电性、屏蔽性能进碳纤行了初步研究，结果发现[5]，维纸具有优异的电学性能，可制备性能良好的防静电材料、理疗保健发热元件、新能源和电化学材料、电磁波屏蔽材料等。以碳纤维纸作为屏蔽材料可以用于商业或电子产品的防电磁辐射和抗电磁干扰等方面，而且符合现代轻量化要求[10]，具有诱人的应用前景，值得进一步深入研究。

本文对碳纤维纸的力学性能进行研究，并对比不同浆料所成纸页的力学性能，为碳纤维纸的进一步开发提供基础。

维：漂白针叶木浆，打浆度42°SR；③聚乙烯/聚丙烯（Ethylene-）PropyleneSideBySide，简称ES皮芯层双组分纤维：3mm，2.21dtex。1.1.2

助剂

①分散剂：CPAM、Percol47;磷酸三丁酯，分析纯。②消泡剂：1.21.2.1

碳纤维屏蔽纸的制备碳纤维与植物纤维混抄：

将碳纤维与植物纤维置于疏解器中，同时加入分散剂CPAM及消泡剂磷酸三丁酯，充分疏解分散后进行抄片、测试。1.2.2

不同浆料抄造导电屏蔽

新型、保健加热器；作为电极气体扩散层[3]原料，应用于高性能

5]燃料电池；开发电磁屏蔽纸[4，，

应用于各种精密仪器、会议室、军工及其他需要对电磁波进行屏蔽的信息保密场合。此外，还可以利用碳纤维研制高性能的

7]音响原件[6，、高级电缆保护纸、

纸：聚乙烯/聚丙烯（ES）皮芯层双组分纤维的皮层与芯层的熔点不同(分别为135℃及165℃)，当温度为135℃～165℃时，纤维皮层达到熔融状态，皮层熔化后的熔体在温度下降时粘结在一块，使纤维皮层有机地融合在一起，同时把与熔体接触的碳纤维

防火纸等[8]。因此，高性能碳纤维纸是功能纸中一个非常值得探索的新领域，具有非常广阔的前景。

1.11.1.1

实验原料、助剂原料

①碳纤维：3mm；②植物纤

作者简介：钟林新先生（1982-），华南理工大学博士研究生，研究方向：纸基功能复合材料研究及植物资源化利用；联系电话：15902071832。

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2009年3月第28卷第3期

碳纤维纸的力学性能

试验研

究

粘结起来。实验采用实验室的纸页干燥器对纸页进行加热，温度为135℃、真空度为0.08MPa下使ES纤维熔融、成形[11]。

2.2

碳纤维含量对纸页抗张强

度的影响

植物纤维和碳纤维在纸页中发挥着不同的作用。植物纤维之间形成氢键结合构成纸页的基本框架；而碳纤维由于表面活性基团很少，它们之间以及与植物纤维之间基本不能形成有效的化学键结合，这势必影响纸页的力学性能。图2为碳纤维导电屏蔽纸张抗张指数与碳纤维含量变化的关系。

图3

碳纤维扫描电镜图

2.1影响

植物纤维是一种细胞结构的纤维，具有细胞腔，在一定压力作用下进行湿压榨会将细胞腔压扁、压溃，使纤维与纤维之间接触得更加紧密，结合程度更高；而碳纤维是一种高强度高模量的合成纤维，在压力作用下其碳径向产生的压缩很小。因此，纤维纸页的紧度应该随着碳纤维含量的提高而下降，含量越高紧度越小。但事实上并不完全是这样。碳纤维含量对纸页紧度的影响如图1所示。

碳纤维含量对纸页紧度的

锭效应”，在一定范围内（本实验）与植物纤维产生较强为≤15%

的交织力；而且碳纤维抗拉强度也高，从而弥补了由植物纤维含量下降而导致的植物纤维间化学键结合力的损失，使纸页的强度不仅没有下降反而有所上升。这种现象在其他含有合成纤维的纸品中也有过类似的报道[12]。

图2

碳纤维含量对纸页抗张指数的影响

随后，植物纤维含量的进一步减少，一方面使得结合力下降，另一方面也使得碳纤维与植物纤维之间的交织力下降（碳纤维周围的植物纤维减少），从而使得纸张的抗张强度下降。2.3

碳纤维含量对纸页耐破强

由图可知，碳纤维导电屏蔽纸的抗张指数随碳纤维含量的增加先上升后下降。碳纤维含量≤5%时，随着碳纤维含量的提高导电屏蔽纸的抗张指数由····30.28Nmg-1升至33.71Nmg-1；之后，随着碳纤维含量的增加抗张指数下降。由此可见，虽然碳

度的影响

碳纤维含量与纸页耐破强度关系如图4所示。

图1

碳纤维含量对纸页紧度的影响

纤维之间及与植物纤维之间难以形成有效的化学键结合，但在一定范围内碳纤维对纸页还是有增强效果的。碳纤维导电屏蔽纸抗张强度随着碳纤维含量先上升后下降的现象与碳纤维特性有关。

由图3可以看出，碳纤维部分表面被胶黏物和杂质覆盖着，比较粗糙，因而被植物纤维包围时能与植物纤维产生一定的“锚

由图可知，随着碳纤维含量的提高，纸页的紧度先上升，在碳纤维含量为1%时出现了最大值，然后下降。这种现象可能和以下因素有关：①碳纤维之间的搭接；压溃②植物纤维被压扁、后的厚度与碳纤维直径比；③碳纤维与植物纤维的密度比，等等，确切的原因还有待进一步研究。

图4

碳纤维含量对耐破指数的影响

与纸页抗张强度变化类似，随着碳纤维含量的增加，耐破指

PaperandPaperMakingVol.28No.3Mar2009

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碳纤维纸的力学性能

试验研究

数也是先上升后下降。引起这种现象的原因和引起纸页抗张强度变化的原因相似，即在碳纤维含量较少时，碳纤维与植物纤维间产生较大的交织力，从而弥补了纸页内部总化学键结合力的损失，抗张强度和耐破强度较高；在碳纤维含量较高时，由于植物纤维较少，与碳纤维产生的交织力较小而不足于弥补纸页内部总化学键结合力的损失，因而纸页的抗张强度和耐破强度较低。

但从图2和图4的对比可以发现，两曲线总体变化趋势虽然相似，但突变点的值不一样。相对来说，耐破指数突变点出现得较早，在碳纤维含量为3%左右时就出现了，而抗张指数的突变点出现得较晚，在碳纤维含量为5%时才出现。这种现象一方面和纸页力学性能有关。耐破度对纤维间结合力的依赖性较大，而抗张强度则对纤维自身强度的依赖性更大，碳纤维本身的抗拉强度很高，在含量较少时，碳纤 …… 此处隐藏：4988字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……