一種碳纖維合成紙的制備方法及勻度測(cè)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于合成纖維紙領(lǐng)域，涉及一種以碳纖維和植物纖維為結(jié)構(gòu)纖維、輔以分 散劑制備的合成纖維紙，具體涉及該種碳纖維合成紙的制備方法及勻度測(cè)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于碳纖維表面呈亂層石墨結(jié)構(gòu)，有明顯的裂隙，表面比較粗糙，碳纖維之間摩擦 力較大從而難以分散為單根纖維。碳碳間難以非極性共價(jià)鍵連接，導(dǎo)致碳纖維表面活性基 團(tuán)少，不容易被水潤(rùn)濕，在水中容易產(chǎn)生絮聚，分散性能相對(duì)較差，碳纖維在紙頁(yè)中如果分 散不均勻就會(huì)造成紙張局部電阻過(guò)高或者過(guò)低，使得紙張發(fā)熱不均勻，因此，如何使碳纖維 與植物纖維在水中分散均勻成為制備碳纖維紙的關(guān)鍵。
[0003] 專利CN101265676A公開(kāi)了一種碳纖維屏蔽紙，通過(guò)將短切碳纖維和織物纖維按 照一定的比例混合，添加分散劑和消泡劑后，在疏解器上分散，然后抄造成紙。在制備過(guò)程 中，通過(guò)控制纖維打漿度和抄造工藝制備出具有優(yōu)良電磁波屏蔽性能的碳纖維屏蔽紙。
[0004] 專利CN102182100A公開(kāi)了一種碳纖維發(fā)熱紙及其制備方法，其是由碳纖維和石 墨烯共混后打漿、抄造、烘干制備而成。通過(guò)控制短切度以及配方用量和制備條件，制備得 到了發(fā)熱效率更高、發(fā)熱更均勻的碳纖維發(fā)熱紙。
[0005] 由此可見(jiàn)，原料的選用、打漿度的控制、碳纖維長(zhǎng)度的控制以及制備方法均對(duì)制備 得到的碳纖維紙的性能影響較大。
[0006] 另外，一方面，國(guó)產(chǎn)測(cè)定紙頁(yè)勻度的設(shè)備制造水平參差不齊，導(dǎo)致紙頁(yè)勻度測(cè)定結(jié) 果的差異性較大，另一方面，測(cè)定紙頁(yè)勻度的進(jìn)口設(shè)備售價(jià)居高不下，使得某些紙廠及紙張 測(cè)定機(jī)構(gòu)沒(méi)有足夠經(jīng)費(fèi)購(gòu)置進(jìn)口儀器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種碳纖維合成紙的制備方法，該制備方法能夠?qū)崿F(xiàn)碳纖 維和植物纖維在合成碳纖維紙中的二元協(xié)同效果，使其具有優(yōu)異的綜合性能，即優(yōu)異的發(fā) 熱均勻性、耐疲勞性能、高強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能優(yōu)異等特點(diǎn)。
[0008] 本發(fā)明還要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種碳纖維合成紙的勻度測(cè)定方法。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的碳纖維合成紙的制備方法，包括如下步驟：
[0010] (1)將配方量的碳纖維與植物纖維置于疏解器中加水疏解；
[0011] (2)將配方量的分散劑置于疏解器中與兩種纖維一起疏解成紙漿；
[0012] (3)將所述紙漿抄造成型；
[0013] (4)二次壓榨：首先使紙頁(yè)上的有效壓力為400±10kPa，保持這一壓 力5min±15s，進(jìn)行一次壓榨，更換吸水紙后進(jìn)行第二次壓榨，紙頁(yè)上的有效壓力為 400±10kPa，保持這一壓力 2min±15s ;
[0014] (5)在恒溫恒濕環(huán)境下干燥得到合成纖維紙；
[0015] 其中，碳纖維、植物纖維和分散劑的重量份數(shù)比為5~20 : 80~95 : 0. 1~1.0。
[0016] 優(yōu)選地，所述碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維或者粘膠基碳纖維，長(zhǎng)度 為1~8mm。更優(yōu)選地，所述的碳纖維的長(zhǎng)度為3~6mm。最優(yōu)選地，所述的碳纖維的長(zhǎng)度 為4_。上述碳纖維是一種具有極高的耐摩擦性，耐腐蝕性，耐高溫性，導(dǎo)電性的新型材料其 抗拉強(qiáng)度是鋼的數(shù)倍。用碳纖維作為增強(qiáng)材料不易斷裂，耐摩擦，耐腐蝕，在高溫條件下其 各項(xiàng)性能指標(biāo)穩(wěn)定。同時(shí)，本發(fā)明還可以使用各種市售的碳纖維。
[0017] 所述植物纖維為針葉木未漂白化學(xué)漿纖維，或者闊葉木未漂白化學(xué)漿纖維，所述 針葉木未漂白化學(xué)漿纖維打漿度為15~85° SR，所述闊葉木未漂白化學(xué)漿纖維打漿度為 15~85° SR。優(yōu)選地，所述的植物纖維的打漿度為45~50° SR。由于碳纖維與紙漿纖維 混合抄造碳纖維紙張過(guò)程中，兩種纖維分別起到不同的作用，碳纖維在紙張中分散于植物 纖維中，形成導(dǎo)電通路，植物纖維則是作為碳纖維的紙張的粘合劑形成紙張的基本框架，一 方面，由于碳纖維本身結(jié)合強(qiáng)度很差，要使碳纖維紙?jiān)趯?shí)際使用中有很好的強(qiáng)度性能就必 須對(duì)植物纖維進(jìn)行打漿以發(fā)展其強(qiáng)度，另一方面，植物纖維過(guò)長(zhǎng)也會(huì)對(duì)成紙勻度產(chǎn)生影響， 故要對(duì)植物纖維進(jìn)行打漿處理。
[0018] 為了改善碳纖維在合成紙中分散均勻性，本發(fā)明在紙張抄造過(guò)程中可以加入分散 劑，所述分散劑為陰離子型聚丙烯酰胺、聚氧乙烯或者羧甲基纖維素的一種。通過(guò)加入分散 劑，以達(dá)到碳纖維以及植物纖維在紙頁(yè)抄造過(guò)程中能夠均勻的分散，使得抄造的碳纖維合 成紙發(fā)熱穩(wěn)定均勻，紙頁(yè)表面溫差小。
[0019] 優(yōu)選地，步驟（5)中恒溫恒濕條件為溫度23°C ± 2°C，濕度為50 % RH± 5 %。
[0020] 本發(fā)明進(jìn)一步提出了一種碳纖維合成紙的勻度測(cè)定方法，可用于評(píng)價(jià)上述制備的 碳纖維合成紙，也適用于評(píng)價(jià)其他類型碳纖維紙，具體包括下述步驟：
[0021] (1)將被測(cè)紙樣置于穩(wěn)定均勻光源上，光線透過(guò)紙樣進(jìn)入攝像頭轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)， 形成圖像；
[0022] (2)采集的圖像經(jīng)軟件定性與定量分析紙樣勻度。
[0023] 其中，所述步驟⑴中，穩(wěn)定均勻的光源采用掃描儀，光學(xué)分辨率： 4800 X 2400dpi，光源：LED。
[0024] 具體地，所述步驟（2)中，圖像測(cè)試軟件為MATLAB軟件，圖像定性分析為紙樣掃描 圖像灰度直方圖分析，直方圖中灰度級(jí)分布的越窄，紙頁(yè)勻度越好；圖像定量分析為紙樣掃 描圖像灰度直方圖均方差值分析，均方差值越小，紙頁(yè)勻度越好。
[0025] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)選用合適的碳纖維材料和植物纖維材料， 同時(shí)結(jié)合特定的制備方法，該制備方法能夠?qū)崿F(xiàn)碳纖維和植物纖維在合成碳纖維紙中的二 元協(xié)同效果，綜合了植物纖維和碳纖維各自的優(yōu)勢(shì)，制備了一種將碳纖維和植物纖維抄造 成一體的合成纖維紙，使其綜合性能優(yōu)于目前現(xiàn)有的單一碳纖維紙和單一植物纖維紙張， 即優(yōu)異的發(fā)熱均勻性、耐疲勞性能、高強(qiáng)度、和優(yōu)異導(dǎo)熱性能。同時(shí)，本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)便 的測(cè)定碳纖維合成紙的勻度測(cè)定方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)成像分析系統(tǒng)對(duì)紙頁(yè)進(jìn)行勻度的表征僅 需提供一臺(tái)電腦和掃描儀即可，方法簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，適用范圍廣，使用MATLAB軟件測(cè)定紙頁(yè) 勻度，基本實(shí)現(xiàn)了所見(jiàn)及所拍，分析直觀，而且能觀察到人眼觀察不到的方面，同時(shí)采樣為 非接觸式無(wú)損傷性采樣，結(jié)果采用計(jì)算機(jī)分析，準(zhǔn)確迅速，重現(xiàn)性好。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1為不同CF含量和長(zhǎng)度對(duì)松厚度的影響；
[0027] 圖2為不同CF含量和長(zhǎng)度對(duì)耐破度的影響；
[0028] 圖3為不同CF含量和長(zhǎng)度對(duì)斷裂指數(shù)的影響；
[0029] 圖4為不同CF含量和長(zhǎng)度對(duì)抗張指數(shù)的影響；
[0030] 圖5為不同CF含量和長(zhǎng)度對(duì)均方差值的影響；
[0031] 圖6為不同碳纖維含量對(duì)電阻的影響；
[0032] 圖7為不同碳纖維含量對(duì)溫度的影響；
[0033] 圖8為不同碳纖維含量對(duì)功率密度的影響；
[0034] 圖9為市售碳纖維合成紙和本發(fā)明碳纖維合成紙的熱成像圖片。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 本發(fā)明公開(kāi)了一種碳纖維合成紙的制備方法，包括碳纖維與植物纖維混合制漿、 抄造成型、壓榨、干燥，在混合制漿步驟中，將5~20%重量的碳纖維，以及80~95%重量 的植物纖維，〇. 1~1. 〇%重量的分散劑按照混合比例置于疏解器中加水疏解；采用英國(guó) Messmer紙頁(yè)成形器進(jìn)行手工抄片，抄造紙頁(yè)，放入恒溫恒濕檢測(cè)室干燥。
[0036] 本發(fā)明還公開(kāi)了該合成纖維紙勻度的檢測(cè)方法，該方法使用的光源可以是市售的 掃描儀，光學(xué)分辨率4800 X 2400dpi或者更高，光源：LED，被測(cè)紙樣置于掃描儀平板上，LED 光源發(fā)出均勻而穩(wěn)定的光，紙樣進(jìn)入攝像頭轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，形成圖像送入計(jì)算機(jī)；采集的 圖像為若干個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素按明暗不同分256個(gè)灰度等級(jí)。統(tǒng)計(jì)圖像上各像素點(diǎn)的灰 度等級(jí)并按不同的數(shù)學(xué)模型來(lái)加以處理，即可得到所測(cè)紙樣不同的勻度。使用MATLAB圖像 處理軟件對(duì)紙樣進(jìn)行分析，紙頁(yè)的勻度反映的是紙張中纖維等固體組分的分布，質(zhì)量分布 決定圖像的灰度，故可以利用不同灰度數(shù)據(jù)的處理模型來(lái)測(cè)定紙頁(yè)的勻度，紙頁(yè)中的固體 組分的分布是個(gè)二維隨機(jī)函數(shù)，對(duì)紙樣圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以繪 制出灰度分布的直方圖，它統(tǒng)計(jì)的是一幅圖像中灰度級(jí)出現(xiàn)的概率。直方圖中灰度級(jí)分布 的越窄說(shuō)明紙頁(yè)的勻度越好，而要對(duì)勻度量化分析則需要引入均方差的概念，也就是說(shuō)灰 度值均方差小，則紙頁(yè)的勻度好。
[0037] 以上是對(duì)本發(fā)明的一般性描述，下面將通過(guò)具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的權(quán)利要求 作進(jìn)一步解釋。
[0038] 在對(duì)實(shí)施實(shí)例中抄造出的紙張物理性能指標(biāo)采用以下檢測(cè)方法：
[0039] 厚度：按GB451. 3-2002進(jìn)行，儀器：ZHD-4型紙張厚度測(cè)定儀；
[0040] 撕裂度：按GB455. 1-2002測(cè)定，儀器：ME1653D型撕裂度試驗(yàn)儀（英國(guó)）；
[0041] 耐破度：按GB454-2002測(cè)定，儀器：ME-05型紙張耐破度儀；
[0042] 抗張強(qiáng)度：按GB12914-2008測(cè)定，儀器：BR-165型水平抗張強(qiáng)度測(cè)定儀
[0043] 表1列出了本發(fā)明所采用的碳纖維的性能指標(biāo)，本發(fā)明使用的植物纖維為針葉木 未漂白化學(xué)漿纖維，或者闊葉木未漂白化學(xué)漿纖維表2列出了本發(fā)明所采用的植物纖維的 性能指標(biāo)。
[0044] 分散劑為陰離子型聚丙烯酰胺、聚氧乙烯或者羧甲基纖維素的一種。
[0045] 表1碳纖維的性能指標(biāo)
[0046]
[0049] 下面通過(guò)具體的實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0050] 實(shí)施例1碳纖維合成紙的制備及勻度測(cè)定。
[0051] 按下述比例配制合成纖維紙：
[0052] 碳纖維（4mm) 5重量份
[0053] 植物纖維（打漿度16° SR) 95重量份
[0054] 分散劑 0. 5重量份
[0055] 將上述含量的碳纖維、植物纖維以及分散劑在植物疏解器中進(jìn)行疏解，疏解器轉(zhuǎn) 數(shù)設(shè)定為15000轉(zhuǎn)，將疏解完成后的紙漿在紙張成型器上抄造紙張，后經(jīng)過(guò)兩道壓榨工序： 首先使紙頁(yè)上的有效壓力為400± 10kPa，保持這一壓力5min± 15s，進(jìn)行一次壓榨，更換吸 水紙后進(jìn)行第二次壓榨，紙頁(yè)上的有效壓力為400± 10kPa，保持這一壓力2min± 15s，壓榨 工序后放入恒溫恒濕環(huán)境下干燥得到合成纖維紙，測(cè)定碳纖維合成紙的