一种碳纤维合成纸的制备方法及匀度测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合成纤维纸领域，涉及一种以碳纤维和植物纤维为结构纤维、辅以分 散剂制备的合成纤维纸，具体涉及该种碳纤维合成纸的制备方法及匀度测定方法。
【背景技术】
[0002] 由于碳纤维表面呈乱层石墨结构，有明显的裂隙，表面比较粗糙，碳纤维之间摩擦 力较大从而难以分散为单根纤维。碳碳间难以非极性共价键连接，导致碳纤维表面活性基 团少，不容易被水润湿，在水中容易产生絮聚，分散性能相对较差，碳纤维在纸页中如果分 散不均匀就会造成纸张局部电阻过高或者过低，使得纸张发热不均匀，因此，如何使碳纤维 与植物纤维在水中分散均匀成为制备碳纤维纸的关键。
[0003] 专利CN101265676A公开了一种碳纤维屏蔽纸，通过将短切碳纤维和织物纤维按 照一定的比例混合，添加分散剂和消泡剂后，在疏解器上分散，然后抄造成纸。在制备过程 中，通过控制纤维打浆度和抄造工艺制备出具有优良电磁波屏蔽性能的碳纤维屏蔽纸。
[0004] 专利CN102182100A公开了一种碳纤维发热纸及其制备方法，其是由碳纤维和石 墨烯共混后打浆、抄造、烘干制备而成。通过控制短切度以及配方用量和制备条件，制备得 到了发热效率更高、发热更均匀的碳纤维发热纸。
[0005] 由此可见，原料的选用、打浆度的控制、碳纤维长度的控制以及制备方法均对制备 得到的碳纤维纸的性能影响较大。
[0006] 另外，一方面，国产测定纸页匀度的设备制造水平参差不齐，导致纸页匀度测定结 果的差异性较大，另一方面，测定纸页匀度的进口设备售价居高不下，使得某些纸厂及纸张 测定机构没有足够经费购置进口仪器。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种碳纤维合成纸的制备方法，该制备方法能够实现碳纤 维和植物纤维在合成碳纤维纸中的二元协同效果，使其具有优异的综合性能，即优异的发 热均匀性、耐疲劳性能、高强度、导热性能优异等特点。
[0008] 本发明还要解决的技术问题在于提供一种碳纤维合成纸的匀度测定方法。
[0009] 为实现上述技术目的，本发明的碳纤维合成纸的制备方法，包括如下步骤：
[0010] (1)将配方量的碳纤维与植物纤维置于疏解器中加水疏解；
[0011] (2)将配方量的分散剂置于疏解器中与两种纤维一起疏解成纸浆；
[0012] (3)将所述纸浆抄造成型；
[0013] (4)二次压榨：首先使纸页上的有效压力为400±10kPa，保持这一压 力5min±15s，进行一次压榨，更换吸水纸后进行第二次压榨，纸页上的有效压力为 400±10kPa，保持这一压力 2min±15s ;
[0014] (5)在恒温恒湿环境下干燥得到合成纤维纸；
[0015] 其中，碳纤维、植物纤维和分散剂的重量份数比为5~20 : 80~95 : 0. 1~1.0。
[0016] 优选地，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维或者粘胶基碳纤维，长度 为1~8mm。更优选地，所述的碳纤维的长度为3~6mm。最优选地，所述的碳纤维的长度 为4_。上述碳纤维是一种具有极高的耐摩擦性，耐腐蚀性，耐高温性，导电性的新型材料其 抗拉强度是钢的数倍。用碳纤维作为增强材料不易断裂，耐摩擦，耐腐蚀，在高温条件下其 各项性能指标稳定。同时，本发明还可以使用各种市售的碳纤维。
[0017] 所述植物纤维为针叶木未漂白化学浆纤维，或者阔叶木未漂白化学浆纤维，所述 针叶木未漂白化学浆纤维打浆度为15~85° SR，所述阔叶木未漂白化学浆纤维打浆度为 15~85° SR。优选地，所述的植物纤维的打浆度为45~50° SR。由于碳纤维与纸浆纤维 混合抄造碳纤维纸张过程中，两种纤维分别起到不同的作用，碳纤维在纸张中分散于植物 纤维中，形成导电通路，植物纤维则是作为碳纤维的纸张的粘合剂形成纸张的基本框架，一 方面，由于碳纤维本身结合强度很差，要使碳纤维纸在实际使用中有很好的强度性能就必 须对植物纤维进行打浆以发展其强度，另一方面，植物纤维过长也会对成纸匀度产生影响， 故要对植物纤维进行打浆处理。
[0018] 为了改善碳纤维在合成纸中分散均匀性，本发明在纸张抄造过程中可以加入分散 剂，所述分散剂为阴离子型聚丙烯酰胺、聚氧乙烯或者羧甲基纤维素的一种。通过加入分散 剂，以达到碳纤维以及植物纤维在纸页抄造过程中能够均匀的分散，使得抄造的碳纤维合 成纸发热稳定均匀，纸页表面温差小。
[0019] 优选地，步骤（5)中恒温恒湿条件为温度23°C ± 2°C，湿度为50 % RH± 5 %。
[0020] 本发明进一步提出了一种碳纤维合成纸的匀度测定方法，可用于评价上述制备的 碳纤维合成纸，也适用于评价其他类型碳纤维纸，具体包括下述步骤：
[0021] (1)将被测纸样置于稳定均匀光源上，光线透过纸样进入摄像头转换成数字信号， 形成图像；
[0022] (2)采集的图像经软件定性与定量分析纸样匀度。
[0023] 其中，所述步骤⑴中，稳定均匀的光源采用扫描仪，光学分辨率： 4800 X 2400dpi，光源：LED。
[0024] 具体地，所述步骤（2)中，图像测试软件为MATLAB软件，图像定性分析为纸样扫描 图像灰度直方图分析，直方图中灰度级分布的越窄，纸页匀度越好；图像定量分析为纸样扫 描图像灰度直方图均方差值分析，均方差值越小，纸页匀度越好。
[0025] 有益效果：与现有技术相比，本发明通过选用合适的碳纤维材料和植物纤维材料， 同时结合特定的制备方法，该制备方法能够实现碳纤维和植物纤维在合成碳纤维纸中的二 元协同效果，综合了植物纤维和碳纤维各自的优势，制备了一种将碳纤维和植物纤维抄造 成一体的合成纤维纸，使其综合性能优于目前现有的单一碳纤维纸和单一植物纤维纸张， 即优异的发热均匀性、耐疲劳性能、高强度、和优异导热性能。同时，本发明提供了一种简便 的测定碳纤维合成纸的匀度测定方法，结合计算机成像分析系统对纸页进行匀度的表征仅 需提供一台电脑和扫描仪即可，方法简单，费用低，适用范围广，使用MATLAB软件测定纸页 匀度，基本实现了所见及所拍，分析直观，而且能观察到人眼观察不到的方面，同时采样为 非接触式无损伤性采样，结果采用计算机分析，准确迅速，重现性好。
【附图说明】
[0026] 图1为不同CF含量和长度对松厚度的影响；
[0027] 图2为不同CF含量和长度对耐破度的影响；
[0028] 图3为不同CF含量和长度对断裂指数的影响；
[0029] 图4为不同CF含量和长度对抗张指数的影响；
[0030] 图5为不同CF含量和长度对均方差值的影响；
[0031] 图6为不同碳纤维含量对电阻的影响；
[0032] 图7为不同碳纤维含量对温度的影响；
[0033] 图8为不同碳纤维含量对功率密度的影响；
[0034] 图9为市售碳纤维合成纸和本发明碳纤维合成纸的热成像图片。
【具体实施方式】
[0035] 本发明公开了一种碳纤维合成纸的制备方法，包括碳纤维与植物纤维混合制浆、 抄造成型、压榨、干燥，在混合制浆步骤中，将5~20%重量的碳纤维，以及80~95%重量 的植物纤维，〇. 1~1. 〇%重量的分散剂按照混合比例置于疏解器中加水疏解；采用英国 Messmer纸页成形器进行手工抄片，抄造纸页，放入恒温恒湿检测室干燥。
[0036] 本发明还公开了该合成纤维纸匀度的检测方法，该方法使用的光源可以是市售的 扫描仪，光学分辨率4800 X 2400dpi或者更高，光源：LED，被测纸样置于扫描仪平板上，LED 光源发出均匀而稳定的光，纸样进入摄像头转换成数字信号，形成图像送入计算机；采集的 图像为若干个像素点，每个像素按明暗不同分256个灰度等级。统计图像上各像素点的灰 度等级并按不同的数学模型来加以处理，即可得到所测纸样不同的匀度。使用MATLAB图像 处理软件对纸样进行分析，纸页的匀度反映的是纸张中纤维等固体组分的分布，质量分布 决定图像的灰度，故可以利用不同灰度数据的处理模型来测定纸页的匀度，纸页中的固体 组分的分布是个二维随机函数，对纸样图像中各个像素点的灰度值进行统计分析，可以绘 制出灰度分布的直方图，它统计的是一幅图像中灰度级出现的概率。直方图中灰度级分布 的越窄说明纸页的匀度越好，而要对匀度量化分析则需要引入均方差的概念，也就是说灰 度值均方差小，则纸页的匀度好。
[0037] 以上是对本发明的一般性描述，下面将通过具体的实施方式对本发明的权利要求 作进一步解释。
[0038] 在对实施实例中抄造出的纸张物理性能指标采用以下检测方法：
[0039] 厚度：按GB451. 3-2002进行，仪器：ZHD-4型纸张厚度测定仪；
[0040] 撕裂度：按GB455. 1-2002测定，仪器：ME1653D型撕裂度试验仪（英国）；
[0041] 耐破度：按GB454-2002测定，仪器：ME-05型纸张耐破度仪；
[0042] 抗张强度：按GB12914-2008测定，仪器：BR-165型水平抗张强度测定仪
[0043] 表1列出了本发明所采用的碳纤维的性能指标，本发明使用的植物纤维为针叶木 未漂白化学浆纤维，或者阔叶木未漂白化学浆纤维表2列出了本发明所采用的植物纤维的 性能指标。
[0044] 分散剂为阴离子型聚丙烯酰胺、聚氧乙烯或者羧甲基纤维素的一种。
[0045] 表1碳纤维的性能指标
[0046]
[0049] 下面通过具体的实施例详细说明本发明。
[0050] 实施例1碳纤维合成纸的制备及匀度测定。
[0051] 按下述比例配制合成纤维纸：
[0052] 碳纤维（4mm) 5重量份
[0053] 植物纤维（打浆度16° SR) 95重量份
[0054] 分散剂 0. 5重量份
[0055] 将上述含量的碳纤维、植物纤维以及分散剂在植物疏解器中进行疏解，疏解器转 数设定为15000转，将疏解完成后的纸浆在纸张成型器上抄造纸张，后经过两道压榨工序： 首先使纸页上的有效压力为400± 10kPa，保持这一压力5min± 15s，进行一次压榨，更换吸 水纸后进行第二次压榨，纸页上的有效压力为400± 10kPa，保持这一压力2min± 15s，压榨 工序后放入恒温恒湿环境下干燥得到合成纤维纸，测定碳纤维合成纸的