15-碳纤维纸发展概况

全国特种纸技术交流会暨特种纸委员会第三届会议论文集

碳纤维纸发展概况

韩文佳赵传山

（山东轻工业学院制浆造纸工程省级重点学科，山东济南２５０２０３）

摘要：文章概述了一种高性能纤维碳纤维的基本性质和应用领域。同时重点介绍ｒ碳纤维纸的性能、应用和生产工艺。碳纤维

纸作为重要的商性功能材料之一应用非常，“泛，应用于防静电材料、新能源电化学材料、环保防护材料等领域。

关键词：碳纤维；碳纤维纸；应用；生产工艺

伴随着无机纤维和合成纤维技术的发展，现代造纸原料出现了一个新的领域，打破过去单一植物纤维造纸的传统生产方式，采用完全非植物纤维或植物纤维和非植物纤维配合生产具有特定性能的功能纸。无机纤维以其良好的尺寸稳定性、抗化学药剂性、耐热性、阻燃性能等植物纤维无法比点的优势在功能纸领域得到广泛应用，一方面，无机纤维的应用一定程度上缓解造纸原料问题；另一方面，无机纤维良好的物理化学性能又赋予纸张新的活力，扩大了纸张的应用领域。碳纤维就是无机纤维中非常有发展潜力的功能纸原料之一［１｜。

１碳纤维纸

１．１碳纤维纸概况

碳纤维纸是使用碳纤维或活性碳纤维及碳纤维或活性碳纤维与其它植物或非植物纤维混合生产的具有特殊性能的功能纸。碳纤维自身之间不具有像植物纤维一样的互相交织和氢键结合的性质，必须使用粘合剂。具有一定碳纤维含量的功能纸，湿法造纸中，开始碳纤维的含量可在５％一６０％之间调节。随着现代造纸技术发展，特别是干法造纸技术和斜网纸机在功能纸生产领域的应用，碳纤维纸的碳纤维的含量理论七可以在０％～１００％之间变化。一定量的碳纤维配以相应含量的纸浆纤维（植物纤维、矿物纤维、合成纤维）抄造得到具有特殊性能的碳纤维纸的工艺越来越引起人们重视…。

作为功能材料碳纤维具有的性能，碳纤维纸作为其复合材料也具有，而且在碳纤维纸中碳纤维是以短纤维无规则的形式存在，各向同性。碳纤维纸具有以下性能；

（１）优异的电热性能，作为发热装置。

（２）导电性能，碳纤维纸的自身电阻、密度、厚度以及加工工艺会影响碳纤维纸的导电性使碳纤维电阻发生变化。通过控制生产工艺可以得到不同电导率的碳纤维纸，应用于不同领域。

（３）多孔性，碳纤维是均匀的多孔性材料加之碳纤维自身表面的比表面积大，碳纤维纸重要的过滤材料‘３｜。

另外，还具有碳纤维纸具有的轻量化、耐高温、耐腐蚀等性能。总的来说，从原料碳纤维的功能特点来看，其用途广泛，利用其导电性的面状发热体，其耐药品性可以制造ＦＲＰ基材，其机械特性可以制造土木用基材，其吸附性可以制造过滤材料、电池电极等∽Ｊ。

１．２碳纤维纸的应用领域

碳纤维纸在保留碳纤维优越性能的同时，有具有了功能纸具备的纸的特性，碳纤维纸中碳纤维的含量不同其应用领域也不同。

碳纤维含量在ｌ％～５％的范围内，此时碳纤维含量较低，制成的碳纤维纸表面电阻较小具有抗静电性能可做防护用品、医用用品、计算机房抗静电以及电器包装等行业。

碳纤维含量在６％～３０％时，电阻较大，通电后可以做发热材料，可做电热器件。适用于２４

２２０Ｖ、３６Ｖ、Ｖ电压。碳纤维含量大于３０％，电阻进一步减小，这种碳纤维纸Ｉ；ｊ丁做导电材料。碳纤维含量达到６０％以上，被视为高性能碳纤维。主要用于导电性能、多孔性能要求高的装置，例如

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燃料电池的电极，现在普遍采用高纯度碳纤维纸。

下面主要介绍以下领域中碳纤维纸的应用。

（１）抗静电材料，这种碳纤维纸材料电阻率为１０７～１０４，具有抗静电性能。电磁波的危害愈来愈引起人们的关注，利用高性能碳纤维纸制作屏蔽功能的制品更具特色，用于一些电子产品的防护。

（２）面状发热材料，１０４～１０。１作为一种新型加热纸，具有热转换效率高优点，比传统电热材料节能１５％～３０％，发热温度范围适宜。另外碳纤维纸面状发热体的远红外电热率高，散射出的远红外线具有促进血液循环的保健性能。这种加热装置已经在医院和普通加热设施中得到应用在安全电压下即可任意操作和使用。另外它具有导电性能稳定、强度高、效率高、可挠曲、可粘合、加工性能好等特点，且制作简单，成本低，无污染。

这种发热材料在工农业生产中应用越来越广，家庭保暖和人体保健方面也有广阔的市场，在北欧和俄罗斯把碳纤维纸和墙体、地毯结合用于家庭取暖，既省电环保。又利于身体健康。另外新型的碳纤维加热纸用于北方的蔬菜大棚保温，也有很好的商业前景＂Ｊ。

（３）新能源和电化学材料领域

伴随新能源技术的发展，燃料电池是继水力、火力、核能之后的第四代发电技术，它是不经过燃烧，在等温条件下直接以电化学反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效且环境友好的转化为电能的发电装置。在各类燃料电池中，质子交换膜燃料电池高功率密度、高能鼍转换率、低温启动、无污染、体积轻巧适于可移动电源，作为非常有发展潜力的燃料电池越来越受到各国研究人员的注意。

其产业化也已经提到日程上来，在燃料电池产业化的道路上，其中主要部件的昂贵成本制约其发展，其关键部件之一是气体扩散层，目前普遍采用高纯度碳纤维纸，国内基本依靠进口日本Ｔｏｒａｙ公司和德国的高性能碳纤维纸，而且进口数量受到严格的限制。

碳纤维纸作为燃料电池电极材料得到各国科研工作者的认可，此类高性能碳纤维纸具有良好的导电性、均匀的多孔性以及化学热稳定性和耐腐蚀性，满足燃料电池电极对材料的要求，促使碳纤维纸在能源和电化学材料领域得到很快发展∞一。

（４）环保防护材料，利用经过处理得到的活性碳纤维制得的碳纤维纸是良好的吸附、过滤材料。可用作空气清新器、防毒口罩、防护服、化工过滤等领域。

（５）高品质音响领域，碳纤维的轻量化、密度小、较高的灵敏度，碳纤维纸保持了碳纤维的优越性能，用碳纤维纸做音响材料，能达到音质好、减少失真度的效果＂Ｊ。

（６）现代武器领域

碳纤维的质轻、密度小而且具有导电和屏蔽性能，与此同时一种碳纤维纸很容易分解成细细小纤维，大面积分布从而干扰雷达体系和防御体系，另外碳纤维还町以与其他吸波材料结合制得用于隐性武器的材料‘８Ｉ。

２碳纤维纸生产工艺

碳纤维不同于植物纤维，碳纤维表面仅含有少量的基团，在打浆过程中只能产生切断作用，不能产生分丝帚化现象，在纸页成型后纤维间也不会产生氢键，在碳纤维的成纸过程中面临一些不同于植物纤维的难题需要解决，主要集中在分散和成纸强度两个方面。

２．１普通碳纤维纸的抄造

普通碳纤维纸一般采用湿法造纸进行抄造，一般碳纤维的含鼍在５％～６０％，在碳纤维的湿法成型中主要的问题是分散和成型。在实际的碳纤维纸成型实验中发现，碳纤维如果过长，不易分散容易成团，而且严重影响纸页的匀度。反之若碳纤维过短容易分散成均匀的浆液，但成型匀度好但纸页强度低。

在湿法抄造碳纤维工艺中，主要是依靠配抄的植物纤维或者利用胶粘剂使分散的碳纤维实现粘结。普通碳纤维纸已经工业规模生产，并得到实际应用。

２．２高性能碳纤维纸的成型高性能碳纤维纸一般对碳纤维纸的纯度、均匀性、电阻率、气孔率等提出要求。高纯度的碳纤维生产

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中，因为其它浆料含量少，碳纤维的分散和成型问题更为突出，生产工艺更加复杂。目前高性能的碳纤维只少数有几个国家能够批量成熟制造。

一是利用湿法成型，碳纤维要在低浓度条件下实现均匀分散，因此碳纤维纸要采用低浓成型，浆料浓度要在０．０１％左右成型，滤水速度是现在普通长网和圆网造纸机不能实现的，必须使用斜网纸机成型。粘结方式主要靠化学胶粘剂进行连结。

于法造纸近年发展较快，所谓的干法造纸就是利用空气作为介质，通过气流成网工艺得到厚度可控、均匀的无纺布，接着进行喷胶、热固化、干燥等候处理程序得到碳纤维纸，可制得碳纤维含量较高的碳纤维纸。

３小结

碳纤维生产技术迅速发展，伴随造纸技术特别是干法造纸技术的发展，利用造纸法生产出不同指标要求的碳纤维纸，使碳纤维复合材料应用到众多领域，一方面不仅扩大了碳纤维的应用前景，另一方面在进一步推进功能纸发展方面也起到积极作用。

参考文献

［１］王军立，陈夫山．无机纤维纸［Ｊ］．湖北造纸，２００２。（２）：２４—２５

［２］陈丽红，孟宏睿，惠雅莉．碳纤维在混凝土中的应用［Ｊ］．混凝土．２００６，１９８（４）：２９—３ｌ

［３］李昌华．碳纤维的性能与用途．广西化纤通讯［Ｊ］，２００２，（２）：２３—２４

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［７］钱学仁，宋豪．导电纸的开发与应用．纸和造纸，２００６，２５（４）：３７—４０黄乃科，王曙中，李灵忻．质子交换膜燃料电池用高性能碳纤维纸的研究简报［Ｊ］．高科技纤维与应用，２００２，２７（６）：３７—４０黄鸿．碳纤维材料与碳纤维纸［Ｊ］．中华纸业，２００５，２５（５）：５７—５９

［８］李灵忻．高性能碳纤维纸及其应用［Ｊ］．高科技纤维与应用．２００２，２７（５）：１６一１７

［９］贺福．碳纤维及其应用技术．［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４

ＴｈｅＲｅｃｅｎｔＣｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄＰｒｏｓｐｅｃｔｏｆＣａｒｂｏｎＦｉｂｒｅＰａｐｅｒ

ＨＡＮＷｅｎ－ｉｉａＺＨＡ０Ｃｈｕａｎ．ｓｈａｎ

（ＳｈａｎｄｏｎｇＫｅｙＬａｂｏｆＡ咖ａｎｄＰａｐｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙ，Ｊｉｎａｎ２５０３５３，Ｃｈｉｎａ）

ｒｅｖｉｅｗｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｐｅｒ－Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｐｒｏｐｅｒｔｙａｎｄａｐｐｌｙｉｎｇ

ｆｏｒｍａｎｅｅｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｐｅｒｆｅｃｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｌｅａｒｌｙ．Ａｓｏｄｅａｒｅａｎｄｔｈｅｐｒｏｄｕｃｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａ．ｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｍｐｏｒｔａｎｔｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｐａｐｅｒＣａｎｂｅｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｍａｎｙ

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