宋耐超,王瑞琦,趙家豪,杜 璇,王 璐

(1.國網(wǎng)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(xué),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(fù)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(yīng)用于航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，而隨著電熱材料在現(xiàn)代生活中應(yīng)用普及程度的提高[1]，具有導(dǎo)電發(fā)熱效果的碳纖維復(fù)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(fù)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(fù)合材料能通過導(dǎo)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(fù)合材料過程中，一般需要先制備碳纖維前驅(qū)體并加入氧化劑、摻雜劑等，而這些關(guān)鍵因素對碳纖維紙基復(fù)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(qū)體成分、氧化劑種類、摻雜劑種類和PY濃度對碳纖維復(fù)合材料電阻率和抗張指數(shù)等的影響，結(jié)果將有助于低電阻率的碳纖維紙基復(fù)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(yīng)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(yù)先對碳纖維進行385 ℃/30 min的灼燒處理，然后置于質(zhì)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(jīng)過預(yù)處理的碳纖維在質(zhì)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(yù)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(qū)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(fù)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(qū)體在混合溶液中浸漬，之后用噴霧將氧化劑噴到碳紙前驅(qū)體上進行0 ℃/360 min的反應(yīng)，之后經(jīng)過相同的壓榨和干燥工藝得到碳纖維紙基復(fù)合材料(CPPY/CF)，制備工藝如圖1。

圖1 碳纖維紙基復(fù)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(xué)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(jié)果與分析

圖2為CF含量對碳紙前驅(qū)體電阻率和抗張指數(shù)的影響。

圖2 CF含量對碳紙前驅(qū)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(zhì)量分數(shù)增加，碳紙前驅(qū)體的電阻率先急劇減小；而當CF質(zhì)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(zhì)量分數(shù)的增加，碳紙前驅(qū)體的抗張指數(shù)先增大后減小，在CF質(zhì)量分數(shù)為10%時取得最大值。

圖3為碳紙前驅(qū)體成分對碳纖維增強復(fù)合材料電阻率的影響。

圖3 碳紙前驅(qū)體成分對碳纖維增強復(fù)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(yīng)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(qū)體成分對碳纖維增強復(fù)合材料紅外光譜的影響。

圖4 碳紙前驅(qū)體成分對碳纖維增強復(fù)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(fù)合材料電阻率的影響，其中，前驅(qū)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(fù)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(fù)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(fù)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?。?種氧化劑制備的碳纖維復(fù)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(fù)合材料優(yōu)化的氧化劑為APS。

圖5 氧化劑種類對碳纖維復(fù)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(fù)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(fù)合材料的電阻率，前驅(qū)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(yīng)過程中形成致密性好的PPY[13]；而SDBS由于具有長側(cè)鏈而降低電荷傳輸效率[14-17]，造成導(dǎo)電性下降。因此，本文基于電纜局部放電的碳纖維增強復(fù)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(fù)合材料電阻率的影響，結(jié)果如圖7。

圖7 PY濃度對碳纖維復(fù)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(fù)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(fù)合材料中PPY含量增大，相應(yīng)地電阻率會有所減?。坏侨绻^續(xù)增大PY濃度，復(fù)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(fù)合材料，適宜的PY濃度為0.75 mol/L。

3 結(jié)語

(1)隨著CF含量的增加，碳紙前驅(qū)體的抗張指數(shù)先增大后減小，在CF質(zhì)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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。