专利名称：一种碳纤维发热纸及其制备方法
技术领域：
本发明属于碳材料领域，涉及一种碳纤维发热纸及其制备方法。
背景技术：
碳纤维作为新型碳材料，具有密度小、强度大、刚度好、耐高温、抗化学腐蚀、抗辐射、抗疲劳、高导热、热涨小等一系列优异的特性，备受工业界的重视，被誉为第四类工业材料。在应用上，碳纤维很少直接应用，大多是经深加工制成中间产物或复合材料使用，碳纤维纸便是其中的一种深加工制品。
碳纤维纸是指使用碳纤维与其它纤维(植物纤维或非植物纤维)加入粘结剂、表面活性剂和填料，经打浆后用湿法抄造，再烘干以后制成。碳纤维纸中的碳纤维含量一般在5% 60%范围内，控制碳纤维的含量可以得到以不同性能为优先的功能性碳纤维纸。碳纤维纸具备优异的电热性能，可以被用作面状发热材料；同时还具有导电性、电磁屏蔽性。它的弹性模量、耐热性、耐腐蚀性能比一般纸张高，使其可被用作导电材料、防静电包装材料、电磁屏蔽材料和燃料电池的电极等等。
目前，国内生产的碳纤维纸多采用聚丙烯腈基碳纤维(又称PAN基碳纤维)，PAN基碳纤维是将聚丙烯腈纤维经预氧化、碳化、石墨化、表面处理工艺后制得的含碳量大于90% 的碳纤维。在碳纤维纸的应用中，聚丙烯腈基碳纤维直径一般为7、μπι，并且将其短切至 4mm到50mm不等。碳纤维之间的接触点完全是随机产生的，有很多碳纤维与其它的纤维之间完全没有接触，这样就造成了相当比例的碳纤维不能参与整体的发热；另外，碳纤维的直径都很小，它们之间的点接触往往是肖特基接触，肖特基接触的电传导和热传导效率都很差。综上所述，碳纤维之间的随机接触造成一部分碳纤维未参与发热，而参与发热的碳纤维往往导热效率比较低，从而造成了发热纸整体发热和导热效率低下，以及发热的不均勻性。
石墨烯是一种特殊的片层结构，它于2004年由两位俄裔英国科学家发现 (SCIENCE 2004, 306，666-669)，并获得了 2010年的诺贝尔物理奖。研究发现，石墨烯具有各种远超现有材料的优异属性，尤其是具有超高的导热和导电性石墨烯的热导系数高达3000 ff/(m · K)，是聚丙烯腈基碳纤维的3倍以上，纯银的7倍以上；石墨烯中的电子迁移率更是高达15000cm2/ (ν · s)，使其具有超高的导电性能。
石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积、SiC外延生长法、化学还原法等等。其中化学还原法以定向热解石墨为原料，通过强氧化剂氧化石墨，使石墨层间距变大从而易于分离，再利用超声等方法剥离氧化后石墨，待剥离后将氧化石墨还原，得到石墨烯。化学还原法的优点是原材料来源广泛、工艺简单，可用于大量制备石墨烯，成本低。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种发热效率更高、发热更均勻的碳纤维发热纸及其制备方法。
为了解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种碳纤维发热纸，其中包含总重量5飞0%的碳纤维和0. 0Γ0. 50%的石墨烯。
所述的碳纤维通常使用聚丙烯腈基碳纤维。
作为上述方案的优选，所述的碳纤维发热纸，其中包含总重量1(Γ25%的碳纤维和 0. ΟΓΟ. 25%的石墨烯。
本发明的碳纤维发热纸，除了所提及的碳纤维和石墨烯外，主要成分为植物纤维和少量的黏合剂。
上述碳纤维发热纸的制备方法，包括以下步骤
(1)将碳纤维和石墨烯混合，于活化剂中浸渍广3小时，之后用纯水洗涤直至酸碱度呈中性，烘干；
(2)称取步骤(1)中得到的碳纤维和石墨烯加入分散剂充分分散后，用纯水洗涤至中性，再放入打浆机中打浆，搅拌后，混入纸浆中打浆；
(3)利用湿法造纸技术，将上述混合后的浆料抄片、烘干，即得到所述碳纤维纸。
作为一种优选方案，
所述的碳纤维使用聚丙烯腈基碳纤维，直径为7-8 μ m，长度为2-60 mm，导电性为 0.1-0.5 Ω/cm。
所述的石墨烯为化学还原法制备的单层石墨烯和多层石墨烯的混合物。
所述的活化剂为硫酸溶液、硝酸溶液、氢氧化钠溶液中的一种或者几种。
所述的分散剂为聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、甘油中的一种或几种。
所述的纸浆为植物纤维纸浆。
本发明在碳纤维中加入一定量的石墨烯片层材料，不仅可以在未接触的碳纤维之间建立有效接触，还可在接触点的关键位置进行覆盖和缠绕。这样，通过石墨烯优良的导电、导热性能和高的表面能，来提高参与发热碳纤维的比例，以及碳纤维之间的导电、导热效率，并提高发热的均勻性。从而获得具有发热效率更高、发热更均勻的碳纤维发热纸。
本发明的有益效果在于
(1)石墨烯具有极高机械强度、导热性、导电性和表面活性，它紧紧包覆住碳纤维的交叉接触区域，能够有效提高碳纤维之间的电输运、和热输运的效率，发热效率提高近90%， 并提高纸张发热的均勻性。
(2)采用的石墨烯已可大量生产，且只需要极微量的石墨烯就能达到很好的效果， 使得成本易于控制。
(3)操作简单，易于控制，生产效率高、无污染。
图1为实施例1碳纤维纸中石墨烯与碳纤维结合后的形貌图。
图2为实施例2碳纤维纸中石墨烯与碳纤维结合后的形貌图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步阐述，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之内。其中发热技术指标按照GB/T4564-2008非金属基体红外辐射加热器通用技术条件中相关的技术规范进行检测。其中辐射面电功率密度是指加热器件辐射面上单位面积的电功率，单位是W/cm2 ；辐射面电-热辐射转换率是指碳纤维纸在通电发热时消耗的电能转换为热辐射能量的比例，该比例越高说明产品的发热效率越高，节电性能越好。 相关标准要求该数值不得低于50% ；辐射面温度不均勻程度面状加热器辐射表面的最高温度与最低温度之差不大于7°C，具体的用表面最高、最低温度与平均温度相差的百分比来表示，该数值越低表明表面温度越均勻。
实施例1 称取聚丙烯腈基碳纤维2 g、石墨烯0. 02 g，在0. 01 mol/L的NaOH溶液中中浸渍1小时，之后用纯水洗涤直至酸碱度呈中性，将两种物质的溶液与分散剂混合后再超声分散10分钟，再用纯水冲洗至中性。将上述混合物加入打浆机打浆后，再与8 g纸浆混合打浆。将混合后的纸浆抄片、烘干。
利用该实例制得的碳纤维纸中聚丙烯腈碳纤维所占的质量百分比为20 %，石墨烯 0.2 %，植物纤维78 %，胶黏剂等其它成分1.8 %。其具体指标如下单位面积重量44 g/m2， 厚度0. 12 mm,电阻率0. 22 Ω ^m,辐射面电功率密度为0. 92 ff/cm2,电-热辐射转换效率 97 %，辐射面温度不均勻程度为0 %。
实施例1制备的碳纤维纸中石墨烯与碳纤维结合后的形貌如图1所示。
实施例2 称取聚丙烯腈基碳纤维2 g、石墨烯0. 002 g，在0. 01 mol/L的NaOH溶液中浸渍2小时，之后用纯水洗涤直至酸碱度呈中性，将两种物质的溶液与分散剂混合后再超声分散10分钟，再用纯水冲洗至中性。将上述混合物加入打浆机打浆后，再与8g纸浆混合打浆。将混合后的纸浆抄片、烘干。
利用该实例制得的碳纤维纸中聚丙烯腈碳纤维所占的质量百分比为20 %，石墨烯 0. 02 %，植物纤维78 %，胶黏剂等其它成分1. 98 %。其具体指标如下单位面积重量44. 5 g/cm2，厚度0. 12 mm，电阻率0. M Ω · cm，辐射面电功率密度为0. 91 W/cm2。电-热辐射转换效率96%，辐射面温度均勻程度为0%。
实施例2制备的碳纤维纸中石墨烯与碳纤维结合后的形貌如图2所示。
实施例3作为未添加石墨烯的对比称取聚丙烯腈基碳纤维2g、在0.01 mol/L的NaOH 溶液中浸渍1小时，之后用纯水洗涤直至酸碱度呈中性，将两种物质的溶液与分散剂混合后再超声分散10分钟，再用纯水冲洗至中性。将上述混合物加入打浆机打浆后，再与8g纸浆混合打浆。将混合后的纸浆抄片、烘干。
利用该实例制得的碳纤维纸中聚丙烯腈碳纤维所占的质量百分比为20 %，植物纤维78 %，胶黏剂等其它成分2 %。其具体指标如下单位面积重量44. 9 g/cm2，厚度0. 12 mm,电阻率0. 27 Ω · cm，辐射面电功率密度为0. 6 W/cm2。电-热辐射转换效率59%，辐射面温度不均勻程度为6%。
权利要求
1.一种碳纤维发热纸，其中包含总重量5飞0%的碳纤维和0. 0Γ0. 50%的石墨烯。1
2.如权利要求1所述的碳纤维发热纸，其特征在于，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维。
3.如权利要求1或2所述的碳纤维发热纸，其特征在于，其中包含总重量1(Γ25%的碳纤维和0. 0Γ0. 25%的石墨烯。
4.如权利要求1所述的碳纤维发热纸的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)将碳纤维和石墨烯混合，于活化剂中浸渍广3小时，之后用纯水洗涤直至酸碱度呈中性，烘干；(2)称取步骤(1)中得到的碳纤维和石墨烯加入分散剂分散后，用纯水洗涤至中性， 再放入打浆机中打浆，搅拌后，混入纸浆中打浆；(3)利用湿法造纸技术，将上述混合后的浆料抄片、烘干，即得到所述碳纤维纸。
5.如权利要求4所述的碳纤维发热纸的制备方法，其特征在于所述的碳纤维使用聚丙烯腈基碳纤维，直径为7-8 μπι，长度为2-60 mm，导电性为0.1-0.5 Ω/cm。
6.如权利要求4或5所述的碳纤维发热纸的制备方法，其特征在于所述的石墨烯为化学还原法制备的单层石墨烯和多层石墨烯的混合物。
7.如权利要求4或5所述的碳纤维发热纸的制备方法，其特征在于所述的活化剂为硫酸溶液、硝酸溶液、氢氧化钠溶液中的一种或者几种。
8.如权利要求4或5所述的碳纤维发热纸的制备方法，其特征在于所述的分散剂为聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、甘油中的一种或几种。
9.如权利要求4或5所述的碳纤维发热纸的制备方法，其特征在于所述的纸浆为植物纤维纸浆。
全文摘要
本发明提供一种碳纤维发热纸，其中包含总重量5~60%的碳纤维和0.01~0.50%的石墨烯。其制备方法是首先石墨烯与聚丙烯腈基碳纤维混合、打浆，然后再混入纸浆中打浆、抄造、烘干制成碳纤维发热纸。本发明应用于电热纸领域，与未掺入石墨烯的普通的碳纤维发热纸相比，其发热效率提高近90%，并且均匀性大大提高。
文档编号D21H13/50GK102182100SQ2011100909
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月12日 优先权日2011年4月12日
发明者刁炜, 江莉 申请人:武汉赛洋暖通设备有限公司