碳纤维导电纸的性能及应用

 

张美云 钟林新 陈均志 吴养育

编辑：999策略白菜手机论坛

 (陕西科技大学造纸工程学院，陕西西安，710021)

 

摘 要：通过对碳纤维含量、纸张定量对导电纸导电性及其力学性能影响的探讨，研究了由碳纤维与植物纤维抄造的导电纸的性能，对导电纸的导电原理进行了理论探讨与阐述，并就导电纸的应用进行了简单介绍。研究表明，由碳纤维和植物纤维抄造的导电纸导电性能良好，通过改变碳纤维含量及纸 张定量可以制造出不同导电性能的导电纸。

关键词：碳纤维；导电纸；导电性

中图分类号：TS722             文献标识码：A             文章编号： 0254-508(2008)03-0013-05

 

导电纸在电子产品的防静电、防辐射等领域起着重要作用。传统的导电纸制作是以防静电剂、导电粉末(导电炭黑、石墨、铜、铝等)作为原料，采用湿部添加或在原纸上以涂布的方式赋予纸张防静电、导电效果。但是由于金属粉末易被氧化或是涂层容易脱 落等原因，使得导电纸导电性及稳定性不高^[1]，屏蔽性能差，只能用于一般电子仪器的防静电以及对屏蔽要求不严格的场合，极大限制了导电纸的应用。虽然后来采用在合成纤维的表面镀金属后抄片的方法^[2-3]，但也存在镀层容易脱落、易氧化等问题。

碳纤维(carbon fibers，简称 CF)是一种高性能纤维，具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀、耐高温、导电导热等优点。利用CF这一特性可以用来制备导电纸。国外对碳纤维导电纸的研究和应用开展得较早，主要是制备电热材料、电池电极材料^[4-5]，但由于技术保密等种种原因，研究报道并不多见，对其导电原理( 特别是纸张定量与电阻关系 )的研究不够深入。国内开展此项研究较晚，主要是作为电热材料和电池电极材料^[6-7]，但研究并不系统，理论不深入。基于此，本课题深入研究了碳纤维导电纸的结构和导电原理，探讨了CF 含量、纸张定量对导电纸导电性及其力学性能的影响，通过对纸张定量与电阻关系物理模型的建立，为不同定量纸张导电性的预测提供了精确的计算方法，并对碳纤维纸的应用进行了简要的探讨，从而为进一步促进碳纤维纸的开发与应用提供理论基础。

 

1 实 验

1.1实验原料及仪器

原料CF：3mm，由吉林吉研高科技纤维有限责任公司提供；植物纤维：进口漂白针叶木浆，打浆度 24.5ºSR。

助剂分散剂：CPAM、Percol 47，Ciba 公司提供；消泡剂：磷酸三丁酯。

仪器  抄片器，陕西科技大学机械厂制造；标准 浆样疏解器 ( 瑞典进口 )；摆锤式抗张试验机、电脑测控厚度紧度仪，四川长江造纸仪器厂；多媒体显微 镜，麦克奥迪实业集团有限公司；高精度表，Agilent 34401A， 量程为 0 ～ 100 MΩ； 扫描电镜 (SEM)，S-570，日本 Hitachi 公司。

1.2 实验方案

(1) CF 含量对导电纸导电性及力学性能的影响 将不同用量的 CF 与植物纤维置于疏解器中，同时加入1％的 CPAM 及 0.01％的磷酸三丁酯 ( 对绝干浆 )；疏解1500转后抄片。对导电纸导电性能及其力学性能进行测定，并进行多媒体显微镜观察。

(2) 定量对导电纸导电性能的影响抄造不同定量的导电纸，对其导电性能进行测定，并采用物理模型 来研究电阻值随定量变化而变化的规律。 (3) 纸张体积电阻率的测定 采用 Agilent 高精度 表，测量时在两电极上施加 2 kg 以上的压力以减小接 触电阻，提高测量的准确性，体积电阻率计算公式如下：

 

体积电阻率是一个与材料基本尺寸无关的常数，由材料本身性质决定，反映了材料间导电性能的差异。其值越小，材料在相同尺寸条件下的导电性就越高。

 

2 结果与讨论

2.1 CF 含量对导电纸导电性及其力学性能的影响

2.1.1 CF 含量对纸张导电性的影响 CF 与植物纤维混抄成纸时，两种纤维的作用是不同的( 如图 1)。植物纤维作为黏结剂形成纸张的基本框架，而 CF 作为导电纤维无序地分散于植物纤维构成的框架中，构建导电通路。表1是纸张体积电阻率随 CF 含量变化而变化的关系。由表 1 可知，CF 的含量对导电纸的导电性影响非常大。CF 含量 <1％时，纸张的体积电阻率非常大(电阻值超出仪器检测范围，即超过了 100 MΩ)，为绝缘体。这是因为CF 的含量很少时，纸张中 CF 间的距离大，它们或是彼此不接触，或是只能形成一些局部的搭接，无法在整个纸张中形成连续的导电网

 

 

 

 

 

络通路，如图 1(a) 所示。因而此时体积电阻率非常大，导电性很小。

随着 CF 含量的增加，纸张中 CF 间的距离变小，一个连续的导电网络通路逐渐形成，达到3％左右时，

 

连续的导电网络通路已初步形成( 图 1(b))，体积电阻率急剧下降至 6.5Ω·cm，纸张由绝缘体变为导电体。随着 CF 含量的进一步增加，CF 之间的接触机会不断增加，导电网络不断完善，纸张的体积电阻率继续下降，CF含量达 25％时形成一个完善的导电网络通路( 图 1(c))。此时，CF 间的接触非常充分，体积电阻率降到 0.111 Ω·cm。

之后，随着 CF 含量的继续增加，纸张的体积电阻率下降趋势变缓。导电趋势发生明显变化的这个临界点称为导电材料的渗滤阈值^[8]。在渗滤阈值以前， CF 含量的微小变化就可使导电性大幅度提高；超过渗滤阈值以后，导电性随 CF 变化而降低的趋势变缓。

由图 1(c) 可知，CF 含量达25％时，导电纤维网络已经非常致密、完善，甚至已经开始出现纤维的重复搭接( 图 1(c) 中的两道黑痕 )，达50％时这种倾向更严重。这种重复搭接对网络导电性的提高没有太大贡献，因而体积电阻率下降幅度变小。另一方面，CF含量的增加使得纤维分散性变差，导致 CF 在导电纤维网络中分布不均匀，影响纤维网络导电性的提高。由图1(c)与图 1(d) 的对比可知，CF 含量为 25％时的分散效果比 CF 含量为 50％时更好。因而，CF 含量达 25％以后导电性能的提高很缓慢。

由此可见，由 CF 搭接而形成导电网络通路是很 有效的，在 CF 用量不高时就表现出良好的导电性， 这是传统导电粉末材料所不及的，如表 2 所示。 由此可见，出现这种差异的主要原因不是由导电

 

原料本身导电性差异引起的( 由表 1 可知，就导电原料本身来说，CF 的导电性比铜、镍要低)，而是由导电原料的形状差异造成的。对于导电通路来说，在相同含量条件下纤维状原料比颗粒粉末状原料更容易搭接而形成一个连续的、良好的导电网络通路，因此，在低含量时就显示出优异的导电性能，而在含量相同时其导电性能也比颗粒粉末状导电原料的导电性能好得多。

2.1.2 CF 含量对纸张力学性能的影响如前所述，植物纤维和 CF 在纸张中发挥不同的作用。植物纤维之间形成化学键结合构成纸张的基本框架；而作为形成导电网络通路的CF 由于表面活性基团很少，它们之间以及与植物纤维之间基本没有形成有效的化学键结合。 表 3 为抗张指数随 CF 含量变 化的关系。

 

由表 3 可知，碳纤维导电纸的抗张指数随CF含量的增加先上升后下降。CF 含量≤ 5％时，随着 CF 含量的提高导电纸的抗张指数由30.28 Nm/g提高至 33.71 Nm/g；之后，随着 CF 含量的增加抗张指数下降。由此可见，虽然 CF 之间及与植物纤维之间难以 形成有效的化学键结合，但在一定范围内 CF 对纸张 还是有增强效果的。碳纤维导电纸抗张强度随着 CF 含量先上升后下降的现象与 CF 特性有关。

 

由CF 扫描电镜图( 见图 2)可以看出，经过高温碳化后 CF 表面还保留着较多原丝时的棱角，表面比较粗糙，比表面积较大，因而被植物纤维包围时和植物纤维的接触面积较大，在一定范围内( 本实验 CF 含量 ≤ 15％ )与植物纤维产生较大的交织力；而 CF 的纤维长度比植物纤维长，抗拉强度也高，从而弥补了由于植物纤维减少而导致的纤维间总化学结合力的损失，使纸张的强度不仅没有下降反而有所上升。这种现象在其他含有合成纤维的纸品中有过类似的情况^[13]。

植物纤维进一步减少，一方面使得总化学键结合力下降，另一方面也使得 CF 与植物纤维交织力下降(CF 周围的植物纤维减少)，从而使得纸张的抗张强度下降。

因此，碳纤维导电纸在保持较高导电性( 体积电 阻率 6.5 ～ 0.178 Ω·cm)的情况下还能保持较好的抗张强度 ( 抗张指数≥ 30.20 N·m/g)。

2.2 纸张定量对导电纸导电性能的影响

2.2.1 纸张定量对导电纸体积电阻率的影响

表 4 是体积电阻率随纸张定量变化的关系。

 

由表4可知，对于 CF 含量固定的导电纸来说，其体积电阻率基本保持不变，即导电纸的体积电阻率与纸张的定量无关，而由 CF 含量决定，含量确定后，体积电阻率一定。对于 CF 含量为25％的导电纸来说，其体积电阻率为 0.110 Ω·cm 左右。这也说明了体积电阻率是材料固有的属性。对于碳纤维导电纸来说，体积电阻率反映了 CF 含量一定时纸张的导电性能。

2.2.2 定量对导电纸电阻值的影响

对于CF 含量一定而定量不同的纸张来说，虽然体积电阻率基本不变，但是其电阻值是不同的，随定量变化而变化，如表 5 中“实测电阻值”所示。

随着纸张定量的增加电阻值不断下降，因此，定量的增加虽然没有使纸张的体积电阻率下降，但却使 纸张的电阻值下降。

为了进一步弄清楚定量与电阻值的关系，尝试建立物理导电模型来研究这一关系。

并联电阻存在以下方程式：

 

把不同定量的导电纸看成是2张或是多张纸张叠加起来的导电材料( 如定量为 120 g/m2 的纸张可以看成是2张60 g/m2 纸张的叠加，或是0 g/m2 与 30 g/m2 的叠加，)，并把每张叠加的纸张看成是一个电阻，因此，2张或是多张叠加就模型化为 2 个或是多个电阻并联，导电纸就可以看成是由多个并联电阻构 成的系统，如图 3 所示。

 

基于上述物理模型和一些较小定量导电纸的测定电阻值，利用公式 (2) 来计算定量较高的导电纸的理论电阻值，并对比实测值。结果如表 5 所示。

 

 

由表 5 可以看出，实测值与模型计算理论值相当吻合，因此，导电纸电阻值大小符合公式 (2) 及其物理模型，只要 CF 含量一定，一些高定量纸张的电阻值就可以通过较低定量纸张的测试电阻值来计算。虽然体积电阻率反映了材料的导电性能差异，但在实际应用时导电能力还是由材料总电阻大小决定，对电磁波屏蔽用的高性能导电材料也是如此。当导电材料的体积电阻率一定时，材料的定量( 厚度 )越大电阻值越小，屏蔽性能就越好^[14]。因此，材料电阻值真实反映了材料的实际导电情况和屏蔽性能。所以，通过模型对纸张电阻值进行精确的计算是很有意义的。

2.3 碳纤维导电纸的应用由以上分析可知，碳纤维导电纸具有优异的电学性能，其体积电阻率在 10-2 ~107Ω·cm 范围内变化，通过调节导电纸中 CF 含量和纸张定量可以控制纸张导电性大小，满足不同导电性的要求，广泛应用于不同的领域。

当导电纸中 CF 含量较低时( ＜ 1.5％ )，体积电阻率为 107~104Ω·cm，具有抗静电性，可以作为性能良好的抗静电纸，作为需要抗静电电子器件的包装材料，特别是一些对静电敏感的军工产品^[15]、易燃易爆物品，碳纤维导电纸能够防止静电积累与放电，避免电子器件被击穿而导致系统失控。

当 CF 含量为 1.5％ ~25％时，导电纸的体积电阻率为 10⁴~10^-1Ω·cm，具有优异的电热性能，加热通电能使电能转化为热能，且能量几乎以纯热形式传播，节能高效，同时具有远红外辅助理疗保健作用，是一种新型的、优良的面状发热材料，广泛应用于农业、工业及民用设施^[16]。

当 CF 含量＞ 25％时，导电纸的体积电阻率为 10-1~10-2Ω·cm，导电性能良好，可以作为新能源和电化学材料，制作质子交换膜燃料电池的气体扩散电极材料^[17]。

一般来说，屏蔽效能达到 35 dB 以上时，导电材料就具有屏蔽的实用价值，对应的体积电阻率应小于1 Ω·cm。从表 1 可以看出，CF含量在6％左右时纸张的体积电阻率降为1 Ω·cm 左右，着 CF 含量的增加体积电阻率进一步下降，直至 10-2Ω·cm 左右。因此，碳纤维导电纸具有较好的电磁波屏蔽性能，双层或多层纸的屏蔽性能更好，能够代替厚金属板和容易氧化、脱落的金属涂层，应用于需要对电磁波进行屏蔽、防护及信息保密的军工、政治、商业、民用等场合 ^[15]，具有非常广阔的前景。

 

3 结论

3.1 碳纤维导电纸导电性能良好，其体积电阻率由 CF 含量决定，在“渗滤阈值”以前，体积电阻率随 CF 含量增加而急剧下降，之后电阻率下降幅度变缓。

3.2 CF 含量在一定量范围内( ≤ 5％ )，导电纸的抗张指数随 CF 含量增加而上升；之后，抗张指数下降。 CF 含量为 15％时，纸张仍然保持了较高的抗张强度。

3.3 当 CF 含量一定时，导电纸体积电阻率一定，但不同定量纸张的电阻值不同，随定量的增加而减小，其变化规律符合物理导电模型，从而为不同定量纸张 导电性的精确预测提供了一种很有效的方法。

3.4 碳纤维导电纸具有优异的电学性能，其体积电阻率在 10-2 ~107Ω·cm 范围内变化，可以根据导电性的不同要求，通过调节导电纸的定量及 CF 含量来控制纸张的导电性，代替传统导电材料并弥补其不足，成为一种高性能的导电材料，广泛应用于不同领域，具有广阔的前景。

 

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(责任编辑：王岩)