抗靜電空氣濾紙的制備及其性能研究

摘要： 本研究以漂白針葉木漿和導電炭黑為主要原料，以陽離子聚丙烯酰胺（CPAM） 為助留劑，通過濕法成形制備了抗靜電空氣濾紙，研究了CPAM用量、炭黑添加量對炭黑留著率和抗靜電空氣濾紙性能的影響。結(jié)果表明，當CPAM用量為0. 10%、炭黑添加量為6%時，炭黑留著率最高可達56%，此時空氣濾紙的耐破度、平均孔徑、透氣度和表面電阻分別為60. 2 kPa、40. 3 μm、188 L /m2·s和1. 4×104 Ω，具有良好的強度和抗靜電性能，同時具有適宜的孔徑分布和良好的透氣性，可以滿足鋰電池生產(chǎn)車間空氣凈化的要求。

關(guān)鍵詞：空氣濾紙；炭黑；留著率；孔徑；抗靜電性能

中圖分類號：TS761. 2 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 03. 006

在我國“雙碳”目標背景下，新能源電池行業(yè)得以迅速發(fā)展。其中，鋰離子電池因其較高的能量密度、卓越的循環(huán)穩(wěn)定性及環(huán)境友好等顯著優(yōu)勢，在新能源汽車領(lǐng)域得到了廣泛應用[1-3]。然而，鋰離子電池加工過程中需要對電極芯片和外殼進行切割、卷繞、焊接處理，這些操作會產(chǎn)生各種帶靜電的粉塵，易產(chǎn)生火花放電從而引發(fā)爆炸[4]，因此，車間凈化除塵是鋰離子電池生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵。空氣濾紙是組成空氣凈化器濾芯的核心材料，傳統(tǒng)的空氣濾紙主要以植物纖維、玻璃纖維、合成纖維等為原料，通過濕法成形技術(shù)制備而成，具有適宜的孔徑和良好的強度，能夠滿足一般空氣過濾的空氣凈化要求，但不具備抗靜電性能，無法滿足鋰離子電池生產(chǎn)車間除塵和空氣凈化的特殊要求。

要使材料具有抗靜電性能，需在其表面構(gòu)建電荷傳導路徑，降低表面電阻率，形成導電通路，使已經(jīng)產(chǎn)生的靜電荷迅速泄漏，抑制和減少靜電荷的積累[5]。提高紙張表面抗靜電性能的方法主要有添加導電纖維、導電填料或在紙張表面涂布導電助劑等[6]。施云舟[7]采用濕法抄紙工藝對碳纖維和植物纖維進行混合抄紙，制備了一種導電復合材料，但由于碳纖維分散不均勻，紙張無法形成連續(xù)的導電通路，從而出現(xiàn)電阻率漂移的問題。Pang等[8]研究了碳納米管/纖維素導電紙的性能，發(fā)現(xiàn)當碳納米管的添加量從10%增加到70% 時，導電紙的電導率從9.9 S/m 提高至216 S/ｍ。張素風等[9]采用液相還原法制備了具有三維形貌的銀微粒，并將其與棉纖維混合后通過真空抽濾得到導電紙。結(jié)果表明，當銀微粒與纖維素質(zhì)量比為2∶1時，紙張電導率可達90.1 S/m，具有優(yōu)異的導電性能。添加碳納米管或銀微粒等導電填料均可制備出導電性能良好的抗靜電紙， 但生產(chǎn)成本很高。Huang 等[10]通過聚合反應制備了聚苯胺/納米纖維素（PANI/CNC） 復合乳液，并對紙張進行涂布，當復合乳液中CNC質(zhì)量分數(shù)為4%，涂布量大于20 g/m2時，涂布紙的電導率為4 S/m，具有良好的導電性能，但涂布法存在表面導電涂層易剝落等缺陷。

本研究以漂白針葉木漿為主要原料，以導電炭黑為填料，以陽離子聚丙烯酰胺（CPAM） 為助留劑，經(jīng)濕法成形制備抗靜電空氣濾紙，探究了CPAM用量和炭黑添加量對炭黑留著率及空氣濾紙結(jié)構(gòu)和性能的影響，并優(yōu)化導電炭黑的加填工藝，制備出綜合性能良好的抗靜電空氣濾紙，以滿足鋰離子電池加工車間空氣凈化的要求。

1 實 驗

1. 1 實驗原料

漂白針葉木漿板（打漿度12 °SR，加拿大虹魚），由杭州特種紙業(yè)公司提供；導電炭黑（粒徑30 nm，XC-72R），由上海越磁電子科技有限公司提供；陽離子聚丙烯酰胺（CPAM，相對分子質(zhì)量800萬～1 000萬）、無水乙醇、磷酸三丁脂，均為分析純，由上海麥克林生物科技有限公司提供。

1. 2 實驗儀器

T18 懸臂式高速分散機， 德國IKA 艾卡集團；TD9-M 打漿度測定儀、TD15-A 纖維解離器、TD10-200標準紙頁成型器、TD19-B平板干燥器，咸陽通達輕工業(yè)設(shè)備有限公司；DGG-9070A電熱恒溫干燥鼓風箱，上海精密科學儀器有限公司；TL1200管式爐，南京博蘊通儀器科技有限公司；SDT650同步熱重分析儀，美國TA儀器公司；SU1510臺式掃描電子顯微鏡（SEM），日本Hitachi公司；徠卡3D超景深視頻顯微鏡，德國Leica Microsystems公司；PSDA-20孔徑分析儀， 南京高謙功能材料科技有限公司； TEXTESTFX3300-IV透氣度測定儀，理寶科技有限公司；PNBSM160紙張耐破度測定儀，杭州品享科技有限公司；HPS2548四探針電阻率測試儀，廣州四探針科技有限公司。

1. 3 實驗方法

1. 3. 1 抗靜電空氣濾紙的制備

將一定量炭黑分散于無水乙醇溶劑中，采用懸臂式高速分散機以3 000 r/min對其進行攪拌，控制分散時間15 min，得到均勻的炭黑分散液[11]。利用TD15-A纖維解離器將經(jīng)過浸泡的針葉木漿板充分疏解，然后在漿料中添加炭黑分散液，控制炭黑添加量（相對于絕干漿質(zhì)量，下同） 分別為3%、6%和9%，并分別加入0.05%、0.10% 和0.15% 的CPAM 助留劑，疏解15 min后加入0.01%的磷酸三丁酯消泡劑，混合均勻后利用標準紙頁成型器抄造定量為110 g/m2的空氣濾紙。抗靜電空氣濾紙的制備流程示意圖如圖1所示。

1. 3. 2 空氣濾紙結(jié)構(gòu)和性能表征

1. 3. 2. 1 炭黑留著率

稱取一定量未添加炭黑的紙張（m0，g），放入管式爐中， 以10 ℃/min 的速率升溫至600 ℃后，以5 ℃/min 的速率降溫，待溫度冷卻至室溫后測定殘?zhí)抠|(zhì)量（m1，g），紙張纖維碳化損失率（Rf，%）的計算見式（1）。

1. 3. 2. 2 微觀形貌

分別利用徠卡3D超景深視頻顯微鏡和SEM對空氣濾紙進行微觀形貌表征。

1. 3. 2. 3 孔徑

根據(jù)GB/T 2679.14—1996，采用孔徑分析儀測定空氣濾紙的平均孔徑和最大孔徑。

1. 3. 2. 4 透氣度

根據(jù)GB/T 40353—2021，采用透氣度測定儀對空氣濾紙的透氣度進行測試，測試面積20 cm2，測試壓力200 Pa，每個樣品測試5處，取平均值。

1. 3. 2. 5 耐破度

根據(jù)GB/T 454—2020，采用紙張耐破度測定儀對空氣濾紙的耐破度進行測試。

1. 3. 2. 6 表面電阻

根據(jù)SJ/T 10314—1992，采用四探針電阻率測試儀對空氣濾紙的表面電阻進行測試，每個樣品測試9個點并取平均值。

2 結(jié)果與討論

2. 1 CPAM用量和炭黑添加量對炭黑留著率的影響

在空氣或氧氣環(huán)境中，炭黑通常在450～500 ℃時開始分解，而在氮氣環(huán)境中不會分解，因此采用管式爐通過控制氮氣環(huán)境，測定了CPAM用量及炭黑添加量不同時紙張中炭黑留著率，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，未添加CPAM時，紙張中炭黑的留著率隨炭黑添加量的增加而提高，但留著率總體很低，炭黑主要依靠機械過濾作用截留于纖維之間。由于纖維表面帶負電荷，炭黑顆粒也帶負電荷，二者之間互相排斥，炭黑不能吸附于纖維表面，在濕法成形過程中容易隨水流失。添加帶正電荷的助留劑CPAM后，可以通過電荷中和與架橋作用使帶正電荷的助留劑與帶有負電荷的纖維和導電填料結(jié)合形成絮聚體，使炭黑更多地被纖維網(wǎng)絡(luò)攔截，從而提高炭黑的留著率。控制炭黑添加量分別為3%、6% 和9%，CPAM用量為0.05% 時，炭黑留著率分別為40%、45% 和41%；CPAM用量0.10%時，炭黑留著率分別為50%、56%和51%；CPAM用量為0.15%時，炭黑留著率分別為50%、56% 和52%， 即CPAM 用量超過0.10%時，炭黑的留著率不再有明顯提升。這是由于過量的CPAM使?jié){料中產(chǎn)生了大量帶有正電荷的絮聚體，吸附、架橋作用減弱，無法進一步提高填料留著率[12]。當CPAM用量為0.10%，炭黑添加量分別為3%、6%和9%時，炭黑留著率比未添加CPAM時分別提高了285%、250%和183%，即在炭黑添加量較少時，炭黑留著率提升幅度較大，而隨著炭黑添加量增加，炭黑留著率提升幅度減少。這是因為在絕干漿質(zhì)量和CPAM用量固定的情況下，帶正電荷的CPAM吸附于纖維表面，使其表面局部帶正電，對帶負電的炭黑產(chǎn)生較強的吸附作用；隨著炭黑添加量的增加，纖維表面吸附點逐漸變少，對炭黑的吸附能力也變?nèi)酰蚨亢诹糁侍岣叻茸冃13]。

2. 2 炭黑添加量對空氣濾紙結(jié)構(gòu)與性能的影響

炭黑加填能夠顯著提升紙張的導電性能，但會對紙張的孔徑、透氣性和強度等性能產(chǎn)生一定的影響。

2. 2. 1 空氣濾紙形貌

固定助留劑CPAM用量為0.10%，不同炭黑添加量的空氣濾紙形貌如圖3所示。由圖3可知，隨著炭黑添加量的增加，紙張顏色逐漸加深。當炭黑添加量為3%時，炭黑主要沉積在纖維交界處，纖維表面僅觀察到少量炭黑顆粒，此時孔隙尚未完全填充。當炭黑添加量為6%時，紙張孔隙內(nèi)炭黑顆粒顯著增多，在紙張纖維表面也形成明顯的吸附層。當炭黑添加量為9%時，紙張纖維之間和纖維表面均負載了更多的炭黑填料，紙張顏色更深。

2. 2. 2 空氣濾紙孔徑和物理性能

孔徑和透氣度是影響空氣濾紙過濾效率和過濾精度的重要因素，而耐破度是衡量空氣濾紙耐用性的關(guān)鍵指標。空氣濾紙孔徑大，透氣性好，空氣通過的阻力低，但粉塵易穿過濾紙，降低過濾效率；縮小孔徑雖能提高空氣濾紙的過濾效率，但勢必增加氣體通過的阻力，這2項要求是矛盾的。因此空氣濾紙要求具有適宜的孔徑，同時具有良好的透氣性[14]。意大利BOSSO公司生產(chǎn)的空氣濾紙平均孔徑lt;40 μm，透氣度gt;100 L/m2·s，具有良好的過濾效率和精度 [15]。根據(jù)我國相關(guān)標準要求，空氣濾紙的平均孔徑應≤60 μm，透氣度應≥130 L/m2·s[16]。除了控制孔徑和透氣度外，空氣濾紙還要求具有較高的耐破度，確保空氣濾紙在加工和使用過程中不會因風壓增大而破裂[17]。

固定CPAM用量為0.10%，炭黑添加量對空氣濾紙的孔徑、透氣度和耐破度的影響如圖4 所示。由圖4（a）可知，隨著炭黑添加量增加，炭黑顆粒填充在纖維之間，導致紙張的最大孔徑和平均孔徑均下降。當炭黑添加量分別為3%、6%和9%時，空氣濾紙的最大孔徑分別為140、113和100 μm，平均孔徑分別為68.9、40.3和27.0 μm。由圖4（b）可知，隨著炭黑添加量增加，空氣濾紙的透氣性下降，耐破度也隨之下降。這是由于部分炭黑顆粒留存于紙張纖維間的孔隙中，導致孔徑變小，孔隙率下降，阻礙了空氣的通過，透氣度下降；同時，部分炭黑吸附于紙張纖維表面，影響了纖維之間的氫鍵結(jié)合，導致紙張結(jié)構(gòu)疏松，強度下降。當炭黑添加量由3%到增加到6%時，空氣濾紙透氣度由224 L/m2·s下降至188 L/m2·s；繼續(xù)增加炭黑添加量至9%時，空氣濾紙透氣度下降至120 L/m2·s，下降幅度較大，這可能是由于炭黑添加量過大導致炭黑絮聚，造成部分孔隙被堵塞。

2. 2. 3 空氣濾紙導電性能

通常， 表面電阻≤106 Ω 的材料具有良好的抗靜電性能[18]。當CPAM 用量為0.10% 時，炭黑添加量對空氣濾紙的表面電阻和導電性能的影響如圖5 和圖6 所示。

由圖5可知，隨著炭黑添加量的增加，空氣濾紙表面電阻逐漸下降。這是由于隨著炭黑添加量的增加，大量的導電炭黑顆粒吸附于紙張纖維表面，形成了完整的導電通路，從而降低了表面電阻。其中，炭黑添加量從3%增加至6%時，紙張表面電阻由3 370 kΩ下降至14 kΩ；而當炭黑添加量由6%增加到9%時，紙張表面電阻進一步下降至0.8 kΩ，展示出良好的抗靜電性能。

圖6為不同炭黑添加量空氣濾紙導電性能測試。通過將不同炭黑添加量的空氣濾紙接入電壓為9 V的電路中，觀察燈泡的發(fā)光強弱來判斷其導電和抗靜電性能。由圖6可知，當炭黑添加量為3%時，電路中的小燈泡未出現(xiàn)明顯的發(fā)光現(xiàn)象，說明空氣濾紙表面電阻太大，無法形成導電通路，不具備電荷傳導性能，沒有抗靜電性能。當炭黑添加量增至6%時，電路中的小燈泡能發(fā)出弱光，表明空氣濾紙表面初步形成導電通路。而當炭黑添加量達到9%時，小燈泡發(fā)出較強的光，說明此時電路通暢，空氣濾紙能夠高效地傳導電荷，具有很強的導電和抗靜電性能。結(jié)合表面電阻和導電性能測試結(jié)果可知，炭黑添加量為6%時的空氣濾紙可以滿足抗靜電的要求。

3 結(jié)論

以漂白針葉木漿為主要原料、導電炭黑為導電填料、陽離子聚丙烯酰胺（CPAM） 為助留劑，通過濕法成形制備了抗靜電空氣濾紙，并研究了CPAM用量和炭黑添加量對炭黑留著率的影響。3. 1 炭黑留著率隨CPAM 用量的增加而提高，當CPAM 用量超過0.10% 時，炭黑留著率不再繼續(xù)上升；相同CPAM用量時，炭黑添加量為6%時，炭黑留著率最高；當CPAM用量為0.10%、炭黑添加量為6%時，空氣濾紙中炭黑留著率最高，達56%。3. 2 當炭黑添加量為6%、CPAM 用量為0.10% 時，空氣濾紙的耐破度、平均孔徑、透氣度和表面電阻分別為60.2 kPa、40.3 μm、188 L/m2·s和1.4×104 Ω；具有良好的強度和抗靜電性能，同時具有適宜的孔徑分布和良好的透氣性，可用于鋰電池生產(chǎn)車間的空氣凈化。

參 考 文 獻

［1］ 來 鑫， 陳權(quán)威， 顧黃輝， 等. 面向“雙碳”戰(zhàn)略目標的鋰離子電池生命周期評價：框架，方法與進展［J］. 機械工程學報， 2022，58（22）： 3-18.

LAI X， CHEN Q W， GU H H， et al. Life Cycle Assessment of Lithi?um-ion Batteries for Carbon-peaking and Carbon-neutrality： Frame?work， Methods， and Progress［J］. Journal of Mechanical Engineer?ing， 2022， 58（22）： 3-18.

［2］ 吳 瓊， 許詠杰， 鐘展雄， 等. 鋰離子電池硅碳復合負極結(jié)構(gòu)的研究進展［J］. 材料導報， 2024， 38（11）： 5-13.

WU Q， XU Y J， ZHONG Z X， et al. Progress of Silicon Carbon Composite Anode Structure for Lithium-ion Batteries［J］. Materials Reports， 2024， 38（11）： 5-13.

［3］ 程 成， 雷 鑫， 孫 濤， 等. 鋁離子電池正極材料研究進展［J］. 復合材料學報， 2024， 41（8）： 3845-3871.

CHENG C， LEI X， SUN T， et al. Research progress of cathode ma?terials for aluminum-ion batteries［J］. Acta Materiae Compositae Si?nica， 2024， 41（8）： 3845-3871.

［4］ 劉力碩， 張明軒， 盧蘭光， 等. 鋰離子電池內(nèi)短路機理與檢測研究進展［J］. 儲能科學與技術(shù)， 2018， 7（6）： 1003-1015.

LIU L S， ZHANG M X， LU L G， et al. Recent progress on mechanism and detection of internal short circuit in lithium-ion batteries［J］. Ener?gy Storage Science and Technology， 2018， 7（6）： 1003-1015.

［5］ LIU Y， LU S， LUO J， et al. Research progress of antistaticreinforced polymer materials： A review［J］. Polymers for Advanced Technologies， 2023， 34（4）： 1393-1404.

［6］ 陸趙情， 楊 潔， 董艷暉. 碳纖維電磁屏蔽涂布紙的研究［J］. 中國造紙， 2014， 33（11）： 7-11.

LU Z Q， YANG J， DONG Y H. Studies on Electromagnetic Shield? ing Coated Carbon Fiber Paper［J］. China Pulp amp; Paper， 2014，33（11）： 7-11.

［7］ 施云舟. 碳纖維復合導電紙的制備與應用［D］. 上海： 東華大學， 2014.

SHI Y Z. Preparation and application of carbon fiber composite con?ductive papers［D］. Shanghai： Donghua University， 2014.

［8］ PANG Z P， SUN X G， WU X Y， et al. Fabrication and application of carbon nanotubes/cellulose composite paper ［J］. Vacuum， 2015，122： 135-142.

［9］ 張素風， 華 晨， 賀 斌. 分形結(jié)構(gòu)銀微粒導電紙的制備及其性能研究［J］. 陜西科技大學學報， 2020， 38（6）： 11-17.

ZHANG S F， HUA C， HE B. Study on preparation and characteris? tic of fractal silver particles-containing conductive paper［J］. Journal of Shaanxi University of Science， 2020， 38（6）： 11-17.

［10］ HUANG M， TANG Y， WANG X， et al. Preparation of polyaniline/cellulose nanocrystal composite and its application in surface coating of cellulosic paper［J］. Progress in Organic Coatings， DOI：10. 1016/j. porgcoat. 2021. 106452.

［11］ 王 虹， 沈家鋒， 王益慶， 等. 乙醇預絮凝炭黑/天然橡膠共沉膠的制備、結(jié)構(gòu)與性能研究［J］. 橡膠工業(yè)， 2017， 64（5）： 261-265.

WANG H， SHEN J F， WANG Y Q， et al. Preparation， Structure and Properties of Ethanol Pre-flocculated Carbon Black/Natural Rubber Co-precipitated Rubber［J］. China Rubber Industry， 2017，64（5）： 261-265.

［12］ 張 妍， 王慧樂， 喬文樸， 等. 不同助留體系對裝飾原紙二氧化鈦復合填料留著效果的影響［J］. 中國造紙， 2024， 43（1）：131-140.

ZHANG Y， WANG H L， QIAO W P， et al. Retention Results of Retention Systems on Titanium Dioxide Composite Filler in Prepar?ing Decorative Base Paper［J］. China Pulp amp; Paper， 2024， 43（1）：131-140.

［13］ 董艷暉， 張美云， 鐘林新. 導電粉末加填對碳纖維屏蔽紙性能的影響［J］. 紙和造紙， 2009， 28（2）： 44-47.

DONG Y H， ZHANG M Y， ZHONG L X. Relation between Starch’s Oxidation Degree and Corrugated Medium Surface Sizing［J］. Paper and Paper Making， 2009， 28（2）： 44-47.

［14］ 王瑞忠. 國內(nèi)外汽車濾紙的發(fā)展現(xiàn)狀分析［J］. 中華紙業(yè)，2010， 31（23）： 67-69.

WANG R Z. Analysis of the Development Status of Automotive Fil?ter Paper at Home and Abroad［J］. China Pulp amp; Paper Industry，2010， 31（23）： 67-69.

［15］ 中國人民共和國工業(yè)和信息化部（標準制定單位）. 阻燃性汽車空氣濾紙：QB/T 4031—2010［S］. 北京： 中國標準出版社， 2010.

Standardization Administration of the People’s Republic of China.Flame Reardance Automobile Air Filter Paper：QB/T 4031—2010［S］. Beijing： China Standards Press， 2010.

［16］ 吳安波. 高性能汽車空氣濾紙關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)［J］. 中華紙業(yè)，2018， 39（24）： 56-58.

WU A B. Development of key technologies for high-performance au?to filter paper［J］. China Pulp amp; Paper Industry， 2018， 39（24）：56-58.

［17］ 陸亞林. 水性環(huán)氧樹脂固化劑的合成及應用［D］. 廣州： 華南理工大學， 2012.

LU Y L. Synthesis and Application of Water-based Epoxy Resin Curing Agent［D］. Guangzhou： South China University of Technol?ogy， 2012.

［18］ 張榮燦， 賴映標， 史雨航，等. 一種水性環(huán)氧導靜電自流平地坪涂料的制備及性能研究［J］. 涂層與防護， 2023， 44（6）： 9-13.

ZHANG R C， LAI Y B， SHI Y H， et al. Preparation and Proper?ties of Waterborne Epoxy Electrostatic Conductive Self-leveling Floor Coating［J］. Coating and Protection， 2023， 44（6）： 9-13. CPP

（責任編輯：呂子露）