一种将碳纤维分散于水中抄造碳纤维纸的方法

技术领域

本发明涉及一种将碳纤维分散于水中抄造碳纤维纸的方法，属于碳纤维材料应用技术领域。

背景技术

随着社会文明的发展，世界经济高速发展，但是在经济增长的过程中，人类消耗了大量不可再生资源，如煤炭、石油、天然气等化石燃料，随之产生了能源储备短缺危机、环境污染问题和温室效应日益严重等问题。能源危机和环境问题，对世界能源可持续发展构成了严重威胁。因此，对于改变传统化石能源高污染的利用方式，改善优化可再生能源的成本和局限性，为实现人类社会可持续发展，建立人与自然的和谐关系，研究开发清洁的可再生新能源，发展低碳经济成了当前世界能源利用的重点研究发展方向。

而氢能被人们视为是21世纪最具有发展潜力的清洁能源，被视为未来能源革命的颠覆性技术方向，它的燃烧热值高、清洁高效、资源丰富，是可持续的新能源。氢燃料电池是氢能源的主要利用方式，它是以氢气为燃料，通过电化学反应将氢气和氧气的化学能直接转化为电能。燃料电池电动汽车是减少温室气体排放、降低石油使用量的最有效路径之一。

质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、零排放、反应洁净无污染、启动速度快、工作温度低、使用寿命长以及安装操作方便等特点，是一种高转化效率的清洁可再生能源利用方式，也是世界能源发展主要方向之一，常被认为是一系列固定和移动应用的理想候选电源，应用于电动汽车、潜艇、移动设备和分散式发电站等领域。

虽然对质子交换膜燃料电池有了基本的理论基础，但是质子交换膜燃料电池并没有得到广泛的应用。质子交换膜燃料电池有双极板、气体扩散层、质子交换膜、催化基层等四大关键材料部件，这些部件制造加工技术难度大、生产成本高是其难以广泛应用的根本原因。

其中气体扩散层是质子交换膜燃料电池的重要组件，气体扩散层不仅起着支撑催化剂层的作用，起到支撑催化剂层、稳定电机结构，更重要的是起着扩散气体、电流、水及导热的作用，提供电极反应气体通道和生成水的通道，同时还一定要具备比较良好的导电性能及在电化学反应下的抗腐蚀能力。因此扩散层材料的性能将直接影响着电化学反应的进行和电池的工作效率。

气体扩散层由基底层和微孔层构成。基底层主要是由憎水处理过的碳纤维纸或碳纤维布构成，这是因为它们的高电导率和多孔结构可以满足扩散层高孔隙率的要求，还能够很好地流通气体和产物水，并且可以输送电子。碳纤维纸是使用最为广泛的基底层。这是因为碳纤维纸具有多孔结构，孔隙率高，导电性好，耐高温、耐腐蚀，能满足燃料电池的运行条件和性能要求。

碳纤维纸是以碳纤维为主要材料，辅以黏合剂经抄纸工艺而制得的纸状材料。碳纤维是经1300～1600℃高温炭化制得的含碳量高达93％以上的新型碳材料，碳纤维具有石墨乱层结构，碳-碳之间以非极性共价键相连接，导致表面官能团种类和含量少，活性低，呈疏水性，不易被水润湿，因此纤维较难分散且分散后很容易重新聚集。

我国抄造碳纤维纸的技术起步较晚，而且产品供应不足导致市场发展比较缓慢，所以在开发完整加工线路以保证生产和供给需求的同时，需要优化生产气体扩散层所需的技术，改善生产方法和其内部结构。由于我国燃料电池产业起步较晚、关键材料基础薄弱、产业链发展不全面，大大制约了我国的氢燃料电池产业发展。

发明内容

本发明的目的是提供采用更为有效、更为常见分散剂和粘结剂，在制备过程中提高碳纤维分散效果，使得碳纤维纸经过碳化后力学性能有所提升，并能提高碳纤维纸的导电性的一种将碳纤维分散于水中抄造碳纤维纸的方法。

本发明采取的技术方案是：一种将碳纤维分散于水中抄造碳纤维纸的方法，其特征在于它包括如下步骤：(1)将碳纤维分散在水中，加入分散剂，使碳纤维分散均匀，得到碳纤维悬浮液；(2)在分散后的碳纤维悬浮液中加入粘结剂，抄造出碳纤维纸原纸；(3)将抄造得到的碳纤维纸前驱体利用树脂浸渍、热压；(4)高温碳化制备碳纤维纸。

所述的一种将碳纤维分散于水中抄造碳纤维纸的方法，其特征在于碳纤维的定量为90～120g/m

所述的一种将碳纤维分散于水中抄造碳纤维纸的方法，其特征在于碳纤维分散在水中的比例为1∶800～1200。

所述的一种将碳纤维分散于水中抄造碳纤维纸的方法，其特征在于分散剂为阳离子型聚丙烯酰胺，且阳离子型聚丙烯酰胺的质量分数为0.5～2％(以碳纤维悬浮液质量为基准)之间。

所述的一种将碳纤维分散于水中抄造碳纤维纸的方法，其特征在于粘结剂采用淀粉，且淀粉质量在2～4克(以碳纤维质量为基准)之间。

所述的一种将碳纤维分散于水中抄造碳纤维纸的方法，其特征在于树脂为苯酚树脂、吠喃树脂、酚醛树脂之中的一种。

所述的一种将碳纤维分散于水中抄造碳纤维纸的方法，其特征在于将碳纤维纸前驱体浸渍于树脂中4～6h。

所述的一种将碳纤维分散于水中抄造碳纤维纸的方法，其特征在于在1600～2000℃的氮气环境中进行高温碳化。

本发明的有益效果是，在碳纤维悬浮液中加入阳离子型聚丙烯酰胺，使悬浮液中的碳纤维分散效果，较未添加分散剂的悬浮液相比，分散性能得到明显提升；在分散好的碳纤维悬浮液中加入粘结剂，较未添加任何粘结剂的碳纤维悬浮液，在滤水干燥后，不能成形无法得到碳纤维纸前驱体相比，能得到成形的碳纤维纸前驱体，且利用热固性树脂浸渍，使得碳纤维纸经过碳化后力学性能有所提升，同时热固性树脂本身部分在高温碳化后会变成树脂碳，有利于碳纤维的粘结，与此同时提高了碳纤维纸的导电性。

附图说明

图1是本发明碳纤维分散效果图；

图2是本发明抄造的碳纤维纸前驱体裁剪后的样貌；

图3是本发明树脂浸渍后的碳纤维纸前驱体裁剪后的样貌；

图4是本发明碳化后得到的碳纤维纸裁剪后的样貌；

图5是本发明利用伺服材料多功能高低温控制试验机，分别测试所制得碳纤维纸前驱体、树脂浸渍后的碳纤维纸前驱体、碳化后得到的碳纤维纸的拉伸强度测试图之一。

图6是本发明利用伺服材料多功能高低温控制试验机，分别测试所制得碳纤维纸前驱体、树脂浸渍后的碳纤维纸前驱体、碳化后得到的碳纤维纸的拉伸强度测试图之二。

图7是本发明利用伺服材料多功能高低温控制试验机，分别测试所制得碳纤维纸前驱体、树脂浸渍后的碳纤维纸前驱体、碳化后得到的碳纤维纸的拉伸强度测试图之三。

图8是本发明利用扫描电子显微镜分别观察原料碳纤维、碳化后的碳纤维纸的形貌图之一。

图9是本发明利用扫描电子显微镜分别观察原料碳纤维、碳化后的碳纤维纸的形貌图之二。

具体实施方式

下面将结合具体的本发明实施例，对本发明的技术方案进行完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一、本发明的具体步骤如下。

1、步骤一，将原料碳纤维分散于水中，加入阳离子型聚丙烯酰胺，使碳纤维分散均匀，均匀分散的碳纤维有利于抄造出性能更加优异的碳纤维纸；因此，优化短切碳纤维在水中的分散效果，即更好的改善短切碳纤维在抄得的碳纤维纸中均匀分散效果，使得碳纤维纸产品的均匀度、强度、孔隙率、透气性等一系列关键性能更符合产品需求。

2、步骤二，在分散好的碳纤维悬浮液中加入粘结剂；由于碳纤维特殊的结构，碳-碳之间以非极性共价键相连接，导致表面官能团种类和含量少，对比植物纤维抄纸过程利用植物纤维富含亲水性官能团，使得植物纤维在分散的过程中更容易达到预期的分散效果，并且在碳纤维纸成型的过程中植物纤维自身的官能团发挥了巨大的作用，因此在抄造碳纤维原纸的过程中，加入粘结剂是非常有必要的。

3、步骤三，将抄造得到的碳纤维原纸利用热固性树脂浸渍，热压碳纤维纸前驱体；苯酚树脂、吠喃树脂、酚醛树脂等树脂在常温时显示出与碳纤维良好的粘结性能,在高温碳化后除了部分成分被烧消失掉,剩余可碳化的部分成为树脂碳,树脂碳具有良好的导电性且保持着对碳纤维良好的粘结作用,赋予碳化后碳纸良好的强度，当选用热固性树脂时须进行热压处理，一方面使热固性树脂固化,另一方面赋予碳纸较优的表面平整度,改善厚度的均匀性。

4、步骤四，高温碳化制备碳纤维纸；碳纤维纸在质子交换膜燃料电池中必须具备导电性好的要求，所以碳纤维纸必须经过高温热处理，以满足导电要求，碳化过程中酚醛树脂中的各种元素以水、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等形式放出，同时树脂炭化，发生收缩。此过程提高了碳纤维纸的导电性，使碳纤维纸的孔隙率和透气率大幅度增加。

二、实施例一。

该发明采用的技术方案是湿法造纸工艺，采用更为有效、更为常见分散剂和粘结剂，利用碳纤维抄造碳纤维纸的制备方法，具体过程如下：

称取定量为120g/m

三、实施例二。

该发明采用的技术方案是湿法造纸工艺，采用更为有效、更为常见分散剂和粘结剂，利用碳纤维抄造碳纤维纸的制备方法，具体过程如下：

称取定量为110g/m

四、实施例三。

该发明采用的技术方案是湿法造纸工艺，采用更为有效、更为常见分散剂和粘结剂，利用碳纤维抄造碳纤维纸的制备方法，具体过程如下：

称取定量为100g/m

五、实施例四。

该发明采用的技术方案是湿法造纸工艺，采用更为有效、更为常见分散剂和粘结剂，利用碳纤维抄造碳纤维纸的制备方法，具体过程如下：称取定量为90g/m

六、结论。

从图1至图9可以看出，在碳纤维悬浮液中加入阳离子型聚丙烯酰胺，使悬浮液中的碳纤维分散效果，较未添加分散剂的悬浮液相比，分散性能得到明显提升；在分散好的碳纤维悬浮液中加入粘结剂，较未添加任何粘结剂的碳纤维悬浮液，在滤水干燥后，不能成形无法得到碳纤维纸前驱体相比，能得到成形的碳纤维纸前驱体，且利用热固性树脂浸渍，使得碳纤维纸经过碳化后力学性能有所提升，同时热固性树脂本身部分在高温碳化后会变成树脂碳，有利于碳纤维的粘结，与此同时提高了碳纤维纸的导电性。