CN1318697C - 一种碳纤维纸及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳纤维纸是密度为0.10-0.45g/mm3、厚度为0.1-0.5mm之间、强度为0.6N/10mm-2.0N/10mm、电阻率为0.05Ω.cm-0.002Ω.cm。采用将分散剂、纤维素浆、碳纤维丝混合物打浆形成悬浮液，用常规湿法抄纸技术将悬浮液进行抄纸，将纸在无机催化剂溶液中浸渍，再在粘结剂溶液中浸渍，浸渍后的纸干燥，碳化。本发明具有电阻率低、导电率高、强度高、制备方法简单的优点。

Description

一种碳纤维纸及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种由碳纤维丝为主要原料制备的碳纤维纸及其制备方法。
燃料电池气体扩散层材料的选择对电极和电池的电化学性能有十分重要的影响。燃料电池电极由气体扩散层和催化层组成，气体扩散层支撑着催化层，又是质子、电子、生成水的通道。其性质主要取决于所选择的材料。
目前国内外用于燃料电池的气体扩散层的材料主要是碳纤维纸，。例如中国专利申请号为02116609.9中，采用0-20％的纤维素浆，60-99％的碳纤维和0-20％的石墨粉及少量的粘合剂组成中，经过高温碳化形成其碳纸。又如申请号为02116610.2中将纤维素浆、活化的碳粉、石油重组分按比例组成造纸中也不加入纤维素浆的催化剂。这些技术制作的碳纤维纸所选择的制备材料中纤维素浆粘结剂不加催化剂催化这类物质，造成高温碳化后碳纤维纸的碳含量偏低，影响了碳纤维纸的导电率。
发明内容
本发明的目的是提供一种导电率高、强度高的碳纤维纸及其制备方法。
本发明的碳纤维纸，其特征在于：
密度为0.10-0.45g/mm3、厚度为0.1-0.5mm之间
强度为0.6N/10mm--2.0N/10mm
电阻率为0.05Ω.cm--0.002Ω.cm。
本发明采用在碳纤维纸碳化之前浸渍纤维素浆的催化剂的制备方法，提高它的残碳量，进而提高碳纤维纸的导电率。
本发明制备碳纤维纸的具体步骤如下：
(1)将含有分散剂0.1-5wt％、纤维素浆1-10wt％、碳纤维丝85-98.5wt％混合物放入水中，打浆使碳纤维丝分散均匀，形成悬浮液；
(2)采用常规湿法抄纸技术将悬浮液进行抄纸；
(3)将纸放入浓度为5wt％-20wt％的无机催化剂溶液中浸渍20-50分钟；
(4)再放入浓度为0.05-3.0g/ml的粘结剂溶液中浸渍4-36小时；
(5)浸渍后的纸在干燥温度为40-300℃下，干燥10-50分钟；
(6)将干燥后的纸在500-1500℃下碳化处理1秒-2分钟，得本发明制备的碳纤维纸。
如上所述的纤维素浆的催化剂可选硫酸胺、氯化铵或二者混合物。
如上所述的分散剂可选脂肪醇聚氧乙烯醚(又名平平加)、聚乙烯醇、聚氧化乙烯或聚丙烯酰胺等
如上所述的碳纤维丝可以是聚丙烯腈碳纤维、粘胶基碳纤维、气相生长碳纤维、沥青基碳纤维中的一种或几种，碳纤维丝长度在0.1-15mm之间。
如上所述的纤维素浆可选木浆、棉浆或麻浆。
如上所述的粘结剂可选呋喃树脂、酚醛树脂、聚乙烯、聚酰亚胺、纤维素纤维、沥青、重石油组分、环氧树脂或聚四氟乙烯等。
本发明所制备的碳纤维纸可以应用于燃料电池气体扩散层材料。
本发明具有如下优点
1、电阻率低、导电率高、强度高
2、制备方法简单
3、在无机催化剂催化下其残碳量增加一倍，就可以增加碳纤维纸的碳含量，使碳纤维纸具有高的碳含量。
具体实施方式
实施例1：
取0.1wt％的脂肪醇聚氧乙烯醚、1.0wt％的木浆、98.9wt％的长短不均的长度范围在0.1-3mm之间的聚丙烯腈基碳纤维，加水搅拌打浆。利用传统的湿法造纸成型法制得碳纤维初成型纸。配制5wt％硫酸胺溶液，浸渍初成型纸20分钟。配制0.05g/ml酚醛树脂溶液，浸渍4小时。取出干燥，干燥温度40℃，干燥时间10分钟。最后碳化碳纤维纸材料，碳化温度500℃，碳化时间2分钟。
测试碳纤维纸材料的一些性能指标如下：密度为0.11g/mm3，厚度为0.12mm，电阻率为0.002Ω.cm，强度为0.64N/10mm。
实施例2：
取1wt％聚氧化乙烯，2Wt％棉浆，97wt％粘胶基碳纤维丝，丝长0.3-5mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制7％的氯化铵溶液，浸渍25分钟。配制0.1g/ml的环氧树脂溶液，将成纸放入浸渍8小时。取出干燥20分钟，干燥温度80℃。碳化时间1分钟，碳化温度600℃。碳纤维纸材料的一些性能指标如下：密度为0.25g/mm3，厚度为0.2mm，电阻率为0.003Ω.cm，强度为0.86N/10mm。
实施例3：
取2wt％聚丙烯酰胺，3wt％麻浆，95wt％气象生长碳纤维丝，丝长0.6-10mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制9wt％的硫酸胺、氯化铵混合溶液，浸渍30分钟。配制0.3g/ml的沥青溶液，将成纸放入浸渍10小时。取出干燥25分钟，干燥温度100℃。碳化处理30秒，碳化温度700℃。测试碳纤维纸材料的一些性能指标如下：密度为0.31g/mm3，厚度为0.3mm，电阻率为0.004Ω.cm，强度为1.02N/10mm。
实施例4：
取3wt％聚丙稀酰胺，4wt％木浆，93wt％沥青基和聚丙烯腈基碳纤维丝，丝长0.1-15mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制10wt％硫酸胺、氯化铵混合液，浸渍35分钟。配制0.5g/ml的纤维素纤维溶液，将成纸放入浸渍14小时。取出干燥40分钟，干燥温度200℃。碳化时间20秒，碳化温度800℃。碳纤维纸材料的一些性能指标如下：密度为0.41g/mm3，厚度为0.42mm，电阻率为0.005Ω.cm，强度为0.93N/10mm。
实施例5：
取4wt％脂肪醇聚氧乙烯醚，5wt％木浆，91wt％沥青基和聚丙烯腈基碳纤维丝，丝长0.4-11mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制11wt％的硫酸胺、氯化铵混合液，浸渍40分钟。配制0.7g/ml的重石油组分溶液，将成纸放入浸渍18小时。取出干燥45分钟，干燥温度250℃。碳化时间10秒，碳化温度900℃。碳纤维纸材料的一些性能指标如下：密度为0.45g/mm3，厚度为0.55mm，电阻率为0.006Ω.cm，强度为2.0N/10mm。
实施例6：
取5wt％聚丙稀酰胺，5wt％麻浆，90wt％沥青基和聚丙烯腈基碳纤维、气象生长碳纤维和粘胶基碳纤维丝共混物，丝长0.2-12mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制12wt％的硫酸胺、氯化铵混合液，浸渍45分钟。配制0.9g/ml的聚四氟乙烯溶液，将成纸放入浸渍18小时。取出干燥50分钟，干燥温度300℃。碳化时间5秒，碳化温度1000℃。碳纤维纸材料的一些性能指标如下：密度为0.32g/mm3，厚度为0.55mm，电阻率为0.007Ω.cm，强度为1.95N/10mm。
实施例7：
取1wt％聚氧化乙烯，6wt％棉浆，93wt％沥青基碳纤维丝，丝长0.6-15mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制15wt％的硫酸胺、氯化铵混合液，浸渍50分钟。配制1.10g/ml的呋喃树脂溶液，将成纸放入浸渍20小时。取出干燥46分钟，干燥温度255℃。碳化时间4秒，碳化温度1100℃。碳纤维纸材料的一些性能指标如下：密度为0.44g/mm3，厚度为0.63mm，电阻率为0.010Ω.cm，强度为1.93N/10mm。
实施例8：
取2wt％聚氧化乙烯，7wt％麻浆，91wt％沥青基和聚丙烯腈基碳纤维丝，丝长0.7-13mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制17wt％的硫酸胺、氯化铵混合液，浸渍35分钟。配制1.30g/ml的聚乙烯溶液，将成纸放入浸渍24小时。取出干燥50分钟，干燥温度300℃。碳化时间2秒，碳化温度1200℃。碳纤维纸材料的一些性能指标如下：密度为0.31g/mm3，厚度为0.70mm，电阻率为0.23Ω.cm，强度为1.54N/10mm
实施例9：
取0.1wt％聚丙稀酰胺，1wt％木浆，98.9wt％沥青基和聚丙烯腈基碳纤维丝，丝长0.2-13mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制19wt％硫酸胺、氯化铵混合液，浸渍40分钟。配制2.0g/ml的酚醛树脂溶液，将成纸放入浸渍24小时。取出干燥50分钟，干燥温度200℃。碳化时间1秒，碳化温度1400℃。碳纤维纸材料的一些性能指标如下：密度为0.33g/mm3，厚度为0.32mm，电阻率为0.027Ω.cm，强度为1.97N/10mm。
实施例10：
取2wt％纤维素纤维，6wt％木浆，92wt％沥青基和聚丙烯腈基碳纤维丝，丝长0.3-5mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制20wt％的硫酸胺、氯化铵混合液，浸渍20分钟。配制3.0g/ml的环氧树脂溶液，将成纸放入浸渍24小时。取出干燥50分钟，干燥温度250℃。碳化时间1秒，碳化温度1500℃。碳纤维纸材料的一些性能指标如下：密度为0.45g/mm3，厚度为0.12mm，电阻率为0.047Ω.cm，强度为1.54N/10mm。

Claims (8)

1、一种碳纤维纸的制备方法，其特征在于包括步骤如下：
(1)将含有分散剂0.1-5wt％、纤维素浆1-10wt％、碳纤维丝85-98.5wt％混合物放入水中，打浆使碳纤维丝分散均匀，形成悬浮液；
(2)采用常规湿法抄纸技术将悬浮液进行抄纸；
(3)将纸放入浓度为5wt％-20wt％的无机催化剂溶液中浸渍20-50分钟；
(4)再放入浓度为0.05-3.0g/ml的粘结剂溶液中浸渍4-36小时；
(5)浸渍后的纸在干燥温度为40-300℃下，干燥10-50分钟；
(6)将干燥后的纸在500-1500℃下碳化处理1秒-2分钟，得密度为0.10-0.45g/mm3、厚度为0.1-0.5mm之间、强度为0.6N/10mm-2.0N/10mm、电阻率为0.05Ω.cm-0.002Ω.cm的碳纤维纸。
2、如权利要求1所述的一种碳纤维纸的制备方法，其特征在于所述的催化剂是硫酸胺、氯化铵或二者混合物。
3、如权利要求1所述的一种碳纤维纸的制备方法，其特征在于所述的分散剂是脂肪醇聚氧乙烯醚、聚乙烯醇、聚氧化乙烯或聚丙烯酰胺。
4、如权利要求1所述的一种碳纤维纸的制备方法，其特征在于所述的碳纤维丝是聚丙烯腈碳纤维、粘胶基碳纤维、气相生长碳纤维、沥青基碳纤维中的一种或几种。
5、如权利要求4所述的一种碳纤维纸的制备方法，其特征在于所述的碳纤维丝的长度在0.1-15mm之间。
6、如权利要求1所述的一种碳纤维纸的制备方法，其特征在于所述的纤维素浆是木浆、棉浆或麻浆。
7、如权利要求1所述的一种碳纤维纸的制备方法，其特征在于所述的粘结剂是呋喃树脂、酚醛树脂、聚乙烯、聚酰亚胺、纤维素纤维、沥青、重石油组分、环氧树脂或聚四氟乙烯。
8、一种权利要求1-7任一项所述方法制得的碳纤维纸，其特征在于密度为0.10-0.45g/mm3、厚度为0.1-0.5mm之间、强度为0.6N/10mm-2.0N/10mm、电阻率为0.05Ω.cm-0.002Ω.cm。
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