一种功能性石墨烯改性提高炭纤维或炭纤维复合材料耐腐蚀的方法技术

本发明专利技术公开了一种功能性石墨烯改性提高炭纤维或炭纤维复合材料耐腐蚀的方法，该方法是在采用聚四氟乙烯对炭纤维或炭纤维复合材料进行表面改性过程中，通过引入功能性石墨烯可以提高聚四氟乙烯与炭纤维或炭纤维复合材料之间的结合性能，使聚四氟乙烯在炭纤维或碳纤维复合材料表面形成更加完整和强结合力的疏水防腐网络结构，得到强疏水、强耐腐蚀、耐久性好的炭纤维或炭纤维复合材料；特别是该方法可以获得用于质子交换膜燃料电池的疏水性碳纤维炭纸，提高其在苛刻环境下使用的耐腐蚀性能和耐久性，且该方法操作简单，能够实现大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种功能性石墨烯改性提高炭纤维或炭纤维复合材料耐腐蚀的方法
本专利技术涉及一种功能性石墨烯改性炭纤维或炭纤维复合材料，具体涉及一种具有强耐腐蚀性能的改性炭纤维或炭纤维复合材料，特别涉及一种具有耐腐蚀的功能性石墨烯增强质子交换膜燃料电池用炭纸的制备方法，属于质子交换膜燃料电池材料制备

技术介绍
质子交换膜燃料电池是一种以高分子薄膜为电解质，以Pt/C或Pt-Ru/C为电催化剂，通过带有气流通道的双极板将反应物氢气和氧气送至催化剂层，从而将反应物化学能转化成电能的装置。炭纤维纸(炭纸)作为一种一维炭/炭复合材料，广泛应用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层基底材料，不仅因为它具有均匀的多孔薄层结构，良好的孔隙率和透气性，而且主要原料为可石墨化的炭纤维，具有优异的导电性、化学稳定性和热稳定性等特点。实际上，质子交换膜燃料电池的工作环境是非常苛刻的，例如在启动和关闭时会产生一个1.4V的逆电压、高湿度和富氧环境等等。炭纸的腐蚀会导致微结构(疏水性能)的破坏和电阻率的增加，进而影响燃料电池的性能和耐久性能，这样一个苛刻环境下，炭纤维纸作为气体扩散层必须具有良好化学稳定性，不产生腐蚀与降解。目前主要有两种方法改善炭纤维纸的耐腐蚀性能，第一种采用高含量聚四氟乙烯(PTFE)表面涂层处理，但是炭纸的表面电阻率随着PTFE含量的增加成数量级的增加，进而影响质子交换膜燃料电池的性能；同时在工作状态下，裸露在外面的基体炭发生腐蚀容易导致PTFE的脱落。另一方面，有人提出采用高压气泵来抑制腐蚀，虽然这种方法可以有效的排出多余的产物水，但是有研究表明在这种装置下还是存在严重的腐蚀现象。
技术实现思路
针对现有技术中的改善炭纤维材料的耐腐蚀性能的方法存在的缺陷，本专利技术的目的是在于提供一种利用功能性石墨烯(氧化石墨烯、还原氧化石墨烯)的特异性能，通过功能性石墨烯改善炭纤维或炭纤维复合材料与PTFE(聚四氟乙烯)的界面连接，可以提高PTFE与炭纤维或炭纤维复合材料之间的结合能力，在碳纤维或炭纤维复合材料表面获得更完整、结合性好的疏水膜，从而增强炭纤维或炭纤维复合材料的耐腐蚀性能，特别是获得的改性炭纤维纸可以有效提高质子交换膜燃料电池或者氢燃料电池电极的耐久性和综合性能。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种功能性石墨烯改性提高炭纤维或炭纤维复合材料耐腐蚀的方法，包括以下三种并列技术方案：方案一：包括以下步骤：1)将炭纤维材料置于高分子碳源浸渍液中浸渍后，烘干，得到预浸料；2)所述预浸料通过模具模压成型，得到前驱体材料；3)所述前驱体材料进行炭化处理和石墨化处理得到功能性石墨烯改性炭纤维材料；4)所述功能性石墨烯改性炭纤维材料置于聚四氟乙烯溶液中进行浸渍处理，烘干，烧结，即得；所述高分子碳源浸渍液和/或聚四氟乙烯溶液中添加有功能性石墨烯；方案二：包括以下步骤：1)将高分子碳源溶液涂覆在炭纤维复合材料表面后，烘干，再进行炭化处理和石墨化处理，得到功能性石墨烯表面改性炭纤维复合材料；2)将功能性石墨烯表面改性炭纤维复合材料置于聚四氟乙烯溶液中进行浸渍处理，烘干，烧结，即得；所述高分子碳源溶液和/或聚四氟乙烯溶液中添加有功能性石墨烯；方案三：包括以下步骤：1)将高分子碳源溶液涂覆在炭纤维复合材料表面后，烘干，得到功能性石墨烯表面改性炭纤维复合材料；2)将功能性石墨烯表面改性炭纤维复合材料置于聚四氟乙烯溶液中进行浸渍处理，烘干，烧结，即得；所述高分子碳源溶液和/或聚四氟乙烯溶液中添加有功能性石墨烯。优选的方案，所述炭纤维材料包括炭纤维、炭纤维纸或其它炭纤维预制体。优选的方案，高分子碳源浸渍液或高分子碳源溶液或聚四氟乙烯溶液中功能性石墨烯添加质量百分比浓度为0.01％～30％；优选为0.01％～15％；较优选为0.1～1.5％。优选的方案，模压成型的过程为：先将模具预热，将预浸料放入模具中，在0.1～60MPa压力下，以1.0～5.0℃/min的升温速率升至150～250℃，保温0.5～5小时。优选的方案，所述炭化处理在保护气氛下进行，炭化温度为800～1500℃。炭化时间为常规的时间。优选的方案，所述石墨化处理在保护气氛下进行，石墨化温度为1500～3500℃。石墨化时间为常规的时间。优选的方案，所述功能性石墨烯改性炭纤维材料中聚四氟乙烯的负载量为0.5～15wt％。优选的方案，所述功能性石墨烯表面改性炭纤维复合材料表面聚四氟乙烯的负载量为0.5～15wt％。优选的方案，所述聚四氟乙烯溶液中聚四氟乙烯的质量百分比浓度为0.5～10％。优选的方案，方案一中步骤4)中或方案二中步骤2)中或方案三中步骤2)中的烘干过程为：先在室温下自然干燥1～30小时，再置于70～100℃温度下干燥1～10小时。优选的方案，所述烧结在保护气氛下进行，烧结温度为50～350℃，烧结时间为0.5～3小时。优选的方案，所述保护气氛为氮气和/或惰性气体。惰性气体如氩气。本专利技术的技术方案在采用聚四氟乙烯对炭纤维或炭纤维复合材料进行疏水改性过程中，通过引入功能性石墨烯(氧化石墨烯或还原氧化石墨烯等)对炭纤维或炭纤维复合材料进行表面处理，利用功能性石墨烯表面的含氧官能团(C＝O等)能有效地与疏水剂(例如聚四氟乙烯)含有的氟原子相互结合，在同样单位质量疏水剂存在下能形成更加完整的疏水网络结构，可以改善疏水剂(如聚四氟乙烯)在炭纤维或炭纤维复合材料表面的润湿性和成膜性能，从而改善疏水剂在炭纤维、炭纤维纸、炭纤维坯体、炭纤维复合材料等表面分布均匀性和结合力，最终改善炭纤维或炭纤维复合材料的耐腐蚀性能、疏水性、导电性、力学性能等综合性能。本专利技术的含功能性石墨烯和高分子碳源的溶液的配制过程：(1)先配制功能性石墨烯溶液：将氧化石墨烯或还原氧化石墨烯，与乙醇、丙酮、甲苯、二甲苯、水等溶剂混合得功能性石墨烯混合液；(2)配制浸渍液或涂覆液，将功能性石墨烯混合液与高分子碳源(酚醛树脂、沥青等)进行混合，获得浸渍液或涂覆液，其中石墨烯的质量百分比为0.01％～15％，将浸渍液或涂覆液进行搅拌、超声波分散1～24小时，使石墨烯均匀分散。本专利技术的技术方案中，高分子碳源溶液中高分子碳源的浓度，以及在碳纤维或炭纤维复合材料上的浸渍(涂覆)量等根据功能性石墨烯改性炭纤维材料或功能性石墨烯表面改性炭纤维复合材料的密度来确定，一般保证其密度在0.30～0.60g/cm3范围内，这是本领域技术人员容易实现的。本专利技术的技术方案中，方案一、方案二或方案三中步骤1)中的烘干过程为先自然风干，再转移至烘箱中，在室温～150℃下恒温干燥。本专利技术的技术方案中，可以采用高分子碳源溶液对已经成型的炭纤维材料进行二次浸渍。本专利技术的技术方案，以制备具有强耐腐蚀的功能性石墨烯改性炭纤维纸的方法作为优选方案进行具体例举说明，具体步骤如下：(1)制备预浸料：根据酚醛树脂、沥青等高分子碳源的热重(TG)图谱计算出碳源的残炭率，根据功能性石墨烯改性炭纤维纸的最终密度计算出高分子碳源的浸渍量，根据计算结果，配制含功能性石墨烯与高分子碳源的浸渍液，其中功能性石墨烯质量百分比浓度为0.1％～1.5％，将浸渍液在45KHz频率下超声1～24小时，待功能性石墨烯完全溶解分散，用于浸渍炭纤维纸，风干后转移至烘箱中，在75～85℃下恒温放置一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功能性石墨烯改性提高炭纤维或炭纤维复合材料耐腐蚀的方法，其特征在于：方案一：包括以下步骤：1)将炭纤维材料置于高分子碳源浸渍液中浸渍后，烘干，得到预浸料；2)所述预浸料通过模具模压成型，得到前驱体材料；3)所述前驱体材料进行炭化处理和石墨化处理得到功能性石墨烯改性炭纤维材料；4)所述功能性石墨烯改性炭纤维材料置于聚四氟乙烯溶液中进行浸渍处理，烘干，烧结，即得；所述高分子碳源浸渍液和/或聚四氟乙烯溶液中添加有功能性石墨烯；方案二：包括以下步骤：1)将高分子碳源溶液涂覆在炭纤维复合材料表面后，烘干，再进行炭化处理和石墨化处理，得到功能性石墨烯表面改性炭纤维复合材料；2)将功能性石墨烯表面改性炭纤维复合材料置于聚四氟乙烯溶液中进行浸渍处理，烘干，烧结，即得；所述高分子碳源溶液和/或聚四氟乙烯溶液中添加有功能性石墨烯；方案三：包括以下步骤：1)将高分子碳源溶液涂覆在炭纤维复合材料表面后，烘干，得到功能性石墨烯表面改性炭纤维复合材料；2)将功能性石墨烯表面改性炭纤维复合材料置于聚四氟乙烯溶液中进行浸渍处理，烘干，烧结，即得；所述高分子碳源溶液和/或聚四氟乙烯溶液中添加有功能性石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种功能性石墨烯改性提高炭纤维或炭纤维复合材料耐腐蚀的方法，其特征在于：方案一：包括以下步骤：1)将炭纤维材料置于高分子碳源浸渍液中浸渍后，烘干，得到预浸料；2)所述预浸料通过模具模压成型，得到前驱体材料；3)所述前驱体材料进行炭化处理和石墨化处理得到功能性石墨烯改性炭纤维材料；4)所述功能性石墨烯改性炭纤维材料置于聚四氟乙烯溶液中进行浸渍处理，烘干，烧结，即得；所述高分子碳源浸渍液和/或聚四氟乙烯溶液中添加有功能性石墨烯；方案二：包括以下步骤：1)将高分子碳源溶液涂覆在炭纤维复合材料表面后，烘干，再进行炭化处理和石墨化处理，得到功能性石墨烯表面改性炭纤维复合材料；2)将功能性石墨烯表面改性炭纤维复合材料置于聚四氟乙烯溶液中进行浸渍处理，烘干，烧结，即得；所述高分子碳源溶液和/或聚四氟乙烯溶液中添加有功能性石墨烯；方案三：包括以下步骤：1)将高分子碳源溶液涂覆在炭纤维复合材料表面后，烘干，得到功能性石墨烯表面改性炭纤维复合材料；2)将功能性石墨烯表面改性炭纤维复合材料置于聚四氟乙烯溶液中进行浸渍处理，烘干，烧结，即得；所述高分子碳源溶液和/或聚四氟乙烯溶液中添加有功能性石墨烯。2.根据权利要求1所述的一种功能性石墨烯改性提高炭纤维或炭纤维复合材料耐腐蚀的方法，其特征在于：所述炭纤维材料包括炭纤维、炭纤维纸或其它炭纤维预制体。3.根据权利要求1所述的一种功能性石墨烯改性提高炭纤维或炭纤维复合材料耐腐蚀的方法，其特征在于：高分子碳源浸渍液或高分子碳源溶液或聚四氟乙烯溶液中功能性石墨烯的添加质量百分比浓度为0.01％～30％。4.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢志勇，粱伊丽，杨飘飘，王攀，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43