一种燃料电池专用高性能碳纸的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池专用高性能碳纸及其制备方法，所述碳纸以短切碳纤维、植物纤维、热粘合纤维和炭黑为原料，经疏解、打浆和配浆后用湿法造纸工艺抄纸，然后经防水涂料涂布处理制成。本发明专利技术的产品使用方便，避免了高温炭化和石墨化，从根本上避免了重复耗能，无需预处理就能直接作为制备燃料电池电极的基材。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化工领域，具体涉及。
技术介绍
目前，气体扩散层基底材料主要有碳纤维纸，碳纤维编织布、无纺布及炭黑纸等，广泛采用的是高性能碳纸。碳纸通常是由碳纤维加适量胶粘剂抄造成纸，再浸溃可炭化树月旨、热压固化定型、高温炭化处理制成。目前日本Toray公司申请的碳纸专利较多，且最近几年仍在不断改进完善。US2005100498为日本MITSUBISHI RAYON公司于2003年申请的美国专利，2002年申请的日本专利JP2003323897介绍了一种具有高电导性和柔韧性的电极材料和碳纸材料，碳纸包括碳纤维和酸基团取代水溶性苯胺导体聚合物，聚合物还代有硫或梭基团。在以上制备方法主要是采用湿法造纸成型法制造碳纸，此种方法虽然工艺技术成熟，由于均需通过浸溃树脂对碳纤维进行粘合，炭化赋予碳纸较好的强度，故制备碳纸的后处理工序较较多，其不足之处可以归纳为:生产工艺复杂，繁琐，不宜操作。树脂浸溃的均匀性问题会影响到成品碳纸的均匀性。生产工艺属于高耗能工艺，而且有些环节属于重复耗能。用此种方法生产碳纸，所用原料为碳纤维，在制造碳纤维时就需要高温炭化，在制造碳纸时也需要高温炭化，这就属于二次能耗。 因此，在开发一种产品质量易于控制，工艺简单，节能环保的碳纸制造方法成为目前急需解决的一个关键问题。
技术实现思路
本专利技术目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池专用高性能碳纸。 本专利技术的另一个目的是提供，该制备方法工艺流程简单、易于控制产品质量，生产过程环保。 本专利技术是通过如下技术方案来实现的: —种燃料电池专用高性能碳纸的制备方法，该方法包括以下工艺步骤: A.准备短切碳纤维，经偶联改性处理； B.取65?75重量份经偶联改性处理的短切碳纤维放入带搅拌器的分散桶中，力口入适量水，使短切碳纤维在水中质量分数为0.5?1.0%，加入适量分散剂并搅拌疏解至碳纤维均匀分散于水相中，形成碳纤维浆料； C.取10?15重量份植物纤维放入已贮有适量水的打浆机内，使植物纤维在水中的质量分数为I?2 %，先疏解10?20min，再下轻刀打浆30?60min，待纤维完全分散，测试浆料打浆度为35?45° SR时停止打浆，获得植物纤维浆料； D.将步骤B获得的碳纤维浆料和步骤C获得植物纤维浆料与10?15重量份的热粘合纤维放入带搅拌器的分散桶中，加入适量水，使短切、植物纤维和热粘合纤维在水中总质量分数为1.0?1.5%，加入适量分散剂并搅拌疏解至短切碳纤维、植物纤维和热粘合纤维均匀分散于水相中，形成纤维浆料，然后再加入O?10重量份炭黑颗粒，搅拌浆料，加水至原料总质量分数为0.5?1.0%，加适量分散剂搅拌，即为抄纸的混合浆料； E.将步骤D中所述混合浆料经湿法成型设备和造纸工艺抄造成单位面积重量40?120g/m2的碳纸原纸； F.将步骤E所得碳纸原纸经烘缸干燥，再进行热压处理，所得碳纸原纸经防水涂料涂布处理，制备表面疏水的微孔层，烘干后即得燃料电池专用高性能碳纸。 作为优选，步骤B和C中所加分散剂为阳离子聚丙烯酰胺或聚氧化乙烯，分散剂加入量以控制浆料水相粘度为60?70s为准。 作为优选，所述步骤F中的防水涂料的基本成分为疏水性树脂和炭黑，疏水性树脂和炭黑的质量比7: 3，所述疏水性树脂为聚四氟乙烯、石油树醋或环氧树脂中的一种或几种的组合，所述炭黑粒径为300-500目。 作为优选，步骤F中所述微孔层的加载量为2?3g m2。 本专利技术同现有技术相比具有如下的有益效果: (I)采用了湿法成形、热压、涂布相结合的生产工艺，具有工艺流程简单、易于控制产品质量，生产过程环保等特点，并且所生产可以精确各原料的物料比，有利于控制产品品质； (2)多种原料进行功能复配，使产品在导电性、物理强度和孔径均匀分布等各项指标得到有效的控制； (3)完全采用湿法成形、干燥和后加工涂布等成熟的造纸工艺制备碳纸，避免了高温炭化和石墨化，从根本上避免了重复耗能； (4)本专利技术的产品使用更方便，无需预处理就能直接作为制备燃料电池电极的基材。 【具体实施方式】 实施例1: 燃料电池专用高性能碳纸的制备方法如下: A.准备聚丙烯氰基碳纤维，经偶联改性处理； B.将65份经偶联改性处理的聚丙烯氰基碳纤维，放入带搅拌器的分散桶中，加水和阳离子聚丙烯酰胺分散剂，其中聚丙烯氰基碳纤维质量分数为0.5%，充分搅拌、疏解至聚丙烯氰基碳纤维完全分散为单根纤维，形成聚丙烯氰基碳纤维浆料，该浆料的水相粘度为 60S ； C.取15份针叶木纤维放入已贮有适量水的打浆机内，使针叶木纤维在水中的质量分数为I %，先疏解lOmin，再下轻刀打浆30min，待针叶木纤维完全分散，测试浆料打浆度为35° SR时停止打浆，获得针叶木纤维浆料； D.将步骤B和C的浆料与10份聚乙烯纤维、5份芳纶纤维放入带搅拌器的分散桶中，加水和聚氧化乙烯分散剂，使得聚丙烯氰基碳纤维、针叶木纤维、聚乙烯纤维和芳纶纤维的总质量分数为1.5%，充分搅拌至均匀分散形成纤维浆料，该纤维浆料的水相粘度为70S，然后再加入5份炭黑，搅拌浆料，加水至原料总质量分数为0.5 %，加适量分散剂搅拌至水相粘度为70S，即为抄纸的混合浆料； E.将所述混合浆料稀释至0.5%的质量分数，经湿法成型设备抄造成单位面积重量为40g/m2的原纸； F.将步骤E所得原纸经烘缸干燥至92%的干度，再进行热压处理，然后经防水涂料涂布处理，制备表面疏水的微孔层，烘干即得燃料电池专用高性能碳纸，本实施例中防水涂料的基本成分为疏水性树脂(PETE和环氧树脂质量比2: I复配)和炭黑(粒径为300目)，二者的质量比为7: 3，该防水涂料的固含量5%，经在线涂布设备，涂覆于原纸表面，制备表面疏水微孔层，所述微孔层的加载量为3g/m2，干燥后即得燃料电池专用高性能碳纸。 本实例中制得的碳纸性能指标如下:单位面积重量为40g/m2，电阻率为 0.050 Ω.cm，拉伸强度70N/cm，厚度为0.10毫米，孔隙率为80%，密度为0.40g/cm3。 实施例2: 燃料电池专用高性能碳纸的制备方法如下: A.准备50份聚丙烯氰基碳纤维和20份浙青基碳纤维，经偶联改性处理； B.将经偶联改性处理后的聚丙烯氰基碳纤维和浙青基碳纤维，放入带搅拌器的分散桶中，加水和聚氧化乙烯分散剂，其中聚丙烯氰基碳纤维和浙青基碳纤维的总质量分数为1.0充分搅拌、疏解至完全分散为单根纤维,形成碳纤维衆料,该衆料的水相粘度为70S ； C.取15份针叶木纤维放入已贮有适量水的打浆机内，使针叶木纤维在水中的质量分数为2%，先疏解20min，再下轻刀打浆60min，待针叶木纤维完全分散，测试浆料打浆度为45° SR时停止打浆，获得针叶木纤维浆料； D.将步骤B和C的浆料与5份聚乙烯纤维、5份芳纶纤维放入带搅拌器的分散桶中，加水和聚氧化乙烯分散剂，使得针叶木纤维、聚乙烯纤维和芳纶纤维的总质量分数为 1.0 %，充分搅拌至均匀分散形成纤维浆料，该纤维浆料的水相粘度为60S，然后再加入5份炭黑，搅拌浆料，加水至原料总质量分数为0.5 %，加适量分散剂搅拌至水相粘度为60S，即为抄纸的混本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池专用高性能碳纸的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括下列步骤：A.准备短切碳纤维，经偶联改性处理；B.将所述短切碳纤维，经高剪切分散机处理，并加入适量分散剂，使得所述短切碳纤维均匀分散于水相中，形成碳纤维浆料；C.将植物纤维放入已贮有适量水的打浆机内，先疏解一段时间，再下轻刀打浆，待植物纤维完全分散，测试浆料打浆度为35～45°SR时停止打浆，获得植物纤维浆料；D.将步骤B获得的碳纤维浆料和步骤C获得植物纤维浆料与热粘合纤维混合均匀，再加入炭黑颗粒，加入分散剂搅拌均匀，获得混合浆料；E.将步骤D中所述混合浆料利用湿法成型造纸工艺制得碳纸原纸；F.将步骤E所得碳纸原纸经干燥和热压处理再经防水涂料均匀涂覆处理，制备表面疏水的微孔层，烘干后即得燃料电池气体扩散层专用高性能碳纸。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池专用高性能碳纸的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括下列步骤: A.准备短切碳纤维，经偶联改性处理； B.将所述短切碳纤维，经高剪切分散机处理，并加入适量分散剂，使得所述短切碳纤维均匀分散于水相中，形成碳纤维浆料； C.将植物纤维放入已贮有适量水的打浆机内，先疏解一段时间，再下轻刀打浆，待植物纤维完全分散，测试浆料打浆度为35?45° ...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：陈嗳，
类型：发明
国别省市：山东;37