一种碳纤维纸及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及膜电极技术领域，提供了一种碳纤维纸的制备方法，制备得到的碳纤维纸的碳含量≥95％，孔隙率为75～90％，抗拉强度20～60MPa，面电阻4～8mΩ

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维纸及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于膜电极
，具体涉及一种碳纤维纸及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有高功率密度、高能量转换率、低温启动、无污染、体积轻巧等特点，可用作交通工具的动力系统、可移动小型供电系统和电子设备的不间断电源与分散型电站，也可用作军事、医疗、娱乐场所等的应急电源等。
[0003]构成PEMFC的关键部件为膜电极三合一组件MEA(Membrane Electrode Assembly)，包括：质子交换膜、催化剂层、气体扩散层。气体扩散层起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道。理想的气体扩散层应当具有良好的水、气传质能力、较低的电阻和良好的机械性能。高性能碳纤维纸作为PEMFC气体扩散层的基底层已经得到了广泛的应用。
[0004]制备碳纤维纸的常规方法是由短切碳纤维分散粘结制备多孔的碳纤维原纸，再通过浸渍、碳化和石墨化工艺在纤维表面形成相互连接的碳基体，得到最终的碳纤维纸。在碳纤维的成纸过程中面临一些难题需要解决，主要集中在短切碳纤维的分散和成纸强度两个方面。较短的短切纤维利于分散均匀，但是成纸强度差，而较长的纤维正好相反。此外现有碳纤维纸的技术方案多是采用湿法造纸工艺，原料基本采用特定长度范围的短切碳纤维，会造成厚度不均、纸页匀度差，且不利于水、气的有效传质以及后续微孔层的涂覆，如中国专利CN107408706B。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的碳纤维纸孔隙率低、匀度差、导电性和抗拉强度差的问题，提供一种碳纤维纸及其制备方法和应用，该方法制备得到的碳纤维纸具有较高的孔隙率、较好的导电性和抗拉强度的优势。
[0006]本专利技术的目的在于提供一种碳纤维纸，包含至少一张第一碳纤维纸层和至少一张不同于第一碳纤维纸层的第二碳纤维纸层，其中，所述的第一碳纤维纸层中碳纤维和所述的第二碳纤维纸层中碳纤维具有不同的长度。
[0007]上述碳纤维纸中，所述的第一碳纤维纸层中碳纤维的长度为1～9mm，优选为3～7mm；
[0008]所述的第二碳纤维纸前驱体中碳纤维的长度为10～18mm，优选为10～15mm。
[0009]上述碳纤维纸的厚度为100～400μm，优选为140～380μm，更优选为200～350μm；碳纤维纸的层数为2～4张，优选为2～3张。
[0010]本专利技术的目的之二在于提供一种上述碳纤维纸的制备方法，包括将含有不同长度的短切碳纤维经过湿法造纸得到不同的碳纤维纸前驱体，将得到的不同碳纤维前驱体分别浸渍酚醛树脂溶液，然后经叠加粘合后得到所述的碳纤维纸。
[0011]具体地，所述的制备方法具体包括以下步骤：
[0012]步骤(1)将含有第一短切碳纤维、分散剂、粘合剂和溶剂S1在内的混合物经过疏解分散、抄纸干燥得到第一碳纤维纸前驱体；
[0013]步骤(2)将含有第二短切碳纤维、分散剂、粘合剂和溶剂S1在内的混合物经过疏解分散、抄纸干燥得到第二碳纤维纸前驱体；
[0014]步骤(3)采用酚醛树脂溶液对步骤(1)得到的第一碳纤维纸前驱体、步骤(2)得到的第二碳纤维纸前驱体分别进行浸渍，得到浸渍酚醛树脂的第一碳纤维纸前驱体和浸渍酚醛树脂的第二碳纤维纸前驱体；
[0015]步骤(4)将步骤(3)得到的浸渍酚醛树脂的第一碳纤维纸前驱体和浸渍酚醛树脂的第二碳纤维纸前驱体叠加粘合、模压固化、碳化、石墨化后，得到所述的碳纤维纸。
[0016]上述制备方法中，所述的第一短切碳纤维和第二短切碳纤维独立地选自聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维中的至少一种；
[0017]所述步骤(1)中的第一短切碳纤维的长度为1～9mm，优选为3～7mm；步骤(1)中得到的第一碳纤维纸前驱体的厚度为100～360μm，优选为120～320μm；
[0018]所述步骤(2)中的第二短切碳纤维的长度为10～18mm，优选为10～15mm；步骤(2)中得到的第二碳纤维纸前驱体的厚度为120～400μm，优选为150～350μm；
[0019]所述的第一短切碳纤维的拉伸模量为200～400GPa，拉伸强度为3.5～6.5GPa，电阻率为0.001～0.01Ω
·
cm，优选地，所述的第一短切碳纤维的拉伸模量为230～350GPa，拉伸强度为4.0～6.0GPa，电阻率为0.001～0.002Ω
·
cm；
[0020]所述的第二短切碳纤维的拉伸模量为200～400GPa，拉伸强度为3.5～6.5GPa，电阻率为0.001～0.01Ω
·
cm，优选地，所述的第二短切碳纤维的拉伸模量为230～350GPa，拉伸强度为4.0～6.0GPa，电阻率为0.001～0.002Ω
·
cm。
[0021]上述制备方法中，所述步骤(1)和步骤(2)中的分散剂可以选择常用的分散剂种类，用于提高所述混合物的均匀性，优选地，步骤(1)和步骤(2)中的分散剂独立地选自聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、纤维素衍生物中的至少一种，所述的纤维素衍生物选自甲基纤维素、羟甲基纤维素钠、羟乙基纤维素中的至少一种；
[0022]所述步骤(1)和步骤(2)中的粘合剂可以选择常用的粘合剂种类，只要能够使得碳纤维纸前驱体固定成型即可，优选地，步骤(1)和步骤(2)中的粘合剂独立地选自聚乙烯醇、酚醛树脂、环氧树脂、沥青、聚四氟乙烯中的至少一种；加入适量的粘合剂有利于碳纤维纸前驱体的成型，进而进一步提高碳纤维纸的抗拉强度；
[0023]所述的步骤(1)和步骤(2)中的溶剂S1没有特别地限定，优选选自水。
[0024]上述制备方法中，所述步骤(1)中，以所述的第一短切碳纤维为100重量份来计，所述的分散剂用量为20～200份，所述的粘合剂用量为20～200份，所述的溶剂用量为100000～1000000份；优选地，以所述的第一短切碳纤维为100重量份来计，所述的分散剂用量为50～150份，所述的粘合剂用量为50～150份，所述的溶剂用量为200000～800000份；
[0025]所述步骤(2)中，以所述的第二短切碳纤维为100重量份来计，所述的分散剂用量为20～200份，所述的粘合剂用量为20～200份，所述的溶剂用量为500000～2000000份；优选地，以所述的第二短切碳纤维为100重量份来计，所述的分散剂用量为50～150份，所述的粘合剂用量为50～150份，所述的溶剂用量为800000～1600000份；
[0026]所述第一短切碳纤维和第二短切碳纤维的用量比为1:0.2～1:1，优选为1:0.4～1:0.8。
[0027]上述制备方法的步骤(1)和步骤(2)中，含有第一短切碳纤维或第二短切碳纤维、分散剂、粘合剂和溶剂S1在内的混合物，对具体的混合方式没有特别本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维纸，包含至少一张第一碳纤维纸层和至少一张不同于第一碳纤维纸层的第二碳纤维纸层，其中，所述的第一碳纤维纸层中碳纤维和所述的第二碳纤维纸层中碳纤维具有不同的长度。2.根据权利要求1所述的碳纤维纸，其特征在于，所述的第一碳纤维纸层中碳纤维的长度为1～9mm，优选为3～7mm；和/或，所述的第二碳纤维纸层中碳纤维的长度为10～18mm，优选为10～15mm。3.根据权利要求1或2所述的碳纤维纸，其特征在于，所述的碳纤维纸的厚度为100～400μm，优选为140～380μm，更优选为200～350μm；和/或，所述的碳纤维纸的层数为2～4张，优选为2～3张。4.一种权利要求1～3之任一项所述的碳纤维纸的制备方法，包括将含有不同长度的短切碳纤维经过湿法造纸得到不同的碳纤维纸前驱体，将得到的不同碳纤维纸前驱体分别浸渍酚醛树脂溶液，然后经叠加粘合后得到所述的碳纤维纸。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的制备方法具体包括以下步骤：步骤(1)将含有第一短切碳纤维、分散剂、粘合剂和溶剂S1在内的混合物经过疏解分散、抄纸干燥得到第一碳纤维纸前驱体；步骤(2)将含有第二短切碳纤维、分散剂、粘合剂和溶剂S1在内的混合物经过疏解分散、抄纸干燥得到第二碳纤维纸前驱体；步骤(3)采用酚醛树脂溶液对步骤(1)得到的第一碳纤维纸前驱体、步骤(2)得到的第二碳纤维纸前驱体分别进行浸渍，得到浸渍酚醛树脂的第一碳纤维纸前驱体和浸渍酚醛树脂的第二碳纤维纸前驱体；步骤(4)将步骤(3)得到的浸渍酚醛树脂的第一碳纤维纸前驱体和浸渍酚醛树脂的第二碳纤维纸前驱体叠加粘合、模压固化、碳化、石墨化后，得到所述的碳纤维纸。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的第一短切碳纤维和第二短切碳纤维独立地选自聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维中的至少一种；和/或，所述的第一短切碳纤维的拉伸模量为200～400GPa，拉伸强度为3.5～6.5GPa，电阻率为0.001～0.01Ω
·
cm，优选地，所述的第一短切碳纤维的拉伸模量为230～350GPa，拉伸强度为4.0～6.0GPa，电阻率为0.001～0.002Ω
·
cm；和/或，所述的第二短切碳纤维的拉伸模量为200～400GPa，拉伸强度为3.5～6.5GPa，电阻率为0.001～0.01Ω
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cm，优选地，所述的第二短切碳纤维的拉伸模量为230～350GPa，拉伸强度为4.0～6.0GPa，电阻率为0.001～0.002Ω
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cm；和/或，所述步骤(1)中的第一短切碳纤维的长度为1～9mm，优选为3～7mm；和/或，所述步骤(1)中得到的第一碳纤维纸前驱体的厚度为100～360μm，优选为120～320μm；和/或，所述步骤(2)中的第二短切碳纤维的长度为10～18mm，优选为10～15mm；和/或，所述步骤(2)中得到的第二碳纤维纸前驱体的厚度为120～400μm，优选为150～350μm。7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)中的分散剂独立地选自聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、纤维素衍生
物中的至少一种；和/或，所述步骤(1)和步骤(2)中的粘合剂独立地选自聚乙烯醇、酚醛树脂、环氧树脂、沥青、聚四氟乙烯中的至少一种；和/或，所述的步骤(1)和步骤(2)中的溶剂S1选自水。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈辉，李磊，沈志刚，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院，
类型：发明
国别省市：