一种干法中间相沥青基碳纸的制造方法技术

本发明专利技术提供了一种干法中间相沥青基碳纸的制造方法，包括原料沥青的熔融搅拌、纺丝形成连续的长中间相沥青纤维丝、并通过气流辅助牵伸、辊压、预氧化、碳化形成最终的碳纸，本发明专利技术是一种低成本，完全不需要依赖任何液体，环境友好，品质控制稳定，由连续长纤维构成的碳纸生产方式。本发明专利技术通过设置辅助气流对离模后的连续纤维进行牵伸，形成无序的中间相沥青纤维铺层铺设在网带上，能够均匀的形成三维交联结构，以使在后续的辊压、预氧化热处理后仍然能够保持三维交联的中间相沥青纤维铺层，再经过碳化后形成碳纸整体质地更加均匀，品质稳定，且形成的碳纸能够具有更好的抗张强度，导热性以及导电性。热性以及导电性。

【技术实现步骤摘要】
一种干法中间相沥青基碳纸的制造方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池气体扩散层
，尤指一种干法中间相沥青基碳纸的制造方法。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种非燃烧过程的电化学能转换装置，一般是将氢气甲醇等燃料和氧气等氧化剂通过氧化还原反应，将化学能连续不断地转换为电能，是一种不需要经过卡诺循环的电化学发电装置。因此燃料电池的效率可以达到90％以上，远远超过普通内燃机。
[0003]燃料电池使用的燃料不是化石燃料等不可再生资源，而是氢气、甲醇等的可再生能源。使得人类的能源获取不在受制于地质条件。当燃料电池以纯氢气为燃料时，其化学反应产物仅为水，从根本上消除了CO、NOx、SOx以及粉尘等大气污染物的排放。
[0004]燃料电池兼具电池和热机的特点，具有能量转化效率高、无环境污染物排放、可低温快速启动、振动和噪声等级低等特点。在能量转换过程中，几乎不产生污染环境的含氮和硫氧化物，燃料电池还被认为是一种环境友好的能量转换装置。由于具有这些优异性，燃料电池技术被认为是21世纪新型环保高效的发电技术之一。
[0005]质子交膜燃料电池电极由多孔的扩散层、催化剂层和质子交换膜组成。燃料气体经过阳极扩散层分布、润湿后到达催化剂层，在催化剂的作用下发生电极反应。气体扩散层在燃料电池中不仅起到支撑催化剂层、收集电流、稳定电极结构的作用，还有传导、分布气体和排出反应产物水的重要作用。
[0006]碳纤维纸(碳纸)是一种广泛应用于质子交换膜燃料电池电极中的气体扩散层材料，它不仅具有均匀的多孔质薄层结构，而且由于主要原料使用石墨化碳纤维，使得它具备优异的导电性、化学稳定性和热稳定性。高性能的气体扩散层材料有利于改善电极的综合性能。
[0007]当前的燃料电池气体扩散层采用PAN纤维，然后碳化、石墨化。市场采购或自制的成品PAN基碳纤维，通过机械切短后，借用传统造纸工艺加工而成。难以低成本、大规模、高稳定性，高导电性碳纸的的生产，而且目前采用的湿法制备的工艺需要使用水、各种特性不同的有机溶液、溶剂，会带来使用和回收环节中的环境污染，且抄纸不均匀，同时，为提高碳纸抗张强度而引入的粘接剂又会导致碳纸导电性能和导热性能的下降。
[0008]在使用PAN基碳纤维为原料生产碳纸的方法中，为获得表面性能稳定的短切碳纤维，还必须干净彻底的清理干净PAN基碳纤维生产时涂敷的各种表面功能剂，该工艺也需要消耗水，有机溶液等。
[0009]为此本申请文件提出一种干法中间相沥青基碳纸的制造方法。

技术实现思路

[0010]本专利技术提供一种干法中间相沥青基碳纸的制造方法，将解决现有的采用湿法对短切纤维制备工艺产生污染且抄纸不均匀的技术问题。
[0011]本专利技术提供的技术方案如下：
[0012]一种干法中间相沥青基碳纸的制造方法，包括如下步骤：
[0013]S10、将中间相沥青熔融并搅拌均匀；
[0014]S20、通过纺丝机将熔融的中间相沥青纺丝形成连续的长中间相沥青纤维丝；
[0015]S30、通过辅助气流使离模后连续的长中间相沥青纤维丝沿气流方向牵伸缠绕并铺设在可调节温度且行进的网带上，形成连续的相互搭接的中间相沥青纤维三维铺层；
[0016]S40、通过可调温的压辊对平铺后的中间相沥青纤维进行辊压形成成型的充分搭接的中间相沥青纤维三维铺层；
[0017]S50、将中间相沥青纤维铺层在保护气氛下进行预氧化热处理，得到均匀交联搭接的三维中间相沥青相沥青纤维铺层；
[0018]S60、对热处理预氧化后的中间相沥青铺层在真空炉内隔氧碳化形成碳纸。
[0019]中间相沥青通过纺丝机，形成连续的长中间相沥青纤维丝，通过在纺丝机模口与网带之间设置辅助气流，在连续长中间相沥青纤维丝落入到网带之前，在气流的作用下，长中间相沥青纤维丝进一步被拉伸，且拉伸后的中间相沥青纤维丝相互缠绕在一起；同时辅助气流使缠绕后的中间相沥青纤维丝无规则的铺设在网带上，形成蓬松的连续的中间相沥青纤维三维铺层；而对于中间相沥青而言，中间相沥青由于自身特性，本身是不可纺的，无法通过外界设备拉伸至合适的直径，但是本专利技术通过纺丝机将熔融的中间相沥青熔融纺丝，形成连续的中间相沥青纤维丝后，再通过辅助气流对中间相沥青纤维丝进一步牵伸，在牵伸到铺层的过程中，中间相沥青纤维丝始终是连续的长中间相沥青纤维丝；相较于短切的中间相沥青纤维丝而言；短切的纤维丝具有如下缺点
[0020]1、短切的纤维原料来源多，原料表面的吸附剂品质不稳定；同时，短切纤维在成纸的过程中，需要引入粘接剂及其他液体的参与，如悬浊液、浆料都需要液体的参与，导致品质难以控制，同时也会带来污染，降低导电性和导热性、密度分布不均、成本增加等问题；而本专利技术中仅仅是采用了中间相沥青，在制备碳纸的过程中不需要引入水或任何的液体，这使整个碳纸制备的过程中比较环保，不产生污染物；
[0021]2、短切碳纤维表面光滑，性能稳定，难以形成搭接结构，导致碳纸抗张强度降低；降低了碳纸的导电性，由于搭接程度不足，也会导致导热效果差；而本专利技术中的连续长中间相沥青纤维丝在牵伸的过程中缠绕搭接形成三维结构，不仅单根连续长中间相沥青纤维丝之间相互缠绕搭接，纺丝机模口出来的多根纺丝在网带上进行铺层的时候也会相互缠绕搭接，从而使辊压成型后的铺层的抗张强度更好。
[0022]优选地，步骤S30中的所述辅助气流的温度为0
‑
90℃，所述辅助气流分为牵伸气流和紊流；
[0023]所述牵伸气流位于所述纺丝机模口和网带之间，所述牵伸气流作用于离模后的连续中间相沥青纤维丝，使连续的所述中间相沥青纤维丝牵伸缠绕；
[0024]所述紊流临近所述网带表面设置，所述紊流作用于牵伸后的中间相沥青纤维丝，使所述的中间相沥青纤维丝进一步缠绕无序的铺设在网带上。
[0025]本技术方案中的辅助气流分为平稳牵伸气流段和紊流段，牵伸气流设置在模口和网带之间，不断的吹向连续长中间相沥青纤维丝，使连续长中间相沥青纤维丝不断的牵伸缠绕；而对于紊流而言，能够使下落且连续缠绕的长中间相沥青纤维进一步缠绕，且能够沿
着网带的表面铺设在网带上形成无序的中间相沥青纤维三维铺层。在本技术方案中不限定牵伸气流以及紊流的的具体设置形式，只要牵伸气流能够实现对中间相沥青纤维丝牵伸即可；同样的，对于紊流而言，也不需要对其的具体设置形成进行限定，只需要设置后的紊流能够使中间相沥青纤维丝能够均匀的铺设在网带上即可。
[0026]优选地，在所述步骤S30中，可调节所述网带行进的速度以调整所述中间相沥青纤维铺层的密度和厚度，所述网带行进速度调节范围为1
‑
55m/min；
[0027]所述步骤S30中所述网带的温度调节范围为90
‑
490℃；
[0028]所述步骤S40中，压辊的调节温度范围为140
‑
490℃。
[0029]优选地，所述步骤S30中的辅助气流为连续的气流，由作用于所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种干法中间相沥青基碳纸的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：S10、将中间相沥青熔融并搅拌均匀；S20、通过纺丝机将熔融的中间相沥青纺丝形成连续的长中间相沥青纤维丝；S30、通过辅助气流使离模后连续的长中间相沥青纤维丝沿气流方向牵伸缠绕并铺设在可调节温度且行进的网带上，形成连续的相互搭接的中间相沥青纤维三维铺层；S40、通过可调温的压辊对平铺后的中间相沥青纤维进行辊压形成成型的充分搭接的中间相沥青纤维三维铺层；S50、将中间相沥青纤维铺层在保护气氛下进行预氧化热处理，得到均匀交联搭接的三维中间相沥青相沥青纤维铺层；S60、对热处理预氧化后的中间相沥青铺层在真空炉内隔氧碳化形成碳纸。2.根据权利要求1所述的一种干法中间相沥青基碳纸的制造方法，其特征在于：步骤S30中的所述辅助气流的温度为0
‑
90℃，所述辅助气流分为平稳牵伸气流和紊流态气流；所述牵伸气流位于所述纺丝机模口和网带之间，所述牵伸气流作用于离模后的连续中间相沥青纤维丝，使连续的所述中间相沥青纤维丝牵伸缠绕；所述紊流临近所述网带表面设置，所述紊流作用于牵伸后的中间相沥青纤维丝，使所述的中间相沥青纤维丝进一步缠绕并无序的铺设在网带上。3.根据权利要求1所述的一种干法中间相沥青基碳纸的制造方法，其特征在于：在所述步骤S30中，可调节所述网带行进的速度以调整所述中间相沥青纤维铺层的密度和厚度，所述网带行进速度调节范围为1
‑
55m/min；所述步骤S30中所述网带的温度调节范围为90
‑
490℃；所述步骤S40中，压辊的调节温度范围为140
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490℃。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的一种干法中间相沥青基碳纸的制造方法，其特征在于：所述步骤S30中的辅助气流为连续的气流，由作用于所述中间相沥青纤维丝后的牵伸气流流向所述网带表...

【专利技术属性】
技术研发人员：居峥，
申请(专利权)人：上海碳束实业有限公司，
类型：发明
国别省市：