【技术实现步骤摘要】
：本专利技术属于燃料电池气体扩散层制备，特别涉及一种生物基质碳基底材料及其制备方法。
技术介绍
0、
技术介绍
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1、氢燃料电池因其具有高能量转换效率、清洁无污染等优势被认为是21世纪首选的发电技术，气体扩散层(gdl)作为其中关键部件，具有承载传导电子，传输气体及调节水热管理及重要支撑的作用。gdl按基底材质可分为碳纤维纸，碳纤维编织布，碳纤维无纺材料及碳布，其中碳纤维纸因具有柔韧性好、高孔隙率、高导电性等特点，并且在酸性环境中稳定，而被广泛应用于质子交换膜燃料电池中。
2、目前碳纤维纸通常采用湿法抄造工艺，即将粘结剂溶液与短切碳纤维混合，利用造纸技术在抄纸机上成型，干燥后使短碳纤维互相粘结，然后用酚醛树脂等可碳化物质的稀溶液进行浸渍处理，经过热压固化、碳化、石墨化等工艺得到碳纤维纸。该法制备的碳纤维纸由于采用湿法无纺布工艺，表面树脂分布不均匀，经碳化石墨化后，存在孔隙率低、厚度较厚、导电性差等缺点，从而影响碳纤维纸的后续使用。
3、除此之外，如sgl us2003/0194557 a1提到的电化学电池的电极基体通过造纸技术制备碳纤维毡，用可碳化粘合剂浸渍干燥的纤维毡以获得预浸料胚，最后碳化或者石墨化获得气体扩散层，这种工艺制备气体扩散层孔隙率低、柔韧性差，同时难以控制分批处理步骤，导致生产加工的成本很高。
4、kr100763548b1提及采用静电纺丝技术将聚丙烯腈、苯酚和沥青中的一种配成纺丝液来制备气体扩散层，其原料聚丙烯腈是一种传统的前驱体，成本非常高，同时由于纤维分散性、碳
5、因此，亟需提供一种制备方式简单、过程可控、可大规模应用的碳纤维纸的生产方法。
6、木质素是自然界中含天然芳香族高分子较为丰富的原料，其作为制浆造纸工业的主要副产物，产量巨大、成本低廉，但是至今并未得到较好的有效应用；同时木质素还含有丰富的碳元素和具有较高的碳化率，是制备碳纤维的理想原料。木质素基碳纤维与常规前驱体相比，具有很多优势，例如：独立于化石燃料产物，对环境友好；生产成本比传统碳纤维低30～40％、二氧化碳排放低20～25％；低能耗、高碳化率(＞60％)。但是木质素是一种三维网状的无定型聚合物，其溶解后形成的溶液粘度低，可纺性差，在定温下稍显脆性，在溶液中不成膜；同时其具有玻璃态转化性质，在玻璃化温度以上，分子链发生运动，木质素软化变黏，导致纤维交联融合，损失透气率，因此并未能实现商业化。
7、针对上述问题，本申请对木质素进行一定的改进后将其作为碳基底材料的制备原料，可实现绿色低成本连续化的生产。
8、公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
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技术实现思路
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1、本专利技术的目的在于提供一种生物基质碳基底材料及其制备方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供了一种生物基质碳基底材料，由以下重量百分比的原料组成：醋酸纤维素1-20％、木质素1-20％、纺丝助剂0.5-15％、导电剂0.01-15％、溶剂60-90％。
3、进一步的，作为优选，所述木质素由溶剂木质素、碱木质素、硫酸盐木质素中的一种或一种以上的混合物组成。
4、进一步的，作为优选，所述纺丝助剂由聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚对苯二甲酸乙二酯中的一种或一种以上的混合物组成。
5、进一步的，作为优选，所述导电剂由石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、五氧化二钒、导电炭黑、膨胀石墨、导电石墨、导电高分子中的一种或一种以上的混合物组成。
6、进一步的，作为优选，所述溶剂由丙酮、n,n二甲基甲酰胺、冰醋酸、n,n二甲基乙酰胺中的一种或一种以上的混合物组成。
7、本专利技术还提供一种制备生物基质碳基底材料的方法，包括以下步骤：
8、步骤一：往木质素中加入磷酸对其进行磷化处理；
9、步骤二：将醋酸纤维素和经过磷化处理的木质素与纺丝助剂、导电剂共同分散于溶剂内得到纺丝原液；
10、步骤三：将纺丝原液经过纺丝制成前驱体纤维膜；
11、步骤四：对前驱体纤维膜进行预氧化处理，得到预氧化膜；
12、步骤五：对预氧化膜进行碳化处理，得到生物基质碳纸。
13、进一步的，作为优选，所述步骤一磷化处理的温度控制在20-90℃、处理时间为0.3-24h。
14、进一步的，作为优选，磷化处理时往木质素中加入含量为3-50％的磷酸；
15、进一步的，作为更优选的，磷化处理时往木质素中加入含量为3-10％的磷酸，磷化处理的温度控制在30-60℃、处理时间为0.3-3h。
16、进一步的，作为优选，步骤二分散温度控制在50-80℃，分散时间为3-48h，分散后经过脱泡处理得到纺丝原液。
17、进一步的，作为优选，所述步骤三采用静电纺丝法、纺粘法或者熔喷法将纺丝原液经过纺丝制成前驱体纤维膜。
18、进一步的，作为优选，所述步骤四预氧化处理时由室温开始，终点温度控制在200-300℃，分成1-10个控温区，每个控温区保温0.1-300min。
19、预氧化处理的作用是让前驱体纤维膜更稳定，通过引入氧元素可以让纤维形成杂环，为后续碳化做铺垫。
20、采用多温区控温来进行预氧化，可以避免环化反应和氧化反应过度剧烈，减少在碳化过程中由于纤维内过多结构缺陷造成脱碳严重，减少纤维断裂或者松弛的现象，可以有效降低生物基质碳纸的结构缺陷，最终提高碳纸材料的机械强度。
21、同时，多温区梯度控温可以缩短预氧化处理的时间，预氧化过程能够节省更多的能源消耗。
22、进一步的，作为优选，所述步骤五碳化处理时终点温度控制在900-1700℃，分成1-10个控温区，每个控温区保温0.1-300min。
23、在预氧化处理-碳化处理的工序中，纤维在不断的反应当中，大量的基团会被破坏，不断的芳构化、不断地交联反应，不同的温度区间反应的类型也是不一样的，温度、时间、升温速率会对最后的碳纤维膜的内部结构产生影响，最后直接影响碳纤维膜的性能，包括导电性能、机械强度、柔韧性等；本申请中的梯度控温是和原料配方密切关联的，所获得的碳纸的性能更优越；且短时分区控温可以真正提高碳纤维制备的生产效率，实现一步预氧化-碳化制备工艺，有效降低能耗和成本控制。
24、与现有技术相比，本专利技术的一个方面具有如下有益效果：
25、(1)本专利技术以生物基质木质素为原料，可以实现绿色低成本连续化的碳基底材料的制备；
26、(2)本专利技术对木质素预先进行磷化处理，可以降低木质素分子间氢键的作用，增加木质素与本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种生物基质碳基底材料，其特征在于，由以下重量百分比的原料组成：醋酸纤维素1-20％、木质素1-20％、纺丝助剂0.5-15％、导电剂0.01-15％、溶剂60-90％。
2.根据权利要求1所述的一种生物基质碳基底材料，其特征在于，所述木质素由溶剂木质素、碱木质素、硫酸盐木质素中的一种或一种以上的混合物组成。
3.根据权利要求1或2所述的一种生物基质碳基底材料，其特征在于，所述纺丝助剂由聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚对苯二甲酸乙二酯中的一种或一种以上的混合物组成。
4.根据权利要求1或2所述的一种生物基质碳基底材料，其特征在于，所述导电剂由石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、五氧化二钒、导电炭黑、膨胀石墨、导电石墨、导电高分子中的一种或一种以上的混合物组成。
5.根据权利要求1或2所述的一种生物基质碳基底材料，其特征在于，所述溶剂由丙酮、N,N二甲基甲酰胺、冰醋酸、N,N二甲基乙酰胺中的一种或一种以上的混合物组成。
6.一种制备权利要求1-5所述的生物基质碳基底材料的方法，其特征在于，包括以下步
7.根据权利要求6所述的一种制备生物基质碳基底材料的方法，其特征在于，所述步骤一磷化处理的温度控制在20-90℃、处理时间为0.3-24h。
8.根据权利要求6所述的一种制备生物基质碳基底材料的方法，其特征在于，所述步骤三采用静电纺丝法、纺粘法或者熔喷法将纺丝原液经过纺丝制成前驱体纤维膜。
9.根据权利要求6所述的一种制备生物基质碳基底材料的方法，其特征在于，所述步骤四预氧化处理时由室温开始，终点温度控制在200-300℃，分成1-10个控温区，每个控温区保温0.1-300min。
10.根据权利要求6所述的一种制备生物基质碳基底材料的方法，其特征在于，所述步骤五碳化处理时终点温度控制在900-1700℃，分成1-10个控温区，每个控温区保温0.1-300min。
...【技术特征摘要】
1.一种生物基质碳基底材料，其特征在于，由以下重量百分比的原料组成：醋酸纤维素1-20％、木质素1-20％、纺丝助剂0.5-15％、导电剂0.01-15％、溶剂60-90％。
2.根据权利要求1所述的一种生物基质碳基底材料，其特征在于，所述木质素由溶剂木质素、碱木质素、硫酸盐木质素中的一种或一种以上的混合物组成。
3.根据权利要求1或2所述的一种生物基质碳基底材料，其特征在于，所述纺丝助剂由聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚对苯二甲酸乙二酯中的一种或一种以上的混合物组成。
4.根据权利要求1或2所述的一种生物基质碳基底材料，其特征在于，所述导电剂由石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、五氧化二钒、导电炭黑、膨胀石墨、导电石墨、导电高分子中的一种或一种以上的混合物组成。
5.根据权利要求1或2所述的一种生物基质碳基底材料，其特征在于，所述溶剂由丙酮、n,n二甲基甲酰胺、冰醋酸、n,n二甲...
【专利技术属性】
技术研发人员：盛江峰，石钧杰，姚骏，谢波，严兵，周妍，王秋泽，
申请(专利权)人：江苏集萃碳纤维及复合材料应用技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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