【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳纤维材料，具体涉及一种多结构碳纸的制备方法。
技术介绍
1、气体扩散层(gdl)是燃料电池中非常重要的一个部件，起着支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应水的作用。气体扩散层主要由基体层和微孔层构成，基体层就是生碳纸，通常由碳纤维或碳布等多孔材料制备而成，厚度为150～400μm，微孔层一般由炭黑粉构成，厚度通常为30μm，起到调节孔隙率和孔隙大小，平整基体层，降低接触电阻等作用。气体扩散层应具有低的电阻率和合适的孔隙率，过高的孔隙率容易引起“水淹”，过低的孔隙率又容易导致气体传导不畅。
2、目前碳纸坯体的制备有湿法和干法工艺。应用比较广泛的湿法造纸技术是将粘结剂的溶液与短切碳纤维混合，利用抄纸技术在造纸器上成型，干燥后使短切纤维相互粘结，然后用酚醛树脂等稀溶液进行浸渍，经过固化、碳化工艺后得到生碳纸(碳纤维基底纸材料)。目前的大部分采用湿法成型的碳纸，纤维长度控制在5～20mm，然后通过微孔层去调节孔隙率和孔隙大小。由于微孔层厚度远小于基体层，调节空间有限，难以得到理想的效果。
3、因此，如果能开发一种新的生碳纸(即基体层)，其拥有阶梯性的孔隙率和孔隙大小，能够更自如的调节燃料电池反应气体和反应水的通过速度，对于提高燃料电池的使用性能具有重要意义。
技术实现思路
1、针对当前大部分采用湿法成型的碳纸微孔层厚度远小于基体层，调节空间有限，难以得到理想的效果这一问题，本专利技术提供了一种多结构碳纸的制备方法，该方法通过采用三次成型的方法制作碳
2、本专利技术的一种多结构碳纸的制备方法，包括以下步骤：
3、s1：将12k碳纤维剪裁成10～20mm长的小段，记作纤维a；将6k碳纤维剪裁成5～10mm长的小段，记作纤维b；将中间相沥青基碳纤维剪裁成2～4mm长的小段，记作纤维c；
4、s2：将纤维a、b、c分别放于陶瓷坩埚内，放入马弗炉进行热处理；
5、s3：将热处理过的纤维a、b、c分别放入容器，加入水，再加入羧甲基纤维素钠，聚乙烯吡咯烷酮，使用纤维解离器解离0.5～4h，转速为500～3000转/min，解离完成后加入磷酸三丁酯，继续搅拌60～180s，得到纤维a、b、c溶液；
6、s4：将纤维a溶液倒入抄纸机抄纸，烘干，得到纤维碳纸a；将抄好的纤维碳纸a放入抄纸机滤网上，倒入纤维b溶液，继续抄纸，烘干，得到纤维碳纸a+b；将抄好的纤维碳纸a+b放入抄纸机滤网上，倒入纤维c溶液，继续抄纸，烘干，得到纤维碳纸a+b+c；
7、s5：将纤维碳纸a+b+c浸泡在树脂溶液中，浸泡时间60s，然后取出置于四氟乙烯膜上，上层再放一层四氟乙烯膜，置于平整金属板上，上层加压烘干；
8、s6：将烘干好的碳纸进行碳化，碳化温度自室温升温2h至280℃，保温1h，再自280℃升温2h至500℃，保温1h，再自500℃升温2h至950℃，保温0.5h，最后自然冷却至室温。
9、优选地，步骤s1中，12k碳纤维用量为0.5～1g，6k碳纤维用量为0.3～0.6g，中间相沥青基碳纤维用量为0.3～0.6g。
10、优选地，步骤s1中，可选用1k碳纤维或3k碳纤维代替6k碳纤维。
11、优选地，步骤s2中，热处理温度为280℃，热处理时间为0.5～2h。
12、优选地，步骤s3中，水用量为500ml，羧甲基纤维素钠用量为3～10g，聚乙烯吡咯烷酮用量为0.5～4，磷酸三丁酯用量为2～10ml。
13、优选地，步骤s4中，烘干温度为105℃，烘干时间为10min，烘干真空度为0.01～0.02mpa。
14、优选地，步骤s5中，树脂溶液采用75％的酒精溶液和55％的酚醛树脂按照体积比5:1～40:1的比例配制而成。
15、优选地，步骤s5中，加压烘干的压强为1～5mpa，烘干温度为105～170℃，烘干时间为1～6h。
16、本专利技术的多结构碳纸的制备方法所涉及的主要方法原理如下：
17、本专利技术采用三次成型的方法制作碳纸坯体：用强度高的12k的较长碳纤维作为基体骨架，提高了碳纸的强度；用6k或3k再或1k级别稍短一些的碳纤维的作为次级填充料，然后用更短的低电阻的中间相沥青基碳纤维作为第二级填充，提高了碳纸的导电性。
18、本专利技术的多结构碳纸的制备方法具有如下有益效果：
19、本专利技术的多结构碳纸的制备方法，通过采用三次成型的方法制作碳纸坯体，降低了每次成型时碳纤维浆料的浓度，使更长碳纤维能够分散均匀，因碳纤维越短，断点越多，电阻越大，也有益于其导电性的提升；采用低电阻的中间相沥青基纤维能够进一步降低电阻；同时，不同长度的纤维能够形成不同大小的孔隙和孔隙率，从而形成孔隙阶梯，有助于控制气体扩散和排出反应水使得碳纸的强度和导电性能都有提升，孔隙率可以调节，适宜在气体扩散层中作为基体层应用。
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1.一种多结构碳纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的多结构碳纸的制备方法，其特征在于，步骤S1中，12K碳纤维用量为0.5～1g，6K碳纤维用量为0.3～0.6g，中间相沥青基碳纤维用量为0.3～0.6g。
3.根据权利要求1或2所述的多结构碳纸的制备方法，其特征在于，步骤S1中，可选用1K碳纤维或3K碳纤维代替6K碳纤维。
4.根据权利要求1所述的多结构碳纸的制备方法，其特征在于，步骤S2中，热处理温度为280℃，热处理时间为0.5～2h。
5.根据权利要求6所述的多结构碳纸的制备方法，其特征在于，步骤S3中，水用量为500ml，羧甲基纤维素钠用量为3～10g，聚乙烯吡咯烷酮用量为0.5～4，磷酸三丁酯用量为2～10ml。
6.根据权利要求1所述的多结构碳纸的制备方法，其特征在于，步骤S4中，烘干温度为105℃，烘干时间为10min，烘干真空度为0.01～0.02Mpa。
7.根据权利要求3所述的多结构碳纸的制备方法，其特征在于，步骤S5中，树脂溶液采用75％的酒精溶液和55％
8.根据权利要求1所述的多结构碳纸的制备方法，其特征在于，步骤S5中，加压烘干的压强为1～5MPa，烘干温度为105～170℃，烘干时间为1～6h。
...【技术特征摘要】
1.一种多结构碳纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的多结构碳纸的制备方法，其特征在于，步骤s1中，12k碳纤维用量为0.5～1g，6k碳纤维用量为0.3～0.6g，中间相沥青基碳纤维用量为0.3～0.6g。
3.根据权利要求1或2所述的多结构碳纸的制备方法，其特征在于，步骤s1中，可选用1k碳纤维或3k碳纤维代替6k碳纤维。
4.根据权利要求1所述的多结构碳纸的制备方法，其特征在于，步骤s2中，热处理温度为280℃，热处理时间为0.5～2h。
5.根据权利要求6所述的多结构碳纸的制备方法，其特征在于，步骤s3中，水用量为...
【专利技术属性】
技术研发人员：蒋晨飞，赵会，
申请(专利权)人：因达孚先进材料苏州股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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