【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳纤维复合纸，涉及一种高透气碳纤维复合纸及其制备方法。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池作为最重要的氢能转化装置之一，可在各种运输、固定和便携式电力应用中清洁和有效地提供电力。它的高功率密度、低重量和低体积的优势，使其成为交通应用中替代传统燃油装置的优选。
2、气体扩散层是质子交换膜燃料电池的重要组件，在燃料电池电堆中起到电子传导、反应气体传输、电堆水热管理的作用。短碳纤维复合纸因其具有高的孔隙率、透气性、导电和导热性、优异的机械强度以及出色的耐腐蚀性能，已经成为了质子交换膜燃料电池气体扩散层的主要部件材料，成为制约质子交换膜燃料电池性能的重要因素。
3、短碳纤维复合纸的主流制备方法为湿法抄纸，文献1(diffusion mediamaterials and characterisation[m].john wiley&sons,ltd,2010.)记载湿法抄纸的具体步骤如下：
4、(1)将一定长度的碳纤维(通常为2～10mm)通过分散剂均匀的分散在水中再通过抄纸机抄成前驱体后烘干；
5、(2)将烘干的前驱体浸渍在一定浓度的酚醛树脂溶液中以吸附酚醛树脂提高最终产品的性能；
6、(3)将吸附了酚醛树脂的前驱体烘干后进行热压成型；
7、(4)在惰性环境下给予一定的压力进行高温处理，脱除非碳元素，使得碳纤维通过残炭相互搭接形成一种导电网络结构。
8、然而，湿法抄纸技术制备短碳纤维复合纸存在很多缺陷，具体如下：
9、(i
10、之所以导致这个问题是因为在碳纤维复合纸中，纤维是刚性的、笔直的且随机定向的，而不规则分布的平面孔的堆叠，垂直方向的曲折度大，碳纤维之间的搭接密度大，从而导致碳纤维复合纸的低透气率。现有技术往往通过增加碳纤维长度来提高孔的尺寸从而增大透气率，但是随着碳纤维的长度增加，纸的均匀性会下降，并且由于受到碳纤维堆叠方式的限制，孔隙率的提升困难，影响了透气率的提升，并且由于纤维优先在平面内取向，因此微观结构具有高度各向异性，这又会影响气体传输特性、导热性和导电性；
11、(ii)原纸往往需要浸渍酚醛树脂来增强最终产品的性能，但是酚醛树脂对碳纤维的浸润性很差，不能达到理想情况下的只粘结碳纤维的搭接点，所以往往实际情况下会堵住很多碳纤维搭接形成的孔洞，降低了碳纤维纸的透气率。
12、中国专利cn111900418a在湿法抄纸时用少量的纳米纤维素代替pva纤维使得前驱体具备一定的机械强度，在减少残炭的生成同时，提高碳纸了的透气度，但碳纸中的残炭只有少部分来自于前驱体成型用粘合剂，因此对透气度的提升十分有限。中国专利cn113564749a将酚醛和pva进行复合纺丝用于湿法抄纸中，提高了酚醛对碳纤维的黏附性，进而提高了碳纸的透气度，但由于酚醛纺丝性差，复合纤维中酚醛的占比不高，导致碳纸的强度和透气度之间的平衡难以调控。中国专利cn 115775890a过将碳纤维浆料滴加在微晶纤维素模板上后煅烧去除微晶纤维素模板得到高透气碳纸的方法，但所制备的碳纸均一性和强度都较差。
13、因此，在不牺牲机械强度的前提下，研究一种高透气碳纤维复合纸及其制备方法，以解决上述问题，具有十分重要的意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种高透气碳纤维复合纸及其制备方法。
2、为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，将浆料流延于平板表面，室温(25℃)干燥后进行热处理制得高透气碳纤维复合纸；
4、所述浆料是将短切碳纤维、水、粘合剂和分散剂作为主要原料混合配置得到的；
5、所述浆料在25℃下的零切粘度为2000～30000mpa·s；
6、所述浆料中短切碳纤维的质量分数低于5％；短切碳纤维的长度为0.1～10mm，且长度0.1～5mm的短切碳纤维占比在75％以上；
7、所述热处理包括碳化和石墨化；
8、根据kerekes等人提出的“拥挤系数n”的概念，其定义为单根纤维旋转所形成的球形空间的内纤维的数量，如下式所示，其中cv、l和d分别代表碳纤维(cf)的体积分数、长度和直径。
9、
10、可以知道，随着n的增加，纤维之间碰撞的可能增加，当纤维相互搭接形成连贯的网络，纤维的可流动性就会下降，单根纤维旋转受阻，便会使得纤维之间产生絮聚现象；
11、传统的湿法抄纸的浆料中，1g碳纤维分散在5～10l的水中，分散均匀性的压力小，而流延的浆料中，1g碳纤维分散在50～200ml水中，碳纤维的质量分数远高于湿法抄纸，难以分散均匀。本专利技术采用的短切碳纤维中，长度0.1～5mm的占比在绝大多数，实验发现，当短切碳纤维的固含量和直径不变时，缩短长度能降低碳纤维水分散液的n值，较低的n值表示相同空间内的短切碳纤维的数量较少，纤维之间的接触较少，短切碳纤维的可流动性得到了提高，从而减少絮聚现象的发生，提高碳纤维水分散液的宏观均匀性。从而，本专利技术采用流延的方法制备得到了性能优异的高透气碳纤维复合纸。
12、作为优选的技术方案：
13、如上所述的一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，所述热处理还包括热交联，热交联在碳化之前进行，且热交联和碳化依次连续进行。
14、如上所述的一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，所述浆料的原料还包括其他助剂，其他助剂为甘油、消泡剂、交联剂、造孔剂、增强剂和导电填料的一种以上；甘油能为复合纸提供柔韧性，消泡剂减少流延浆料的泡从而避免流延时产生泡。
15、如上所述的一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，所述浆料中分散剂的质量分数为0.01～1％，粘合剂的质量分数为0.1～20％，其他助剂的质量分数低于10％；甘油的质量为粘合剂的1～100％，消泡剂的质量为粘合剂的1～50％，交联剂的质量为粘合剂的0.1～100％，造孔剂、增强剂和导电填料的在浆料中的质量分数均在0.01～5％范围。
16、如上所述的一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，粘合剂为羧甲基纤维素钠、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、松香及其衍生物的一种以上，分散剂为羧甲基纤维素钠、聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺和阴离子聚丙烯酰胺的一种以上，交联剂为能使得粘合剂发生交联的试剂，如乙二醛，造孔剂为聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇缩丁醛改性的酚醛树脂、聚乙烯醇、聚乙烯醇改性的酚醛树脂、碳酸氢铵、氯化铵和淀粉的一种以上，增强剂为聚乙烯醇缩丁醛改性本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于：将浆料流延于平板表面，干燥后进行热处理制得高透气碳纤维复合纸；
2.根据权利要求1所述的一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于，所述热处理还包括热交联，热交联在碳化之前进行，且热交联、碳化和石墨化依次连续进行。
3.根据权利要求2所述的一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于，所述浆料的原料还包括其他助剂，其他助剂为甘油、消泡剂、交联剂、造孔剂、增强剂和导电填料的一种以上。
4.根据权利要求3所述的一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于，所述浆料中分散剂的质量分数为0.01～1％，粘合剂的质量分数为0.1～20％，其他助剂的质量分数低于10％；甘油的质量为粘合剂的1～100％，消泡剂的质量为粘合剂的1～50％，交联剂的质量为粘合剂的0.1～100％，造孔剂、增强剂和导电填料在浆料中的质量分数均在0.01～5％范围。
5.根据权利要求4所述的一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于，粘合剂为羧甲基纤维素钠、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、松香及其衍生物的一种以上，分散剂为羧甲
6.根据权利要求2所述的一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于，热交联的工艺参数为：温度20～300℃，压强0～10MPa，时间5～180min；
7.根据权利要求1所述的一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于，流延高度小于10mm。
8.如权利要求1～7任一项所述的方法制得的一种高透气碳纤维复合纸，包含碳纤维和树脂炭，树脂炭由粘合剂经过碳化形成，其特征在于：高透气碳纤维复合纸中，碳纤维在三维方向自由取向；长于流延高度的碳纤维拥有平面取向的趋势，且其中与无限多的相互平行的XY平面之间夹角小于30°的占比超过75％；短于流延高度的碳纤维拥有平面或竖直取向的趋势，且其中与无限多的相互平行的XY平面之间夹角大于10°的占比超过50％；碳纤维之间的连接方式包括以下四种：拥有平面取向趋势的碳纤维之间相互搭接，且搭接点被树脂炭包裹；拥有平面取向趋势的碳纤维与拥有竖直取向趋势的碳纤维之间相互搭接，且搭接点被树脂炭包裹；碳纤维之间通过树脂炭连接，且相连的碳纤维之间彼此无直接接触点；以及拥有竖直取向趋势的碳纤维之间相互搭接，且搭接点被树脂炭包裹。
9.根据权利要求7所述的一种高透气碳纤维复合纸，其特征在于，高透气碳纤维复合纸的厚度为30～400μm。
10.根据权利要求8所述的一种高透气碳纤维复合纸，其特征在于，高透气碳纤维复合纸的孔隙率为80～95％，孔径为20～100μm，透气率为2000～4000ml·mm/(cm2·hr·mmAq)，拉伸强度为10～50MPa。
...【技术特征摘要】
1.一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于：将浆料流延于平板表面，干燥后进行热处理制得高透气碳纤维复合纸；
2.根据权利要求1所述的一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于，所述热处理还包括热交联，热交联在碳化之前进行，且热交联、碳化和石墨化依次连续进行。
3.根据权利要求2所述的一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于，所述浆料的原料还包括其他助剂，其他助剂为甘油、消泡剂、交联剂、造孔剂、增强剂和导电填料的一种以上。
4.根据权利要求3所述的一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于，所述浆料中分散剂的质量分数为0.01～1％，粘合剂的质量分数为0.1～20％，其他助剂的质量分数低于10％；甘油的质量为粘合剂的1～100％，消泡剂的质量为粘合剂的1～50％，交联剂的质量为粘合剂的0.1～100％，造孔剂、增强剂和导电填料在浆料中的质量分数均在0.01～5％范围。
5.根据权利要求4所述的一种高透气碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于，粘合剂为羧甲基纤维素钠、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、松香及其衍生物的一种以上，分散剂为羧甲基纤维素钠、聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺和阴离子聚丙烯酰胺的一种以上，交联剂为乙二醛，造孔剂为聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇缩丁醛改性的酚醛树脂、聚乙烯醇、聚乙烯醇改性的酚醛树脂、碳酸氢铵、氯化铵和淀粉的一种以上，增强剂为聚乙烯醇缩丁醛改性的酚醛树脂、聚乙烯醇改性的酚醛树脂、水溶性聚氨酯、芳纶、聚酰胺环氧氯丙烷、硼酸及其衍生物、磷酸及其衍生物和溴化物的一种以上，导电填料为碳粉、炭黑、石墨...
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