一种碳纤维纸及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于碳纤维纸技术领域，本发明专利技术提供了一种碳纤维纸及其制备方法，制备方法包含以下步骤：将丙烯腈

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维纸及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及碳纤维纸
，尤其涉及一种碳纤维纸及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜氢燃料电池(PEMFC)具有高功率密度、高能量转换率、低温启动、无污染等优点，被认为是新能源终极解决方案。气体扩散层作为PEMFC中的关键部件要求具有良好的导电性、均匀多孔性、热稳定性和耐腐蚀性，而碳纤维纸是目前唯一能满足PEMFC气体扩散层要求的材料。
[0003]目前商用氢燃料电池汽车所采用的碳纤维纸的制备技术和产品均由国外进口，并且价格昂贵，进口数量受限。碳纤维纸主要以传统湿法成型、浸渍树脂、热压固化、碳化石墨化过程制备得到。然而，碳纤维表面呈化学惰性、亲水性差，使得其在水溶液中难以分散，导致成型原纸均匀性、平整性差，且后续碳化石墨化制备得到的碳纸拉伸强度差、不耐折，难以应用在燃料电池的气体扩散层中。此外，由于国内碳纤维只能生产中低端的碳纤维原丝，未涉及对高端聚丙烯腈碳纤维的研究。因此，在保证碳纸良好的导电性、平整性，避免纤维分散性差的前提下，如何实现原材料的自给自足，是目前碳纤维纸在燃料电池气体扩散层的规模化应用中必须解决的问题。
[0004]因此，研究得到一种导电性好、透气性和孔隙率可控，提高纤维分散性，工艺过程简单、成本低的碳纤维纸，具有重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种碳纤维纸及其制备方法和应用。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种碳纤维纸的制备方法，包含以下步骤：
[0008]1)将丙烯腈
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N
‑
乙烯基甲酰胺共聚物通过干喷湿法制备聚丙烯腈基原丝，经短切处理得到聚丙烯腈基短切纤维原丝；
[0009]2)将聚丙烯腈基短切纤维原丝顺次进行正反水刺、干燥缠绕，得到聚丙烯腈基无纺毡；
[0010]3)将聚丙烯腈基无纺毡进行预氧化处理，得到聚丙烯腈基预氧化毡；
[0011]4)将聚丙烯腈基预氧化毡在树脂溶液中浸渍后顺次进行干燥、热压固化、碳化、石墨化，得到碳纤维纸。
[0012]作为优选，步骤1)所述聚丙烯腈基短切纤维原丝的长度为10～24mm，直径为5～11μm，取向度≥92％。
[0013]作为优选，步骤2)所述干燥缠绕的温度为60～80℃，时间为2～4h；所述聚丙烯腈基无纺毡的克重为60～180g/m2。
[0014]作为优选，步骤3)所述预氧化处理为将聚丙烯腈基无纺毡顺次在180～220℃预氧
化5～15min、270～300℃预氧化30～90min、310～340℃预氧化20～40min。
[0015]作为优选，由室温升温至180～220℃的升温速率为2～8℃/min，由180～220℃升温至270～300℃的升温速率为0.2～2℃/min，由270～300℃升温至310～340℃的升温速率为2～8℃/min。
[0016]作为优选，步骤4)所述树脂溶液的质量浓度为6～20％，所述树脂溶液中，树脂为腰果酚
‑
硼酚醛树脂，溶剂为甲醇和/或乙醇。
[0017]作为优选，步骤4)所述浸渍的时间为10～40min；所述干燥的温度为60～100℃，时间为20～60min；热压固化的温度为140～180℃，压力为5～10MPa，时间为20～40min。
[0018]作为优选，步骤4)所述碳化的温度为1000～1600℃，时间为3～15min；石墨化的温度为2300～2700℃，时间为15～30min；
[0019]由室温升温至碳化温度的升温速率和由碳化温度升温至石墨化温度的升温速率独立的为2～8℃/min；所述碳化和石墨化在高纯氮气中进行。
[0020]本专利技术还提供了一种所述的制备方法制备得到的碳纤维纸，所述碳纤维纸的克重为30～90g/m2，电阻率为4～8mΩ
·
cm，透气性为1600～2200ml
·
mm/(cm2·
hr
·
mmAq)。
[0021]本专利技术还提供了一种所述的碳纤维纸在质子交换膜燃料电池气体扩散层中的应用。
[0022]本专利技术的有益效果包括以下几点：
[0023]1)本专利技术以细旦、高取向碳纤维原丝为原料，经短切、水刺工艺制备不同克重的聚丙烯腈基无纺毡，通过低温预氧化、浸渍树脂、热压固化、一步碳化石墨化等工艺流程制备得到不同厚度的碳纤维纸，实现碳纤维纸的导电性、透气性和孔隙率的精确控制，使其在质子交换膜燃料电池中具有良好效果。
[0024]2)本专利技术为制备高性能碳纤维纸提供了新的实验思路，解决了原料和纤维分散性的问题，同时无需粘结剂和分散剂、配抄纤维以及二次碳化石墨化，工艺流程简单，耗能低，可实现批量规模生产。
附图说明
[0025]图1为实施例1的热压固化后的聚丙烯腈基预氧化毡的扫描电镜图；
[0026]图2为实施例2的热压固化后的聚丙烯腈基预氧化毡的扫描电镜图；
[0027]图3为实施例2的碳纤维纸的扫描电镜图。
具体实施方式
[0028]本专利技术提供了一种碳纤维纸的制备方法，包含以下步骤：
[0029]1)将丙烯腈
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N
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乙烯基甲酰胺共聚物通过干喷湿法制备聚丙烯腈基原丝，经短切处理得到聚丙烯腈基短切纤维原丝；
[0030]2)将聚丙烯腈基短切纤维原丝顺次进行正反水刺、干燥缠绕，得到聚丙烯腈基无纺毡；
[0031]3)将聚丙烯腈基无纺毡进行预氧化处理，得到聚丙烯腈基预氧化毡；
[0032]4)将聚丙烯腈基预氧化毡在树脂溶液中浸渍后顺次进行干燥、热压固化、碳化、石墨化，得到碳纤维纸。
[0033]本专利技术以丙烯腈
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N
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乙烯基甲酰胺共聚物为原料，配制纺丝前驱体溶液；纺丝前驱体溶液经干喷湿法纺丝、多级水洗牵伸、上油干燥、两段蒸汽牵伸、热定型得到细旦化、高取向聚丙烯腈基原丝。
[0034]本专利技术的纺丝前驱体溶液中丙烯腈
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N
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乙烯基甲酰胺共聚物的含量为23wt％，纺丝前驱体溶液的温度优选为60℃，干喷湿法纺丝空气段距离为5mm，凝固浴中DMSO的含量为60wt％，凝固浴温度为5℃，凝固时间为1.2min，初生纤维牵伸倍数为8倍，热水牵伸温度为95℃，热水牵伸倍数为2.2倍，干燥温度为145℃，蒸汽牵伸倍数为2.8倍，热定型温度为130℃。
[0035]本专利技术步骤1)所述聚丙烯腈基短切纤维原丝的长度优选为10～24mm，进一步优选为14～20mm，更优选为16～18mm；所述聚丙烯腈基短切纤维原丝的直径优选为5～11μm，进一步优选为6～9μm，更优选为7～8μm；所述聚丙烯腈基短切纤维原丝的取向度优选≥92％，进一步优选≥93％，更优选≥94％。
[0036]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维纸的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：1)将丙烯腈
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N
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乙烯基甲酰胺共聚物通过干喷湿法制备聚丙烯腈基原丝，经短切处理得到聚丙烯腈基短切纤维原丝；2)将聚丙烯腈基短切纤维原丝顺次进行正反水刺、干燥缠绕，得到聚丙烯腈基无纺毡；3)将聚丙烯腈基无纺毡进行预氧化处理，得到聚丙烯腈基预氧化毡；4)将聚丙烯腈基预氧化毡在树脂溶液中浸渍后顺次进行干燥、热压固化、碳化、石墨化，得到碳纤维纸。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述聚丙烯腈基短切纤维原丝的长度为10～24mm，直径为5～11μm，取向度≥92％。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述干燥缠绕的温度为60～80℃，时间为2～4h；所述聚丙烯腈基无纺毡的克重为60～180g/m2。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述预氧化处理为将聚丙烯腈基无纺毡顺次在180～220℃预氧化5～15min、270～300℃预氧化30～90min、310～340℃预氧化20～40min。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，由室温升温至180～220℃的升温速率为2～8℃/min，由180～220℃升温至270～300℃的升温速率为0.2～2℃/min，由270～300...

【专利技术属性】
技术研发人员：巨安奇，倪学鹏，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：