一种碳纤维纸增密用浸渍树脂料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种碳纤维纸增密用浸渍树脂料的制备方法，将炭素填料进行表面氧化改性，使表面富裕羟基和羧基，提高填料表面的润湿性和极性，然后用C6

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维纸增密用浸渍树脂料的制备方法


[0001]本专利技术涉及合成纤维工业
，特别涉及一种碳纤维纸增密用浸渍树脂料的制备方法。

技术介绍

[0002]炭纸是质子交换膜燃料电池气体扩散层的关键支撑材料，要求具有较高的透气性、孔隙率以及导电性能和适宜的力学性能。炭纸的制备过程通常是将碳纤维分散于水中进行抄纸制备碳纸坯体，再将坯体进行树脂液浸渍增密、碳化和石墨化。国内外普遍采用在酚醛树脂、糠醛树脂和呋喃树脂及其改性树脂等热固性聚合物树脂溶液中直接加入作为导电改性的炭素填料作为碳纤维纸增密用浸渍液。该过程的技术难点在于，炭素填料的表面惰性使其与树脂和溶剂之间较难浸润，与树脂之间的界面粘接力较弱，在树脂溶液中分散性差、难以实现均匀分散，几分钟内便会快速沉降而造成炭纸坯体浸渍不充分，碳纤维骨架结构上炭素填料附着不牢固且负载不均匀，最终导致炭纸增密效果不理想、密度不均匀的问题。
[0003]如专利CN111900417A、CN107946621A，均包含通过浸渍工艺实现导电炭素填料的引入，与本专利相近的工艺方法为：以导电炭素粉体、热固性树脂与有机溶剂共同配制混合液作为炭纸浸渍料，随后将碳纤维纸前驱体置于该浸渍料中进行浸渍处理，经过固化、碳化和石墨化后得到高碳含量炭纸。所存在缺陷与不足为：
[0004](1)无法解决导电炭素粉体在浸渍料中的稳定均匀分散。原始炭素微粒表面惰性，官能团极少，与树脂和溶剂之间较难浸润，与树脂间的界面粘接力较弱，无法在溶液形成均匀分散，容易出现团聚，浸渍后炭素微粒在炭纸纤维骨架或树脂膜上的分布不均匀、易发生团聚，造成炭纸密度不均匀。
[0005](2)炭素微粒在浸渍料中的长效分散稳定性差，短时间内炭素微粒便会从溶液中沉积析出聚集于浸渍液的底部，严重影响炭纸坯体的浸渍增密效果，导致炭纸综合性能不佳。
[0006]因此，有必要提供一种碳纤维纸均匀分散在浸渍料中且具有长效分散稳定性的碳纤维纸增密用浸渍树脂料的制备方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种碳纤维纸增密用浸渍树脂料的制备方法，其目的是为了解决
技术介绍
中存在的上述的问题。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种碳纤维纸增密用浸渍树脂料的制备方法，首先将炭素填料(导电炭黑、炭粉、碳纳米管、石墨粉、石墨烯等)进行表面氧化改性，使表面富裕羟基和羧基，提高填料表面的润湿性和极性，然后用C6
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C12脂肪酸与表面羟基进行酯化接枝反应，将烷基链引入炭素填料表面，形成亲油基团。该改性炭素填料中，脂肪酸以化学键的方式包覆在填料表面，无需分散剂即可提高其在有机溶剂中的分散稳定性。将其分
散于酚醛树脂、呋喃树脂及其改性树脂的有机溶液中，可获得稳定分散的炭素填料/树脂分散液，该分散液中炭素填料呈均匀分散，配制的浸渍料溶液具有长效分散稳定性，能够在较长时间内保持填料微粒的悬浮分散状态，有利于炭纸坯体的浸渍增密和碳素填料的均匀分布，同时利用了“相似相溶”的原理,增强了树脂与填料之间的粘结性，加强了炭纸坯体中碳纤维骨架结构的紧密性和力学强度,提高了炭纸的综合性能。
[0009]本专利技术的实施例具体提供了一种碳纤维纸增密用浸渍树脂料的制备方法，包括如下步骤：
[0010]一种碳纤维纸增密用浸渍树脂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0011]S1：采用浓硝酸或硫酸与双氧水、次氯酸钾的混合溶液将炭素粉末氧化，水洗至中性；以增加表面羟基、羧基等含氧基团。
[0012]S2：将所述氧化后的炭素粉末、C6～C12脂肪酸加入有机溶剂中混合，加热搅拌，洗涤、离心、干燥，获得改性炭素填料；
[0013]S3：将热固性树脂加入有机溶剂中混合，再加入所述改性炭素填料；
[0014]S4：将碳纤维纸坯体浸入所述浸渍料中，干燥获得炭素填料/树脂复合增密改性的炭纸坯体。
[0015]进一步的，所述步骤S1中，氧化时长为30～120min。
[0016]进一步的，所述步骤S1中，炭素为导电炭黑、乙炔黑、石墨粉、微晶石墨、科琴黑、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
[0017]进一步的，所述步骤S2中，C6～C12脂肪酸为己酸、庚酸、辛酸、壬酸、葵酸、十一烷酸、月桂酸中任意一种，有机溶剂为DMF，THF、氯仿中任意一种。
[0018]进一步的，所述步骤S2中，加热温度为60～120℃，搅拌时长为2h，洗涤溶剂为有机溶剂。
[0019]进一步的，所述步骤S3中，热固性树脂为酚醛树脂及其改性树脂、呋喃树脂及其改性树脂、糠醛树脂及其改性树脂中任意一种，有机溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、正丁醇、DMF、THF中任意一种。
[0020]进一步的，所述步骤S3中，匀速搅拌时长为30～60min。
[0021]进一步的，所述步骤S3中，热固性树脂含量为6
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20wt％，所述改性炭素填料添加量按照所述热固性树脂质量的3～10wt％。
[0022]进一步的，所述步骤S4中，浸渍时长为15
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30min，在60～75℃下干燥1h。
[0023]本专利技术采用C6
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C12脂肪酸与炭素填料表面的羟基进行酯化接枝反应，将烷基链引入炭素填料表面，形成亲油基团，有效提高了其在有机溶剂中的分散能力，减少了团聚和沉积絮聚。对炭素填料的改性工艺是利用液相氧化(硫酸、硝酸和双氧水、次氯酸钾混合溶液)方法在炭素填料表面形成
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OH和
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COOH基团，利用
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OH与C6
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C12脂肪酸的
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COOH进行酯化接枝反应，形成一端以共价键与炭素无机物表面相连，另一端为脂肪烷烃亲油性基团的改性包覆炭素填料，按照“相似相容原理”，该亲油基团与有机溶剂和聚合物树脂有良好的相容性，可获得良好的分散均匀性和稳定性，从而更利于浸渍料中聚合物树脂和填料对碳纸纤维骨架的附着。
[0024]本专利技术采用C6
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C12脂肪酸接枝改性炭素填料，通过表面亲油基团的形成，达到了改善界面性能的目的，实现了导电炭素微粒与树脂在有机溶剂中的良好相容性，无需额外
使用分散剂即实现所配制的浸渍液具有长效分散稳定性。并且可以根据不同需要，调整炭素填料与酚醛树脂的质量比，制备不同炭素填料含量的浸渍液，以满足不同炭纸增密的浸渍要求。
[0025]本专利技术采用C6
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C12脂肪酸接枝改性炭素填料配制的树脂浸渍液，其悬浮稳定的时间长达10小时不发生沉降，可实现炭素微粒在碳纤维骨架和树脂膜中的牢固附着和均匀负载，脂肪烷烃亲油基团可以在后续热处理过程中炭化，增加残炭率，有利于提高炭纸的均匀度和密度。
[0026]本专利技术的上述方案有如下的有益效果：
[0027](1)本专利技术采用C6
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C12脂肪酸表面接枝改性炭素填料，可以在炭素表面以化学键合方式引入脂肪烷烃亲油性基团，增强了炭素填料与树脂和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维纸增密用浸渍树脂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：采用浓硝酸或硫酸与双氧水、次氯酸钾的混合溶液将炭素粉末氧化，水洗至中性；S2：将所述氧化后的炭素粉末、C6～C12脂肪酸加入有机溶剂中混合，加热搅拌，洗涤、离心、干燥，获得改性炭素填料；S3：将热固性树脂加入有机溶剂中混合，再加入所述改性炭素填料；S4：将碳纤维纸坯体浸入所述浸渍料中，干燥获得炭素填料/树脂复合增密改性的炭纸坯体。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，氧化时长为30～120min。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，炭素为导电炭黑、乙炔黑、石墨粉、微晶石墨、科琴黑、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，C6～C12脂肪酸为己酸、庚酸、辛酸、壬酸、葵酸、十一烷酸、月桂酸中任意一种，有机溶剂为DMF，...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷霆，王钰彦，何才敏，吕依芮，谢志勇，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：