CN108914681B - 一种碳纤维纸的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明以聚丙烯腈基碳纤维为主要增强体，中间相沥青基碳纤维为功能添加剂，酚醛树脂为粘结剂制备一种高性能碳纤维纸。采用如下过程制成：将中间相沥青基碳纤维和聚丙烯腈基碳纤维进行表面处理，然后将二者按一定的比例混合，通过常规湿法造纸技术制成碳纤维初级纸产品；用热固性酚醛树脂‑乙醇溶液浸渍初级碳纤维纸，然后在一定压力下阶段升温热压固化；固化后在800‑1100℃下碳化1小时制成碳纤维纸；在2000‑3000℃下石墨化1小时制成碳纤维石墨纸产品。所制成的碳纤维纸具有优异的导电、导热性能。

Description

一种碳纤维纸的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有高导电、导热性能的碳纤维纸的制备方法。是将一定比例的短切中间相沥青基碳纤维和短切聚丙烯腈基碳纤维混杂分散后采用常规湿法抄纸技术制备的碳纤维纸。该碳纤维纸具有良好的综合性能，尤其具有优异的导电、导热性能，可用于质子交换膜燃料电池中气体扩散层的基底材料等方面。
背景技术
在质子交换膜燃料电池电极中，碳纤维纸是最常见的气体扩散层基底材料，它具有均匀的多孔薄膜结构，机械强度好，尺寸稳定，且具备优异的导电性、化学稳定性和热稳定性。碳纤维纸一般是以碳纤维为骨架，利用造纸技术在抄纸机上成型，以树脂等可碳化物质作为粘结剂，经过固化、碳化、石墨化工艺得到的一种高性能材料。
近年来国内外有较多研究单位积极投身于碳纸的开发与研究等，例如，陶世毅在“一种碳纤维芳纶纤维合成纸及湿法抄造”(申请号：200410037774.8)中提出以碳纤维和芳纶纤维为结构纤维、辅以粘接纤维制成合成纤维纸。李翠艳等人在专利“碳纤维纸增强酚醛树脂基复合材料的制备方法”(申请号：201110266419.8)中提出将碳纤维纸与酚醛树脂粉末交替铺层后经过模压制得碳纤维纸增强酚醛树脂复合材料，其目的为了提高复合性能，降低成本。王彪等人在专利“一种碳纤维复合功能纸的制备方法”(申请号：201210585866.4)中提出在抄纸过程中，通过形成一种纤维网络/母版的层状复合材料以提高纤维网络固网前的机械性能和可加工性能。上述研究重点都是对碳纤维纸的抄纸工艺和粘接过程作出改进，以降低成本、提高机械性能为目的，对于如何提高碳纤维纸的导电、导热性能并未做出研究。
由于中间相沥青基碳纤维具有优异的导电、导热性能，所以用其制备的碳纸在导电、导热性能方面均优于由聚丙烯腈基碳纤维制成的碳纸。但是，单纯由中间相沥青基碳纤维制备得到的碳纸，存在强度较低的缺点。因此，综合两种碳纤维原料的优势是本专利的要点，即将短切中间相沥青基碳纤维掺杂在短切聚丙烯腈基碳纤维中，在保证碳纤维纸良好的机械性能的前提下，提高其导电、导热性能。
发明内容
沥青基碳纤维分为通用级碳纤维(GPCF，由各向同性沥青制备而成)和高性能级碳纤维(HPCF，由各向异性中间相沥青制备而成)。高性能中间相沥青基碳纤维与聚丙烯腈基碳纤维相比具有超高模量、高导热率和热膨胀系数小的特点，并且由于中间相沥青基碳纤维易石墨化的特点，使其与聚丙烯腈基碳纤维在结构上有很大的不同，在中间相沥青基碳纤维截面可以观察到清晰的石墨片层结构，这就大大提高了其导热、导电性能。但是由于中间相沥青基碳纤维脆性比较大，并且表面亲水性较差，使其在水系溶剂中分散性，以及成纸性都比较差，单用此一种碳纤维难以制备高性能碳纤维纸。本专利将短切的中间相沥青基碳纤维通过液相氧化、气相氧化以增加碳纤维表面粗糙度，提高亲水性能，进而提高其在水系溶剂中的分散性能，再将其掺杂在短切聚丙烯腈基碳纤维中，进行后续制备碳纸工艺。这样，不仅保证了纸张具有良好的机械性能，也提高了纸张的导热、导电性能。
制备碳纤维纸的具体过程如下：
步骤一：将中间相沥青基碳纤维进行液相氧化或气相氧化，以增加表面粗糙度，提高其亲水性；液相氧化是指使用浓硝酸在80-100℃下搅拌、回流5-8小时；气相氧化是将中间相沥青基碳纤维在空气中、300-400℃下氧化1-2小时。
步骤二：将步骤一处理完成的中间相沥青基碳纤维与聚丙烯腈基碳纤维以1∶19-3∶7的质量比例混合，其中，聚丙烯腈碳纤维用浓氢氧化钾或氢氧化钠水溶液进行预处理以提高分散性；
步骤三：将步骤二中的两种碳纤维加入聚氧化乙烯分散液里，搅拌至碳纤维分散均匀，采用湿法造纸技术，在纸样抄取器上抄片，在80-100℃下干燥0.5-1小时后得到碳纤维初级纸产品；
步骤四：用5-10wt％的酚醛树脂-乙醇溶液浸渍步骤三得到的碳纤维初级纸产品0.5-2小时；浸渍完成后在60-80℃下，加热0.5-1小时；在120-140℃下，加热1-2小时进行预固化处理；
步骤五：将步骤四中的碳纤维纸在4-6MPa下，170℃-250℃阶段升温热压固化1.5-3小时；然后在800-1100℃下碳化1小时制成碳纤维纸；在2000-3000℃下石墨化1小时制备成碳纤维石墨纸产品。
所制成碳纤维纸的性能：
厚度为0.1-0.2mm，抗拉强度＞26MPa，面电阻率＜6.8mΩ·cm，面向导热系数＞18W/m·K。
本发明的优点：
将高导热率、高导电率的中间相沥青基碳纤维掺杂在短切聚丙烯腈基碳纤维中，不仅保证了纸张具有良好的机械性能，也提高了纸张的导热、导电性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。本发明要求保护的范围并不局限于实施例所述的范围。
实施例1(对比例)：
1)将长5mm的聚丙烯腈基碳纤维用氢氧化钠水溶液进行预处理，洗至中性，加入聚氧化乙烯分散液中，搅拌至碳纤维分散均匀，采用湿法造纸技术，在纸样抄取器上抄片，在90℃下干燥1小时后得到碳纤维初纸；
2)用9wt％的酚醛树脂-乙醇溶液浸渍碳纤维初级纸产品1小时；浸渍完成后在60℃下，加热1小时；在140℃下，加热1小时进行预固化处理；然后在5MPa下，200℃热压固化1小时、250℃热压固化1小时；最后在900℃下碳化1小时制成碳纤维纸；在2500℃下石墨化1小时制备成碳纤维石墨纸产品。
所制成碳纤维纸的性能：
厚度为0.19mm，抗拉强度29.7MPa，面电阻率6.92mΩ·cm，面向导热系数16.8W/m·K。
实施例2：
1)将长5mm的中间相沥青基碳纤维在空气中、300℃下氧化2小时；将长7mm聚丙烯腈基碳纤维用氢氧化钾水溶液进行预处理，洗至中性；
2)处理完成的中间相沥青基碳纤维与聚丙烯腈基碳纤维按质量比1∶9混合，，加入聚氧化乙烯分散液中，搅拌至碳纤维分散均匀，采用湿法造纸技术，在纸样抄取器上抄片，在90℃下干燥40分钟后得到碳纤维初级纸产品；
3)用6wt％的酚醛树脂-乙醇溶液浸渍碳纤维初级纸产品1.5小时；浸渍完成后在80℃下加热0.5小时，在130℃加热1.5小时进行预固化处理；然后在4MPa下，180℃热压固化0.5小时、240℃热压固化1小时；最后在800℃下炭化1小时制成碳纤维纸；在2300℃下石墨化1小时制备成碳纤维石墨纸产品。
所制成碳纤维纸的性能：
厚度为0.18毫米，抗拉强度28.8MPa，面电阻率6.51mΩ·cm，面向导热系数20.2W/m·K。
实施例3：
1)在长7mm的中间相沥青基碳纤维中注入浓硝酸，加热100℃，搅拌、回流5小时；将长3mm聚丙烯腈基碳纤维用氢氧化钾水溶液进行预处理，洗至中性；
2)将处理完成的中间相沥青基碳纤维与聚丙烯腈基碳纤维按质量比2∶8混合，加入聚氧化乙烯分散液中，搅拌至碳纤维分散均匀，采用湿法造纸技术，在纸样抄取器上抄片，在85℃下干燥40分钟后得到碳纤维初级纸产品；
3)用10wt％的酚醛树脂-乙醇溶液浸渍碳纤维初级纸产品1小时；浸渍完成后在80℃下加热0.5小时，在140℃加热1.5小时进行预固化处理；然后在6MPa下，190℃热压固化1小时、240℃热压固化1.5小时；最后在1100℃下炭化1小时制备成碳纤维纸；在2700℃下石墨化1小时制备成碳纤维石墨纸产品。
所制成碳纤维纸的性能：
厚度为0.12mm，抗拉强度27.2MPa，面电阻率5.93mΩ·cm，面向导热系数24.3W/m·K。
实施例4：
1)在长3mm的中间相沥青基碳纤维中注入浓硝酸，加热90℃，搅拌、回流6小时；将长5mm聚丙烯腈基碳纤维用氢氧化钠水溶液进行预处理，洗至中性；
2)将处理完成的中间相沥青基碳纤维与聚丙烯腈基碳纤维按质量比3∶7混合，加入聚氧化乙烯分散液中，搅拌至碳纤维分散均匀，采用湿法造纸技术，在纸样抄取器上抄片，在80℃下干燥1小时后得到碳纤维初级纸产品；
3)用7wt％的酚醛树脂-乙醇溶液浸渍碳纤维初纸2小时；：浸渍完成后在60℃下加热1小时，在130℃加热2小时进行预固化处理；然后在5MPa下，200℃热压固化1小时、250℃热压固化1小时；最后在1000℃下炭化1小时制备成碳纤维纸；在3000℃下石墨化1小时制备成碳纤维石墨纸产品。
所制成碳纤维纸的性能：
厚度为0.1mm，抗拉强度26.5MPa，面电阻率5.59mΩ·cm，面向导热系数26.5W/m·K。
实施例5：
1)在长3mm的中间相沥青基碳纤维中注入浓硝酸，加热80℃，搅拌、回流8小时；将长7mm聚丙烯腈基碳纤维用氢氧化钾水溶液进行预处理，洗至中性；
2)将处理完成的中间相沥青基碳纤维与聚丙烯腈碳纤维按质量比1∶19混合，加入聚氧化乙烯分散液中，搅拌至碳纤维分散均匀，采用湿法造纸技术，在纸样抄取器上抄片，在100℃下干燥0.5小时后得到碳纤维初级纸产品；
3)用5wt％的酚醛树脂-乙醇溶液浸渍碳纤维初纸0.5小时；浸渍完成后在70℃下加热1小时，在120℃加热2小时进行预固化处理；然后在6MPa下，170℃热压固化1.5小时、230℃热压固化1.5小时；最后在800℃下炭化1小时制备成碳纤维纸；在2000℃下石墨化1小时制备成碳纤维石墨纸产品。
所制成碳纤维纸的性能：
厚度为0.2毫米，抗拉强度29.1MPa，面电阻率6.85mΩ·cm，面向导热系数18.9W/m·K。
实施例6：
1)将长7mm的中间相沥青基碳纤维在空气中、400℃下氧化1小时；将长3mm聚丙烯腈基碳纤维用氢氧化钠水溶液进行预处理，洗至中性；
2)将处理完成的中间相沥青基碳纤维与聚丙烯腈碳纤维按质量比1∶5混合，加入聚氧化乙烯分散液中，搅拌至碳纤维分散均匀，采用湿法造纸技术，在纸样抄取器上抄片，在95℃下干燥0.5小时后得到碳纤维初级纸产品；
3)用8wt％的酚醛树脂-乙醇溶液浸渍碳纤维初纸1.5小时；浸渍完成后在70℃下加热1.5小时，在120℃加热1.5小时进行预固化处理；然后在4MPa下，200℃热压固化1小时、250℃热压固化2小时；最后在900℃下炭化1小时制备成碳纤维纸；在2600℃下石墨化1小时制备成碳纤维石墨纸产品。
所制成碳纤维纸的性能：
厚度为0.15mm，抗拉强度27.9MPa，面电阻率6.23mΩ·cm，面向导热系数21.6W/m·K。

Claims (2)

1.一种碳纤维纸的制备方法，其特征在于：经以下步骤制备而成：
步骤一：将中间相沥青基碳纤维进行液相氧化或气相氧化，以增加表面粗糙度，提高其亲水性；
步骤二：将步骤一处理完成的中间相沥青基碳纤维与聚丙烯腈基碳纤维以1∶19-3∶7的质量比例混合，其中，聚丙烯腈碳纤维用浓氢氧化钾或氢氧化钠水溶液进行预处理以提高分散性；
步骤三：将步骤二中的两种碳纤维加入聚氧化乙烯分散液里，搅拌至碳纤维分散均匀，采用湿法造纸技术，在纸样抄取器上抄片，将纸样在80-100℃下干燥0.5-1小时后得到碳纤维初级纸产品；
步骤四：用5-10wt％的酚醛树脂-乙醇溶液浸渍步骤三得到的碳纤维初级纸产品0.5-2小时；浸渍完成后在60-80℃下，加热0.5-1小时；在120-140℃下，加热1-2小时进行预固化处理；
步骤五：将步骤四中的碳纤维纸在4-6MPa下，170℃-250℃阶段升温热压固化1.5-3小时，然后在800-1100℃碳化1小时制成碳纤维纸；在2000-3000℃下石墨化1小时制备成碳纤维石墨纸产品。
2.权利要求1所述的一种碳纤维纸的制备方法，其特征在于：步骤一中所述的液相氧化是指使用浓硝酸在80-100℃下，搅拌、回流5-8小时；气相氧化是将中间相沥青基碳纤维在空气中、300-400℃下氧化1-2小时。
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