CN110181831A - 碳纸制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种碳纸制备工艺，所述碳纸制备工艺中在采用激光快速加热固化树脂；所述碳纸制备工艺包括如下步骤：步骤S1、将碳纸坯体在设定树脂溶液中进行浸渍第一设定时间；将经过浸渍后的碳纸坯体烘烤第二设定时间；步骤S2、采用激光器照射经过步骤S1处理的碳纸坯体第三设定时间，对碳纸双面进行面扫固化处理；步骤S3、将经过步骤S2处理后的碳纸，在设定保护气氛中，以设定速度将温度从第一温度升温至第二温度，在第三温度保温第四设定时间，而后冷却至第四设定温度取出，得到成品碳纸。本发明提出的碳纸制备工艺，可提高制备产品的品质，同时提高操作的简便性，提高工作效率，降低能耗。

Description

碳纸制备工艺
技术领域
本发明属于新能源技术领域，涉及一种燃料电池气体扩散层制备方式，尤其涉及一种碳纸制备工艺。
背景技术
由于地球上化石能源有限，寻求可替代清洁能源才是人类的出路。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种能长期持续供电、可方便携带，发电效率高的供电装置，可用作固定发电站，也可用作移动电源，具有巨大的市场的潜能。炭纸作为燃料电池扩散层的重要组成部分，担负起支撑催化剂、透气和排水、集流体的作用，因此炭纸性能好坏直接影响燃料电池的性能。
目前碳纸制备过程中，树脂固化普遍采用将炭纸放入温设备中加热、保温固化方法。固化过程中，树脂需经历固相、液相、固相转变过程，液相阶段时碳纸的强度较低，易损坏；且液相树脂粘度较高，易粘附在其他物件上，影响碳纸品质；另外碳纸传统固化方法出处理时间较长，能耗高。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的碳纸制备工艺，以便克服现有碳纸制备工艺存在的上述缺陷。
发明内容
本发明提供一种碳纸制备工艺，可提高制备产品的品质，同时提高操作的简便性，提高工作效率，降低能耗。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：
一种碳纸制备工艺，所述碳纸制备工艺中在采用激光快速加热固化树脂；碳纸制备工艺包括如下步骤：
步骤S1、选用碳纸坯体密度为10～20g/m2，在浓度范围为0.1～0.2g/ml的酚醛树脂、呋喃树脂脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚酰亚胺其中一种树脂溶液中进行浸渍，而后放入80～160℃烘箱内烘烤20～50min；
步骤S2、采用YAG或CO2激光器，激光设定功率密度100～200w/mm2,照射时间10-4s，对步骤S1中碳纸双面进行面扫固化处理；
步骤S3、将经过步骤S2处理的碳纸，在氮气保护气氛中，以10℃/min，从室温升至1600℃，1600℃保温120min，关炉后随着炉温自然冷却至300℃以下取出，得到成品碳纸。
一种碳纸制备工艺，所述碳纸制备工艺中在采用激光快速加热固化树脂。
作为本发明的一种实施方式，所述碳纸制备工艺包括如下步骤：
步骤S1、将碳纸坯体在设定树脂溶液中进行浸渍第一设定时间；将经过浸渍后的碳纸坯体烘烤第二设定时间；
步骤S2、采用激光器照射经过步骤S1处理的碳纸坯体第三设定时间，对碳纸双面进行面扫固化处理；
步骤S3、将经过步骤S2处理后的碳纸，在设定保护气氛中，以设定速度将温度从第一温度升温至第二温度，在第三温度保温第四设定时间，而后冷却至第四设定温度取出，得到成品碳纸。
作为本发明的一种实施方式，步骤S1中，碳纸坯体密度为10～20g/m2。
作为本发明的一种实施方式，步骤S1中，树脂溶液为酚醛树脂、呋喃树脂脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚酰亚胺中的至少一个。
作为本发明的一种实施方式，所述树脂溶液的浓度范围为0.1～0.2g/ml。
作为本发明的一种实施方式，步骤S1中，将经过浸渍后的碳纸坯体放入80～160℃烘箱内烘烤20～50min。
作为本发明的一种实施方式，步骤S2中，采用YAG或CO2激光器，激光设定功率密度100～200w/mm2,照射时间为10-4s。
作为本发明的一种实施方式，步骤S3中，保护气氛为氮气、氩气、氦气中的至少一种保护气氛。
作为本发明的一种实施方式，步骤S3中，在氮气保护气氛中，以10℃/min，从室温升至1600℃，在1600℃保温120min，关炉后随着炉温自然冷却至300℃以下取出，得到成品碳纸。
本发明的有益效果在于：本发明提出的碳纸制备工艺，可提高制备产品的品质，同时提高操作的简便性，提高工作效率，降低能耗。
附图说明
图1为本发明一实施例中碳纸制备工艺的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
本发明揭示了一种碳纸制备工艺，所述碳纸制备工艺中在采用激光快速加热固化树脂。
图1为本发明一实施例中碳纸制备工艺的流程图；请参阅图1，在本发明的一实施例中，所述碳纸制备工艺包括如下步骤：
步骤S1、将碳纸坯体在设定树脂溶液中进行浸渍第一设定时间；将经过浸渍后的碳纸坯体烘烤第二设定时间；
步骤S2、采用激光器照射经过步骤S1处理的碳纸坯体第三设定时间，对碳纸双面进行面扫固化处理；
步骤S3、将经过步骤S2处理后的碳纸，在高温炭化炉中设定保护气氛下，以设定速度将温度从第一温度升温至第二温度，在第三温度保温第四设定时间，而后冷却至第四设定温度取出，得到成品碳纸。
在本发明的一实施例中，碳纸制备工艺包括如下步骤：
步骤S1、选用碳纸坯体密度为10～20g/m2，在浓度范围为0.1～0.2g/ml的酚醛树脂、呋喃树脂脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚酰亚胺其中一种树脂溶液中进行浸渍，而后放入80～160℃烘箱内烘烤20～50min；
步骤S2、采用YAG或CO2激光器，激光设定功率密度100～200w/mm2,照射时间10-4s，对步骤S1中碳纸双面进行面扫固化处理；
步骤S3、将经过步骤S2处理的碳纸，在氮气保护气氛中(当然也可以采用氩气或氦气等保护气氛)，以10℃/min，从室温升至1600℃，1600℃保温120min，关炉后随着炉温自然冷却至300℃以下取出，得到成品碳纸。
在本发明的实施例1中，碳纸制备工艺包括如下步骤：
步骤1：选用碳纸坯体密度为15g/m2，在0.2g/ml酚醛树脂乙醇溶液中浸渍处理，后放入80℃烘箱内烘烤20min。
步骤2：采用CO2激光器，激光设定功率密度100w/mm2,照射时间10-4s，对步骤1中碳纸双面进行面扫固化处理。
步骤3：将步骤2中的碳纸，在氮气保护气氛中，以10℃/min，从室温升之1600℃，1600℃保温120min，关炉后随着炉温自然冷至300℃以下取出，得到成品碳纸。
在本发明的实施例2中，碳纸制备工艺包括如下步骤：
步骤1：选用碳纸坯体密度为16g/m2，在0.14g/ml聚乙烯吡咯烷酮水溶液中浸渍处理，后放入90℃烘箱内烘烤30min。
步骤2:采用CO2激光器，激光设定功率密度140w/mm2,照射时间10-4s，对步骤1中碳纸双面进行面扫固化处理。
步骤3:将步骤2中的碳纸，在氮气保护气氛中，以10℃/min，从室温升之1600℃，1600℃保温120min，关炉后随着炉温自然冷至300℃以下取出，得到成品碳纸。
在本发明的实施例3中，碳纸制备工艺包括如下步骤：
步骤1:选用碳纸坯体密度为20g/m2，用0.10g/lm聚酰亚胺的N-甲基吡咯烷酮溶液浸渍处理，后放入160℃烘箱内烘烤50min。
步骤2:采用半导体连续激光器，激光设定功率密度200w/mm2,照射时间10-4s，对步骤1中碳纸双面进行面扫固化处理。
步骤3:将步骤2中的碳纸，在氮气保护气氛中，以10℃/min，从室温升之1600℃，1600℃保温120min，关炉后随着炉温自然冷至300℃以下取出，得到成品碳纸。
在本发明的对比例1中，碳纸制备工艺包括如下步骤：
步骤1：选用碳纸坯体密度为15g/m2，在0.2g/ml酚醛树脂乙醇溶液中浸渍处理，后放入80℃烘箱内烘烤2h。
步骤2：将步骤1中的碳纸置于网带炉中，以5℃/min加热至180℃，保温60min。
步骤3：将步骤2中的碳纸，，在氮气保护气氛中，以10℃/min从室温升之1600℃，1600℃保温120min，关炉后随着炉温自然冷至300℃以下取出，得到成品碳纸。
在本发明的对比例2中，碳纸制备工艺包括如下步骤：
步骤1：选用碳纸坯体密度为16g/m2，在0.14g/ml聚乙烯吡咯烷酮水溶液中浸渍处理，后放入90℃烘箱内烘烤30min。。
步骤2：将步骤一中的碳纸置于网带炉中，以5℃/min加热至170℃，保温60min。
步骤3：将步骤2中的碳纸，在氮气保护气氛中，以10℃/min从室温升之1600℃，1600℃保温120min，关炉后随着炉温自然冷至300℃以下取出，得到成品碳纸。
在本发明的对比例3中，碳纸制备工艺包括如下步骤：
步骤1：选用碳纸坯体密度为20g/m2，用0.10g/lm聚酰亚胺的N-甲基吡咯烷酮溶液浸渍处理，后放入160℃烘箱内烘烤50min。
步骤2：将步骤一中的碳纸置于网带炉中，以5℃/min加热至370℃，保温60min。
步骤3：将步骤2中的碳纸，在氮气保护气氛中，以10℃/min从室温升之1600℃，1600℃保温120min，关炉后随着炉温自然冷至300℃以下取出，得到成品碳纸。
在以上例子中，实施例1与对比例1，实施例2与对比例2，实施例3与对比例3在操作过程中仅步骤2采用不同的固化处理工艺。从此实施例与对比例可以看出采用激光照射固化碳纸与普通加热固化碳纸处理工艺，在最终得到碳纸的性能上无明显差异。激光固化处理；碳纸固化过程中，激光设备消耗功率远小烘箱，用时上激光明显小于传统的加热固化。
样品 密度(g/cm3) 抗拉强度(MPa) 电阻率(mΩ·cm) 固化处理时间(min)
实施例1 4.65 39.86 8.56 2
对比例1 4.59 40.02 8.44 96
实施例2 5.11 44.26 9.29 2
对比例2 5.18 44.16 9.31 94
实施例3 5.44 50.19 7.89 2
对比例3 5.49 50.17 7.92 134
表1采用激光照射固化碳纸与普通加热固化碳纸处理工艺比对表
综上所述，本发明提出的碳纸制备工艺，可提高制备产品的品质，同时提高操作的简便性，提高工作效率，降低能耗。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种碳纸制备工艺，其特征在于，所述碳纸制备工艺中在采用激光快速加热固化树脂；碳纸制备工艺包括如下步骤：
步骤S1、选用碳纸坯体密度为10～20g/m2，在浓度范围为0.1～0.2g/ml的酚醛树脂、呋喃树脂脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚酰亚胺其中一种树脂溶液中进行浸渍，而后放入80～160℃烘箱内烘烤20～50min；
步骤S2、采用YAG或CO2激光器，激光设定功率密度100～200w/mm2,照射时间10-4s，对步骤S1中碳纸双面进行面扫固化处理；
步骤S3、将经过步骤S2处理的碳纸，在氮气保护气氛中，以10℃/min，从室温升至1600℃，1600℃保温120min，关炉后随着炉温自然冷却至300℃以下取出，得到成品碳纸。
2.一种碳纸制备工艺，其特征在于，所述碳纸制备工艺中在采用激光快速加热固化树脂。
3.根据权利要求2所述的碳纸制备工艺，其特征在于：
所述碳纸制备工艺包括如下步骤：
步骤S1、将碳纸坯体在设定树脂溶液中进行浸渍第一设定时间；将经过浸渍后的碳纸坯体烘烤第二设定时间；
步骤S2、采用激光器照射经过步骤S1处理的碳纸坯体第三设定时间，对碳纸双面进行面扫固化处理；
步骤S3、将经过步骤S2处理后的碳纸，在设定保护气氛中，以设定速度将温度从第一温度升温至第二温度，在第三温度保温第四设定时间，而后冷却至第四设定温度取出，得到成品碳纸。
4.根据权利要求3所述的碳纸制备工艺，其特征在于：
步骤S1中，碳纸坯体密度为10～20g/m2。
5.根据权利要求3所述的碳纸制备工艺，其特征在于：
步骤S1中，树脂溶液为酚醛树脂、呋喃树脂脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚酰亚胺中的至少一个。
6.根据权利要求5所述的碳纸制备工艺，其特征在于：
所述树脂溶液的浓度范围为0.1～0.2g/ml。
7.根据权利要求3所述的碳纸制备工艺，其特征在于：
步骤S1中，将经过浸渍后的碳纸坯体放入80～160℃烘箱内烘烤20～50min。
8.根据权利要求3所述的碳纸制备工艺，其特征在于：
步骤S2中，采用YAG或CO2激光器，激光设定功率密度100～200w/mm2,照射时间为10-4s。
9.根据权利要求3所述的碳纸制备工艺，其特征在于：
步骤S3中，保护气氛为氮气、氩气、氦气中的至少一种保护气氛。
10.根据权利要求3所述的碳纸制备工艺，其特征在于：
步骤S3中，在氮气保护气氛中，以10℃/min，从室温升至1600℃，在1600℃保温120min，关炉后随着炉温自然冷却至300℃以下取出，得到成品碳纸。
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