CN114288760A - 一种燃料电池阴极空滤吸附滤材及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池阴极空滤吸附滤材及其应用，属于吸附滤材制备技术领域，由原纸基材表面涂布增强液得到，原纸基材由以下步骤制成：将纤维原料碎解，加入吸附剂和助剂，搅拌后加入水调节混合浆料的固含量为0.2‑1％，抄纸，抽吸脱水，得到原纸基材；增强液为增强剂的水溶液，增强剂包括以下质量百分比的原料：碱改性剂5‑20％、胶黏剂5‑10％、吸附剂70‑85％、改性石墨烯5‑20％，本发明在原纸基材和增强液中都加入了吸附剂，将物理吸附和化学氧化相结合，提高吸附处理效率，并且在增强液中添加了改性石墨烯，一方面赋予滤材较好的阻燃防护效果，另一方面加强其过滤吸附性能。

Description

一种燃料电池阴极空滤吸附滤材及其应用

技术领域

本发明属于吸附滤材制备技术领域，具体涉及一种燃料电池阴极空滤吸附滤材及其应用。

背景技术

空气中含有的有害气体会对燃料电池的催化剂造成不可逆转的损害，从而导致反应堆性能下降，具有有害气体吸附功能的阴极空滤可以保护催化剂不受这些气体的影响，极大程度地延长燃料电池系统的使用寿命，同时，阴极空滤还可以过滤空气中的固体颗粒，避免系统磨损及通道阻塞。

目前市面上主流用燃料电池阴极空滤芯多用夹碳无纺布进行打折加工，该滤材电镜图如说明书附图中图1所示，表层为过滤层用于过滤颗粒，而中间为活性炭层用于吸附去除二氧化硫、氨气，氮氧化物等有害气体。但是这种滤材比较厚，且阻力非常大，一方面需要专门的打折机器，另一方面由于较厚单位面积上的折数较少，加工后整个滤芯的阻力会偏大。

而在最新的技术中，2020年底第二代MIRAI上市，其燃料电池阴极空滤如说明书附图中图2所示，将过滤和化学吸附滤芯进行分开，其化学吸附滤芯为采用吸附剂浸渍在蜂窝结构上，在日本丰田纺织的US10046271专利中也对该专利进行了描述，燃料电池蜂窝的吸附剂主要为活性炭的锰类金属氧化物组成。但是该类化学滤芯受到了蜂窝孔大小的限制，同时该种方式如做成圆筒滤芯工艺会比较复杂，活性炭的比例和需要大量胶黏剂会影响到吸附效果。

而在同济大学CN101439250B专利中，对一种燃料电池空滤器进行了描述，该滤清器采用过滤和化学吸附分开的吸附方式，其中化学吸附主要为柱状滤芯塞活性炭，但是该种方案仍然没有解决活性炭过多导致的掉粉及阻力大问题。

在WO2005091415专利中，描述了用一种蜂窝式滤芯，在蜂窝式滤芯上涂覆吸附剂，该种方式化学滤芯仍然需要胶黏剂，且蜂窝口的大小难以做小，单位面积的活性炭吸附量有限。

由于燃料电池阴级空滤主要靠空压机进行负压进气，如阴级空滤的阻力过大着会影响实际的能耗及装车成本，在以上的描述的几种方案中，夹碳无纺布和CN101439250B中描述的碳吸附层原理差不多，在滤芯中由于活性炭的堆积，实际加工后都存在滤芯阻力比较大的问题；

而丰田纺织的US10046271专利与WO2005091415专利描述的原理差不多，都是在蜂窝滤芯上浸渍胶黏剂和改性吸附剂，从阻力上比较，丰田纺织的蜂窝阻力要更低，然而两种方案都存在着孔通道的大小面积影响着吸附剂的含量，同时需要胶粘剂会容易把活性炭堵孔造成吸附性能下降。

而本方案主要解决以上存在的活性炭易脱落、阻力大、加工难、胶黏剂多等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池阴极空滤吸附滤材，以解决背景技术中的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种燃料电池阴极空滤吸附滤材，由原纸基材表面涂布增强液得到，涂布方式为棍式涂布或帘式涂布；

该燃料电池阴极空滤吸附滤材由以下步骤制成：

第一步、制备原纸基材：将纤维原料碎解20min，然后加入吸附剂和助剂，搅拌20-30min后转移至抄前池，向抄前池中加入水调节混合浆料的固含量为0.2-1％，抄纸，抽吸脱水至含水率为45-55％，得到原纸基材，纤维原料、吸附剂、助剂质量比为3.6-4.1：4.8-5.1：0.5-0.8；

第二步、辊涂增强液：将原纸基材置于增强液浸渍槽中，采用辊涂方式进行两面上胶，然后在110-130℃下热风干燥，得到燃料电池阴极空滤吸附滤材。

进一步地，纤维原料、吸附剂和助剂的质量比为3.6-4.1：4.8-5.1：0.5-0.8，助剂由聚丙烯酰胺和聚酰胺环氧氯丙烷按照质量比1：1-3混合而成，纤维原料由增强纤维和木浆纤维按照质量比70-90：10-30组成，增强纤维由PET纤维、双熔点PET纤维、玻璃纤维按照质量比60-70：10：10-20组成，木浆纤维直径为10-50μm，PET纤维直径为2-20μm，双熔点PET纤维直径为10-20μm，玻璃纤维直径为0.5-5μm。

进一步地，增强液由增强剂和水按照质量比6-7：100混合而成，增强剂包括以下质量百分比的原料：碱改性剂5-20％、胶黏剂5-10％、吸附剂70-85％、改性石墨烯5-20％。

进一步地，吸附剂由以下步骤制成：

配制浓度0.4-0.5g/L的高锰酸钾溶液，加入活性炭纤维，超声振荡3h后静置36-72h，抽滤，滤饼用去离子水洗涤3-5次后置于100℃烘箱中干燥至恒重，球磨后过500目网筛，得到粒径为5-25um产物，即为吸附剂，活性炭纤维和高锰酸钾溶液的用量比为1g：10mL。

进一步地，碱改性剂为氢氧化钾、氢氧化钠和碳酸氢钠中的一种或多种按照任意比例混合。

进一步地，胶黏剂为硅酸钠胶黏剂、氧化铜-磷酸胶黏剂、环氧树脂胶黏剂、三醛胶黏剂、聚氨酯胶黏剂、丙烯酸酯胶黏剂、改性酚醛胶黏剂和聚醋酸乙烯胶黏剂中的一种或多种按照任意比例混合。

进一步地，改性石墨烯由以下步骤制成：

步骤B1、将聚磷酸铵溶于无水乙醇中，升温至50℃，滴加正硅酸乙酯、氨水乙醇混合液，保温反应2h，干燥去除溶剂，得到微胶囊，将微胶囊分散于甲苯中，加入KH-550，60℃水浴下搅拌反应24h，然后离心，洗涤干燥，得到氨基微胶囊，将氨基微胶囊超声分散在去离子水中，加入氧化石墨烯分散液后转移至水热反应釜中，55℃下搅拌反应6h，离心，沉淀用去离子水洗涤3-5次，60℃下干燥至恒重，得到中间产物a；

其中，聚磷酸铵、无水乙醇、正硅酸乙酯、氨水乙醇混合液的用量比为20g：100mL：8g：100-110mL，氨水乙醇混合液由质量分数25％的氨水溶液、无水乙醇、去离子水按照体积比3：3：2混合而成，微胶囊、甲苯、KH-550用量比为4.8-5.2g：50-60mL：2.5-3.4mL，氨基微胶囊、去离子水、氧化石墨烯分散液的用量比为0.4g：20mL：10mL，氧化石墨烯分散液的质量浓度为3mg/mL，以正硅酸乙酯和氧化石墨烯为原料，聚磷酸铵为包埋物，制备出中间产物a；

步骤B2、将中间产物a加入质量分数40％的乙醇溶液中，然后加入浓度0.25mol/L的碳酸钠溶液调节pH至9，然后加入硝酸铜和硝酸锰的混合溶液，室温条件下搅拌反应2h，过滤，滤饼于80℃下干燥至恒重，然后于200℃下马弗炉中焙烧1h，得到中间产物b；

其中，中间产物a、乙醇溶液、硝酸铜和硝酸锰的混合溶液的用量比为12.6-18.7g：180mL：18.8-20.5mL，硝酸铜和硝酸锰的混合溶液为浓度0.25mol/L的硝酸铜溶液和浓度0.25mol/L的硝酸锰溶液按照体积比1：2混合而成；采用共沉淀法在中间产物a表面沉积铜锰氧化物层得到中间产物b；

步骤B3、将中间产物b加入质量分数40％的乙醇溶液中，然后加入含氮改性剂，室温下，搅拌反应8-12h，转速1000r/min条件下离心20min，沉淀用去离子水洗涤3-5次，最后于80℃下干燥至恒重，得到改性石墨烯，其中，中间产物b、乙醇溶液、含氮改性剂的用量比为10g：100mL：1.8-2.2g，利用偶氮改性剂分子与中间产物b发生接枝反应得到改性石墨烯。

进一步地，含氮改性剂由以下步骤制成：

步骤C1、将二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷加入去离子水中，搅拌5-8min后，通入氮气30min，加入抗坏血酸，搅拌5min后加入过氧化氢溶液，室温下，搅拌30min后加入N-乙烯基吡咯烷酮，60℃下搅拌反应12h，反应液用8000kDa透析袋于蒸馏水中透析2天，6h换一次水，透析产物于-45℃下冷冻干燥，得到吡咯基硅氧烷；

其中，二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷、去离子水、抗坏血酸、过氧化氢溶液和N-乙烯基吡咯烷酮的用量比为11.9g：150-170mL：0.1g：0.1mL：5g，过氧化氢溶液的质量分数为28％；以抗坏血酸和过氧化氢作为引发剂，使二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷和N-乙烯基吡咯烷酮发生加成反应得到吡咯基硅氧烷；

步骤C2、将季戊四醇和三氯氧磷加入反应瓶中，氮气保护下，60℃下搅拌1-1.5h，升温至105℃反应9-11h，然后减压蒸馏出过量的三氯氧磷，反应产物80℃下真空干燥至恒重，得到磷酸酯酰氯，季戊四醇和三氯氧磷的摩尔比为1：5，利用季戊四醇和三氯氧磷发生消去HCl反应得到磷酸酯酰氯；

步骤C3、将磷酸酯酰氯溶于DMF中，冰水浴条件下加入吡咯基硅氧烷，搅拌5-10min后，升温至80℃保温反应6-8h，过滤，滤液减压蒸馏，得到含氮改性剂；

其中，磷酸酯酰氯、DMF和吡咯基硅氧烷的用量比为0.05mol：250ml：0.12mol，使磷酸酯酰氯和吡咯基硅氧烷发生接枝反应得到含氮改性剂。

一种燃料电池阴极空滤吸附滤材，能够应用于汽车滤清器中，可以采用打折加工来制造流通通道，特别是通过折数的多少来调节通道的疏密程度，通过单位面积折数的多少可以控制进气口大小。

本发明的有益效果：

1、本发明在原纸基材制备过程中加入吸附剂，该吸附剂为负载高锰酸钾的活性炭粉末，物理吸附和化学氧化相结合，使高锰酸钾负载与活性炭表面，使活性炭表面官能团活性得到强化，提高吸附处理效率。

2、本发明在增强液中添加了改性石墨烯，一方面赋予滤材较好的阻燃防护效果，另一方面加强其过滤吸附性能，具体是以聚磷酸铵为潜伏阻燃剂，利用自组装法构筑石墨烯包覆层得到中间产物a，这种方法沉积的石墨烯不仅可以有效减少片层间的重叠，还可以获得相互贯通的多孔孔道结构，加快传质速率，提高吸附效果，然后通过共沉淀法在中间产物a的表面沉积铜锰氧化物得到中间产物b，铜锰氧化物具有优异的CO去除作用，还对各种烯烃、炔烃、芳香烃等有机化合物有氧化作用，提高对有机污染物的分解效率，最后通过含氮改性剂对中间产物b进行表面改性处理，一方面，增加中间产物b与增强液的相容性，另一方面，赋予中间产物b更强的阻燃性能和去污性能，阻燃性能主要体现在含氮改性剂含有次C、N、P、Si等阻燃元素，去污性能主要体现在含氮改性剂中含有吡咯结构，吡咯结构属于含氮官能团可以提供碱性吸附位，对硫氮污染物酸性气体具有较强的吸附亲和力和氧化催化活性，本发明的滤纸相当于具有两道过滤和两道吸附过程，分别由增强液层和原纸基材体现，因此，本发明制备的吸附材料具有较高的实用价值。

3、本发明制备吸附滤材应用的加工方式特别简单，可以用于直接打折替代现有的夹碳布工艺，可以通过调整打折的高度和折数对入口大孔隙进行调整，从而可以改进进口的大小，该种工艺存在设计方便、适应不同打折机。

4、本发明制备吸附滤材上吸附剂不易脱落，同时改性石墨烯、碱性液体可以负载在纤维上，黏胶剂含量少，节约成本的同时健康环保。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是背景技术中市面主流燃料电池阴极空滤芯夹碳无纺布打折加工滤材的电镜图；

图2是背景技术中过滤和化学吸附滤芯分开的电池阴极空滤的结构示意图；

图3是本发明实施例5所得燃料电池阴极空滤吸附滤材的电镜微观图；

图4本发明实施例6所得燃料电池阴极空滤吸附滤材打折形成单层进气通道的结构示意图；

图5为发明实施例6所得燃料电池阴极空滤吸附滤材打折堆叠形成多层进气通道的滤芯结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明提供一种含氮改性剂，由以下步骤制成：

步骤C1、将11.9g二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷加入150mL去离子水中，搅拌5min后，通入氮气30min，加入0.1g抗坏血酸，搅拌5min后加入0.1mL质量分数为28％的过氧化氢溶液，室温下，搅拌30min后加入N-乙烯基吡咯烷酮，60℃下搅拌反应12h，反应液用8000kDa透析袋于蒸馏水中透析2天，6h换一次水，透析产物于-45℃下冷冻干燥，得到吡咯基硅氧烷；

步骤C2、将季戊四醇和三氯氧磷加入反应瓶中，氮气保护下，60℃下搅拌1h，升温至105℃反应9h，然后减压蒸馏出过量的三氯氧磷，反应产物80℃下真空干燥至恒重，得到磷酸酯酰氯，季戊四醇和三氯氧磷的摩尔比为1：5；

步骤C3、将0.05mol磷酸酯酰氯溶于250ml DMF中，冰水浴条件下加入0.1mol吡咯基硅氧烷，搅拌5min后，升温至80℃保温反应6h，过滤，滤液减压蒸馏，得到含氮改性剂。

实施例2

本发明提供一种含氮改性剂，由以下步骤制成：

步骤C1、将11.9g二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷加入170mL去离子水中，搅拌8min后，通入氮气30min，加入0.1g抗坏血酸，搅拌5min后加入0.1mL质量分数为28％的过氧化氢溶液，室温下，搅拌30min后加入N-乙烯基吡咯烷酮，60℃下搅拌反应12h，反应液用8000kDa透析袋于蒸馏水中透析2天，6h换一次水，透析产物于-45℃下冷冻干燥，得到吡咯基硅氧烷；

步骤C2、将季戊四醇和三氯氧磷加入反应瓶中，氮气保护下，60℃下搅拌1.5h，升温至105℃反应11h，然后减压蒸馏出过量的三氯氧磷，反应产物80℃下真空干燥至恒重，得到磷酸酯酰氯，季戊四醇和三氯氧磷的摩尔比为1：5；

步骤C3、将0.05mol磷酸酯酰氯溶于250ml DMF中，冰水浴条件下加入0.1mol吡咯基硅氧烷，搅拌10min后，升温至80℃保温反应8h，过滤，滤液减压蒸馏，得到含氮改性剂。

实施例3

本实施例提供一种改性石墨烯，由以下步骤制成：

步骤B1、将20g聚磷酸铵溶于100mL无水乙醇中，升温至50℃，滴加8g正硅酸乙酯、100mL氨水乙醇混合液，保温反应2h，干燥去除溶剂，得到微胶囊，将4.8g微胶囊分散于50mL甲苯中，加入2.5mL KH-550，60℃水浴下搅拌反应24h，然后离心，洗涤干燥，得到氨基微胶囊，将0.4g氨基微胶囊超声分散在20mL去离子水中，加入10mL氧化石墨烯分散液后转移至水热反应釜中，55℃下搅拌反应6h，离心，沉淀用去离子水洗涤3次，60℃下干燥至恒重，得到中间产物a，氨水乙醇混合液由质量分数25％的氨水溶液：无水乙醇、去离子水按照6mL：60mL：40mL混合而成，氧化石墨烯分散液的质量浓度为3mg/mL；

步骤B2、将18.7g中间产物a加入180mL质量分数40％的乙醇溶液中，然后加入浓度0.25mol/L的碳酸钠溶液调节pH至9，然后加入20.5mL硝酸铜和硝酸锰的混合溶液，室温条件下搅拌反应2h，过滤，滤饼于80℃下干燥至恒重，然后于200℃下马弗炉中焙烧1h，得到中间产物b，硝酸铜和硝酸锰的混合溶液为浓度0.25mol/L的硝酸铜溶液和浓度0.25mol/L的硝酸锰溶液按照体积比1：2混合而成；

步骤B3、将10g中间产物b加入100mL质量分数40％的乙醇溶液中，然后加入1.8g实施例1的含氮改性剂，室温下，搅拌反应12h，转速1000r/min条件下离心20min，沉淀用去离子水洗涤5次，最后于80℃下干燥至恒重，得到改性石墨烯。

实施例4

本实施例提供一种改性石墨烯，由以下步骤制成：

步骤B1、将20g聚磷酸铵溶于100mL无水乙醇中，升温至50℃，滴加8g正硅酸乙酯、110mL氨水乙醇混合液，保温反应2h，干燥去除溶剂，得到微胶囊，将5.2g微胶囊分散于60mL甲苯中，加入3.4mL KH-550，60℃水浴下搅拌反应24h，然后离心，洗涤干燥，得到氨基微胶囊，将0.4g氨基微胶囊超声分散在20mL去离子水中，加入10mL氧化石墨烯分散液后转移至水热反应釜中，55℃下搅拌反应6h，离心，沉淀用去离子水洗涤5次，60℃下干燥至恒重，得到中间产物a，氨水乙醇混合液由质量分数25％的氨水溶液：无水乙醇、去离子水按照6mL：60mL：40mL混合而成，氧化石墨烯分散液的质量浓度为3mg/mL；

步骤B2、将18.7g中间产物a加入180mL质量分数40％的乙醇溶液中，然后加入浓度0.25mol/L的碳酸钠溶液调节pH至9，然后加入20.5mL硝酸铜和硝酸锰的混合溶液，室温条件下搅拌反应2h，过滤，滤饼于80℃下干燥至恒重，然后于200℃下马弗炉中焙烧1h，得到中间产物b，硝酸铜和硝酸锰的混合溶液为浓度0.25mol/L的硝酸铜溶液和浓度0.25mol/L的硝酸锰溶液按照体积比1：2混合而成；

步骤B3、将10g中间产物b加入100mL质量分数40％的乙醇溶液中，然后加入2.2g实施例2的含氮改性剂，室温下，搅拌反应12h，转速1000r/min条件下离心20min，沉淀用去离子水洗涤5次，最后于80℃下干燥至恒重，得到改性石墨烯。

对比例1

本实施例提供一种改性石墨烯，由以下步骤制成：

将20g聚磷酸铵溶于100mL无水乙醇中，升温至50℃，滴加8g正硅酸乙酯、110mL氨水乙醇混合液，保温反应2h，干燥去除溶剂，得到微胶囊，将5.2g微胶囊分散于60mL甲苯中，加入3.4mL KH-550，60℃水浴下搅拌反应24h，然后离心，洗涤干燥，得到氨基微胶囊，将0.4g氨基微胶囊超声分散在20mL去离子水中，加入10mL氧化石墨烯分散液后转移至水热反应釜中，55℃下搅拌反应6h，离心，沉淀用去离子水洗涤5次，60℃下干燥至恒重，得到改性石墨烯，氨水乙醇混合液由质量分数25％的氨水溶液：无水乙醇、去离子水按照6mL：60mL：40mL混合而成，氧化石墨烯分散液的质量浓度为3mg/mL。

对比例2

本对比例为氧化石墨烯。

实施例5

一种燃料电池阴极空滤吸附滤材，由原纸基材表面涂布增强液得到；

该燃料电池阴极空滤吸附滤材由以下步骤制成：

第一步、制备原纸基材：将纤维原料碎解20min，然后加入吸附剂和助剂，搅拌20min后转移至抄前池，向抄前池中加入水调节混合浆料的固含量为0.2％，抄纸，抽吸脱水至含水率为45％，得到原纸基材，纤维原料、吸附剂、助剂质量比为3.6：4.8：0.5；

第二步、辊涂增强液：将原纸基材置于增强液浸渍槽中，采用辊涂方式进行两面上胶，然后在110℃下热风干燥，得到燃料电池阴极空滤吸附滤材。

其中，纤维原料、吸附剂和助剂的质量比为3.6：4.8：0.5，助剂由聚丙烯酰胺和聚酰胺环氧氯丙烷按照质量比1：1混合而成，纤维原料由增强纤维和木浆纤维按照质量比70：30组成，增强纤维由PET纤维、双熔点PET纤维、玻璃纤维按照质量比60：10：10组成，木浆纤维直径为10-50μm，PET纤维直径为2-20μm，双熔点PET纤维直径为10-20μm，玻璃纤维直径为0.5-5μm，增强液由增强剂和水按照质量比6-7：100混合而成。

所述增强剂包括以下质量百分比的原料：

氢氧化钾5％、胶黏剂5％、吸附剂70％、实施例3的改性石墨烯20％。

吸附剂由以下步骤制成：

配制浓度0.4g/L的高锰酸钾溶液，加入活性炭纤维，超声振荡3h后静置36h，抽滤，滤饼用去离子水洗涤3次后置于100℃烘箱中干燥至恒重，球磨过500目筛，得到吸附剂，活性炭纤维和高锰酸钾溶液的用量比为1g：10mL。

胶黏剂为硅酸钠胶黏剂、氧化铜-磷酸胶黏剂、环氧树脂胶黏剂按照质量比1：1：1混合而成。

对实施例5制备出的燃料电池阴极空滤吸附滤材进行检测，结果如图3所示。

实施例6

一种燃料电池阴极空滤吸附滤材，由原纸基材表面涂布增强液得到；

该燃料电池阴极空滤吸附滤材由以下步骤制成：

第一步、制备原纸基材：将纤维原料碎解20min，然后加入吸附剂和助剂，搅拌25min后转移至抄前池，向抄前池中加入水调节混合浆料的固含量为0.5％，抄纸，抽吸脱水至含水率为50％，得到原纸基材，纤维原料、吸附剂、助剂质量比为3.8：5.0：0.7；

第二步、辊涂增强液：将原纸基材置于增强液浸渍槽中，采用辊涂方式进行两面上胶，然后在120℃下热风干燥，得到燃料电池阴极空滤吸附滤材。

其中，纤维原料、吸附剂和助剂的质量比为3.8：4.9：0.7，助剂由聚丙烯酰胺和聚酰胺环氧氯丙烷按照质量比1：2混合而成，纤维原料由增强纤维和木浆纤维按照质量比80：20组成，增强纤维由PET纤维、双熔点PET纤维、玻璃纤维按照质量比65：10：15组成，木浆纤维直径为10-50μm，PET纤维直径为2-20μm，双熔点PET纤维直径为10-20μm，玻璃纤维直径为0.5-5μm，增强液由增强剂和水按照质量比6.5：100混合而成。

增强剂包括以下质量百分比的原料：

氢氧化钠10％、胶黏剂8％、吸附剂75％、实施例3的改性石墨烯7％。

吸附剂由以下步骤制成：

配制浓度0.4g/L的高锰酸钾溶液，加入活性炭纤维，超声振荡3h后静置48h，抽滤，滤饼用去离子水洗涤4次后置于100℃烘箱中干燥至恒重，球磨过500目筛，得到吸附剂，活性炭纤维和高锰酸钾溶液的用量比为1g：10mL。

胶黏剂为三醛胶黏剂、聚氨酯胶黏剂、丙烯酸酯胶黏剂、淀粉改性酚醛胶黏剂和聚醋酸乙烯胶黏剂按照质量比1：1：1：1：1混合。

如图4-5所示，将实施例5的滤材采用打折加工形成单层进气通道，然后进行堆叠形成滤芯，用于汽车滤清器中。

实施例7

一种燃料电池阴极空滤吸附滤材，由原纸基材表面涂布增强液得到；

该燃料电池阴极空滤吸附滤材由以下步骤制成：

第一步、制备原纸基材：将纤维原料碎解20min，然后加入吸附剂和助剂，搅拌30min后转移至抄前池，向抄前池中加入水调节混合浆料的固含量为1％，抄纸，抽吸脱水至含水率为55％，得到原纸基材，纤维原料、吸附剂、助剂质量比为4.1：5.1：0.8；

第二步、辊涂增强液：将原纸基材置于增强液浸渍槽中，采用辊涂方式进行两面上胶，然后在130℃下热风干燥，得到燃料电池阴极空滤吸附滤材。

其中，纤维原料、吸附剂和助剂的质量比为4.1：5.1：0.8，助剂由聚丙烯酰胺和聚酰胺环氧氯丙烷按照质量比1：3混合而成，纤维原料由增强纤维和木浆纤维按照质量比90：10组成，增强纤维由PET纤维、双熔点PET纤维、玻璃纤维按照质量比70：10：10组成，木浆纤维直径为10-50μm，PET纤维直径为2-20μm，双熔点PET纤维直径为10-20μm，玻璃纤维直径为0.5-5μm，增强液由增强剂和水按照质量比7：100混合而成。

增强剂包括以下质量百分比的原料：

碳酸氢钠10％、聚氨酯胶黏剂10％、吸附剂70％、实施例4的改性石墨烯10％。

所述吸附剂由以下步骤制成：

配制浓度0.5g/L的高锰酸钾溶液，加入活性炭纤维，超声振荡3h后静置72h，抽滤，滤饼用去离子水洗涤5次后置于100℃烘箱中干燥至恒重，球磨过500目筛，得到吸附剂，活性炭纤维和高锰酸钾溶液的用量比为1g：10mL。

所述胶黏剂为硅酸钠胶黏剂、氧化铜-磷酸胶黏剂、环氧树脂胶黏剂、三醛胶黏剂、聚氨酯胶黏剂、丙烯酸酯胶黏剂、淀粉改性酚醛胶黏剂和聚醋酸乙烯胶黏剂中的一种或多种按照任意比例混合。

对比例3

将实施例5中的改性石墨烯替换成对比例1所得产品，其余原料及步骤同实施例5。

对比例4

将实施例6中的改性石墨烯替换成对比例2所得产品，其余原料步骤同实施例6。

对比例5

将实施例7中吸附剂替换成活性炭，其余原料及步骤同实施例7。

将实施例5-7和对比例3-5所得滤材进行测试，依据GB/T2406.2—2009标准测试滤材的极限氧指数(LOI)，样品尺寸为10mm×10mm×4mm；使用透气度测试仪测定透气性，测试过程压力为100Pa，测试面积为100cm²；根据GB/T454—2002测定滤纸耐破度；采用TS18130测试台测试各组滤材的过滤效率，通过光度计测量经过被测样品上下游颗粒物的浓度而计算出过滤效率，测试气溶胶采用质量中值直径为0.26μm的NaCl；测试结果如表1所示：

表1

项目	LOI(％)	耐破度/kPa	透气度(mm/s)	过滤效率(％)
					实施例5	28.4	288	198	99.3
实施例6	27.5	273	200	98.7
					实施例7	27.9	281	200	98.6
对比例3	24.7	264	188	85.8
					对比例4	22.3	259	162	81.4
对比例5	26.3	267	191	80.3

由表1可以看出，实施例5-7的滤材阻燃性能高，耐破度好，并且透气度高、过滤效率优异。

将实施例5-7和对比例3-5所得滤材进行有机气体去除性测试，测试过程如下：

以甲醛、氨气、硫化氢、二氧化氮为待测有机气体。

以甲醛气体的调制为例：将浓度0.6％的甲醛标准气体放进一个容量5L的PVF软质材质容器内，以普通空气将其稀释成3L(气体浓度0.008％-0.01％)后，将容器上的小活拴旋闭，得气体容器，准备一个与上述容器同样的容器，排出容器内的空气，再以热粘着膜或透明聚丙烯材质的胶布将切口密封，即为试验体容器。将上述的气体容器与试验容器以矽质软管连通，矽质软管内粘贴实施例6-8和对比例4-6所得滤材，并推挤气体容器，在温室下静置240min，以检知管分两次测定试验体容器中气体浓度，取平均值，计算有机气体的去除率，测试结果如表2所示：

表2

由表2可以看出，相比于对比例3-5，实施例5-7的滤材对有机气体的吸附率更好，具有更好的空气过滤性能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种燃料电池阴极空滤吸附滤材，由原纸基材表面涂布增强液得到，其特征在于，原纸基材由以下步骤制成：将纤维原料碎解后，加入吸附剂和助剂，搅拌后加入水调节混合浆料的固含量为0.2-1％，抄纸，抽吸脱水，得到原纸基材；增强液由增强剂和水按照质量比6-7：100混合而成，增强剂包括以下质量百分比的原料：碱改性剂5-20％、胶黏剂5-10％、吸附剂70-85％、改性石墨烯5-20％；

其中，吸附剂由以下步骤制成：

将活性炭纤维加入高锰酸钾溶液中超声振荡3h后静置36-72h，抽滤，滤饼洗涤干燥后，球磨过500目筛，得到吸附剂。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极空滤吸附滤材，其特征在于，纤维原料、吸附剂和助剂的质量比为3.6-4.1：4.8-5.1：0.5-0.8，助剂由聚丙烯酰胺和聚酰胺环氧氯丙烷按照质量比1：1-3混合而成。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极空滤吸附滤材，其特征在于，纤维原料由增强纤维和木浆纤维按照质量比70-90：10-30组成，增强纤维由PET纤维、双熔点PET纤维、玻璃纤维按照质量比60-70：10：10-20组成。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极空滤吸附滤材，其特征在于，碱改性剂为氢氧化钾、氢氧化钠和碳酸氢钠中的一种或多种按照任意比例混合。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极空滤吸附滤材，其特征在于，改性石墨烯由以下步骤制成：

步骤B1、将聚磷酸铵溶于无水乙醇中，升温至50℃，滴加正硅酸乙酯、氨水乙醇混合液，保温反应2h，干燥，得到微胶囊，将微胶囊分散于甲苯中，加入KH-550，60℃水浴下搅拌反应24h，然后离心，洗涤干燥，得到氨基微胶囊，将氨基微胶囊超声分散在去离子水中，加入氧化石墨烯分散液后转移至水热反应釜中，55℃下搅拌反应6h，离心，洗涤干燥，得到中间产物a；

步骤B2、将中间产物a加入乙醇溶液中，调节pH至9，加入硝酸铜和硝酸锰的混合溶液，室温条件下搅拌反应2h，过滤，滤饼于80℃下干燥至恒重，200℃下焙烧1h，得到中间产物b；

步骤B3、将中间产物b加入乙醇溶液中，加入含氮改性剂，搅拌反应8-12h，离心，洗涤，干燥，得到改性石墨烯。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池阴极空滤吸附滤材，其特征在于，步骤B1中氧化石墨烯分散液的质量浓度为3mg/mL，步骤B2中硝酸铜和硝酸锰的混合溶液为浓度0.25mol/L的硝酸铜溶液和浓度0.25mol/L的硝酸锰溶液按照体积比1：2混合而成。

7.根据权利要求5所述的一种燃料电池阴极空滤吸附滤材，其特征在于，含氮改性剂由以下步骤制成：

步骤C1、将二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷加入去离子水中，通入氮气，加入抗坏血酸，搅拌后加入过氧化氢溶液，再加入N-乙烯基吡咯烷酮，60℃下搅拌反应12h，后处理，得到吡咯基硅氧烷；

步骤C2、将季戊四醇和三氯氧磷混合，氮气保护下，60℃下搅拌1-1.5h，升温至105℃反应9-11h，后处理，得到磷酸酯酰氯；

步骤C3、将磷酸酯酰氯溶于DMF中，冰水浴条件下加入吡咯基硅氧烷，搅拌后升温至80℃保温反应6-8h，后处理，得到含氮改性剂。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极空滤吸附滤材在汽车滤清器中的应用。

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