CN115538210A - 一种提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法 - Google Patents

一种提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，该方法将质量份0.1‑0.5g的碳纳米纤维加入到15‑25ml的乙醇中，然后超声处理30‑50min，再将超声后的溶液应用于喷雾涂布机对碳纸进行喷雾涂布，涂布后将碳纸放入平板硫化床中，设定上板温度为110‑130℃，下板温度为110‑130℃，压力为5‑7MPa，通过平板硫化床将碳纸压15‑25min，从而得到涂布碳纳米纤维加填后的碳纸。本发明能够保证碳纳米纤维作为加填剂在碳纸抄造过程中留着率，进而改善碳纸的强度与导电性。

Description

一种提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法
技术领域
本发明涉及碳纸抄造技术领域，特别涉及一种提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法。
背景技术
碳纸是质子交换膜燃料电池中气体扩散层的基体材料，具有成本低、导电性高、耐腐蚀性好及稳定性出色等特点。目前国产碳纸在机械强度、导电性等性能上仍有提高的空间，其主要原因在于碳纸的纤维原料—碳纤维是一种惰性纤维材料，即缺乏活性基团，因此造成了纤维间无连接。碳纳米纤维(CNFs)直径一般为10～500nm，具有高比表面积、高比强度、高比模量、良好的导热导电、热稳定性等性能。因此在碳纸的抄造过程中，将CNFs作为加填剂，能够有效填补碳纤维之间的孔隙，从而可改善碳纸的力学性能与导电性。目前CNFs的添加工序主要是在混浆池中加入，即与碳纤维进行混合后进行湿法抄造。然而由于CNFs的粒径较小，导致CNFs在碳纸中的留着率较低，据测算目前普通的制备方法制得的碳纸中CNFs的留着率仅为20％-30％。因此如何研发一种能够有效提高碳纳米纤维(CNFs)在碳纸中留着率的方法，成为了业界亟待解决的课题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法。本发明能够有效提高碳纳米纤维作为加填剂在碳纸抄造过程中的留着率，进而改善碳纸的强度与导电性。
本发明的技术方案：一种提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，将质量份0.1-0.5g的碳纳米纤维加入到15-25ml的乙醇中，然后超声处理30-50min，再将超声后的溶液应用于喷雾涂布机对碳纸进行喷雾涂布，涂布后将碳纸放入平板硫化床中，设定上板温度为110-130℃，下板温度为110-130℃，压力为5-7MPa，通过平板硫化床对碳纸压15-25min，从而得到涂布碳纳米纤维加填后的碳纸。
上述的提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，将质量份0.2g的碳纳米纤维加入到20mL的乙醇中，然后超声处理40min，再将涂布液应用于喷雾涂布机对碳纸进行涂布，将涂布后的碳纸放入平板硫化床中，设定上板温度为120℃，下板温度为120℃，压力为6MPa，通过平板硫化床对碳纸压20min，从而得到涂布碳纳米纤维加填后的碳纸。
前述的提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，在喷雾涂布机涂布的碳纸是通过碳纤维浆料利用湿法抄制得到。
前述的提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，在碳纸涂布之前，先将碳纸两面覆盖硫酸纸，并将其置于纸张烘干机中，设置温度120℃进行烘干2h。
前述的提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，所述浆料的制备是按质量份取1-2g的碳纤维与0.2-0.6g的聚乙烯醇纤维于疏解桶中，加入380-420mL的去离子水，然后在疏解桶中加入3-8mL的浓度为0.1mol/L的聚氧化乙烯作为分散剂,并对其进行疏解20-40min，疏解后得到浆料。
前述的提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，所述浆料的制备是按质量份取1.4g的碳纤维与0.4g的聚乙烯醇纤维于疏解桶中，加入400mL的去离子水，然后在疏解桶中加入5mL的浓度为0.1mol/L的聚氧化乙烯作为分散剂,并对其进行疏解30min，疏解后得到浆料。
与现有技术相比，本发明将碳纳米纤维进行分散后，利用喷雾涂布机对碳纸进行喷雾涂布，提高碳纳米纤维留着率的同时可使碳纳米纤维能够加填到碳纸的纤维空隙中，并利用热压的方式进而将碳纸变成紧密的状态，从而最大程度地将提高碳纳米纤维在碳纸中的留着率，进而有效提高碳纸的成型强度与导电性。本技术的创新点在于使用喷雾涂布法，将碳纳米纤维定量地喷涂到碳纸上，保证碳纳米纤维的留着率为100％。本发明与常规性的添加PEO作为分散剂来提高CNFs在水中的分散性来比较，将CNFs直接分散于乙醇中不需要分散剂，且乙醇的沸点低，在喷雾式涂布过程中，即有较多的乙醇已挥发掉，大幅降低了碳纸在后续过程中的热量投入。
附图说明
图1是实施例4的原理过程示意图；
图2是不同实施例得到的碳纸电阻率；
图3是不同实施例得到的碳纸的拉伸强度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：一种提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，将质量份0.3g的碳纳米纤维加入到25mL的乙醇中，然后超声处理45min，再将超声后的溶液应用于喷雾涂布机对碳纸进行喷雾涂布，涂布后将碳纸放入平板硫化床中，设定上板温度为110℃，下板温度为130℃，压力为7MPa，通过平板硫化床对碳纸压25min，从而得到涂布碳纳米纤维加填后的碳纸。
实施例2：一种提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，将质量份0.1g的碳纳米纤维加入到15mL的乙醇中，然后超声处理35min，再将超声后的溶液应用于喷雾涂布机对碳纸进行喷雾涂布，涂布后将碳纸放入平板硫化床中，设定上板温度为125℃，下板温度为125℃，压力为5MPa，通过平板硫化床对碳纸压18min，从而得到涂布碳纳米纤维加填后的碳纸。
实施例3：一种提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，将质量份0.2g的碳纳米纤维加入到20mL的乙醇中，然后超声处理40min，再将超声后的溶液作为填料应用于喷雾涂布机对碳纸进行涂布，涂布后将碳纸放入平板硫化床中，设定上板温度为120℃，下板温度为120℃，压力为6MPa，通过平板硫化床对碳纸压20min，从而得到涂布碳纳米纤维加填后的碳纸。
实施例4：一种提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，按质量份取1.8g的碳纤维与0.5g的聚乙烯醇纤维于疏解桶中，加入410mL的去离子水，然后在疏解桶中加入8mL的浓度为0.1mol/L的聚氧化乙烯作为分散剂,并对其进行疏解25min，疏解后得到浆料，再将疏解后的浆料进行抄制得到碳纸，然后将碳纸两面覆盖硫酸纸，并将其置于纸张烘干机中，设置温度120℃进行烘干2h，烘干后的碳纸备用。
将质量份0.2g的碳纳米纤维加入到20mL的乙醇中，然后超声处理40min，再将超声后的溶液作为填料应用于喷雾涂布机对烘干后的碳纸进行涂布，涂布后将碳纸放入平板硫化床中，设定上板温度为120℃，下板温度为120℃，压力为6MPa，通过平板硫化床对碳纸压20min，从而得到涂布碳纳米纤维涂布后的碳纸。
实施例5：一种提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，如图1所示，按质量份取1.4g的碳纤维与0.4g的聚乙烯醇纤维于疏解桶中，加入400mL的去离子水，然后在疏解桶中加入5mL的浓度为0.1mol/L的聚氧化乙烯作为分散剂,并对其进行疏解30min，疏解后得到浆料，再将疏解后的浆料进行抄制得到碳纸，然后将碳纸两面覆盖硫酸纸，并将其置于纸张烘干机中，设置温度120℃进行烘干2h，烘干后的碳纸备用。
将质量份0.2g的碳纳米纤维加入到20ml的乙醇中，然后超声处理40min，再将超声后的溶液作为填料应用于喷雾涂布机对烘干后的碳纸进行涂布，涂布后将碳纸放入平板硫化床中，设定上板温度为120℃，下板温度为120℃，压力为6MPa，通过平板硫化床对碳纸压20min，从而得到涂布碳纳米纤维加填后的碳纸。
对比例：采用常规方法添加碳纳米纤维的碳纸，其制备是将CNFs与碳纤维进行混合后，加入一定量的PVA(粘胶纤维，仅起到粘胶的作用)与PEO(分散剂)，共同进行湿法抄造。
注：湿法抄造为现有常规的造纸工艺。
申请人对实施例1-5进行留存率的测定，测定方式是先将碳纳米纤维进行荧光标记处理，获得荧光标记的碳纳米纤维，再将荧光标记的碳纳米纤维作为加填剂进行碳纸的抄造，并收集纸张抄造成型后的白水，最后运用分光光度计测定白水的吸光度，根据白水的吸光度计算出碳纸中碳纳米纤维的留着率，其留着率结果如下：
留着率
实施例1 100％
实施例2 100％
实施例3 100％
实施例4 100％
实施例5 100％
对比例1 30.2％
表1
从表1可以看出，本发明实施例中CNFs的留着率相比对比例而言，本发明通过使用喷雾涂布法将碳纳米纤维定量地喷涂到碳纸上，可以保证碳纳米纤维的留着率为100％，不会造成无法留着的问题。进一步的，申请人对各实施例1进行了碳纸电阻率和拉伸强度的检测，其结果如图2和图3所示。图2是不同实施例得到的碳纸电阻率，图3是不同实施例得到的碳纸的拉伸强度。可以看出，实施例4和实施例5中的制备工艺，由于优化了碳纳米纤维与分散剂及粘胶纤维的比例，可以进一步的改善碳纸的纤维空隙，进而有利于碳纳米纤维在碳纸中的均匀分布，从而影响其拉伸强度与电阻率。
综上所述，本发明能够保证碳纳米纤维作为助剂在碳纸抄造过程中留着率，进而提高碳纸的强度与导电性能。

Claims (6)

1.一种提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，其特征在于：将质量份0.1-0.5g的碳纳米纤维加入到15-25ml的乙醇中，然后超声处理30-50min，再将超声后的溶液应用于喷雾涂布机对碳纸进行喷雾涂布，涂布后将碳纸放入平板硫化床中，设定上板温度为110-130℃，下板温度为110-130℃，压力为5-7MPa，通过平板硫化床将碳纸压15-25min，从而得到涂布碳纳米纤维加填后的碳纸。
2.根据权利要求1所述的提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，其特征在于：将质量份0.2g的碳纳米纤维加入到20mL的乙醇中，然后超声处理40min，再将超声后的溶液应用于喷雾涂布机对碳纸进行喷雾涂布，将涂布后的碳纸放入平板硫化床中，设定上板温度为120℃，下板温度为120℃，压力为6MPa，通过平板硫化床将碳纸压20min，从而得到涂布碳纳米纤维加填后的碳纸。
3.根据权利要求1或2所述的提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，其特征在于：在喷雾涂布机涂布的碳纸是通过碳纤维浆料利用湿法抄制得到。
4.根据权利要求1或2所述的提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，其特征在于：在碳纸涂布之前，先将碳纸两面覆盖硫酸纸，并将其置于纸张烘干机中，设置温度120℃进行烘干2h。
5.根据权利要求3所述的提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，其特征在于：所述碳纤维浆料的制备是按质量份取1-2g的碳纤维与0.2-0.6g的聚乙烯醇纤维于疏解桶中，加入380-420mL的去离子水，然后在疏解桶中加入3-8mL的浓度为0.1mol/L的聚氧化乙烯作为分散剂,并对其进行疏解20-40min，疏解后得到浆料。
6.根据权利要求5所述的提高碳纸中碳纳米纤维留着率的方法，其特征在于：所述碳纤维浆料的制备是按质量份取1.4g的碳纤维与0.4g的聚乙烯醇纤维于疏解桶中，加入400mL的去离子水，然后在疏解桶中加入5mL的浓度为0.1mol/L的聚氧化乙烯作为分散剂,并对其进行疏解30min，疏解后得到浆料。
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