CN115613390A - 一种炭纤维纸及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种炭纤维纸及其制备方法。通过采用聚硅二乙炔基苯、噁唑烷酮改性环氧树脂中的一种或两种作为粘结剂得到一种炭纤维纸，具有良好的机械强度及稳定性。适用于电池材料气体扩散层的工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种炭纤维纸及其制备方法，属于燃料电池扩散层技术领域。
背景技术
气体扩散层，在燃料电池中有极为重要的作用，其承担着集电、物质传输和分配、热传导等作用，构成气体扩散层的碳纤维纸层材料性能好坏直接影响燃料电池的性能。因此，碳纤维纸层材料要同事具有高导电性、高气体扩散性、高气体分配性等功能。同时，为了增强燃料电池装配及使用过程中的可靠性，气体扩散层材料同样需要一定的强度和稳定性。
在民用复合材料制品中，为降低产品成本，往往采用通用环氧树脂品种，产品性能难以提高，常规的改性方法难以兼顾材料韧性和稳定性。
因此，本领域亟需一种燃料电池用气体扩散层，所述气体扩散层在具有良好的传质能力、导电性和透气性的同时具有较强的机械强度，从而提高燃料电池性能、可靠性和稳定性。
发明内容
本发明针对燃料电池扩散层现有技术存在的不足，提供一种炭纤维纸及其制备方法。
通过采用聚硅二乙炔基苯、噁唑烷酮改性环氧树脂中的一种或两种作为粘结剂得到一种炭纤维纸，提高强度、耐热性以及与增强纤维的粘结性。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种炭纤维纸，其特征在于，所述的炭纤维纸采用聚硅二乙炔基苯、噁唑烷酮改性环氧树脂中的一种或两种作为粘结剂。
进一步的，所述粘结剂占碳纤维纸的1~30wt%。
一种炭纤维纸制备方法，其特征在于，采用聚硅二乙炔基苯、噁唑烷酮改性环氧树脂中的一种或两种作为粘结剂，具体步骤如下：步骤1：炭纤维分散，将含有分散剂和炭纤维的混合物置于水中，打浆使得炭纤维分散均匀，形成悬浮液；
步骤2：纸成型，使用湿法抄纸方法将上述悬浮液进行抄纸，形成炭纤维原纸；
步骤3：增强固化，将炭纤维原纸浸渍于添加了聚硅二乙炔基苯、噁唑烷酮改性环氧树脂中的一种或两种的乙醇水溶液中，取出后加热固化；
步骤4：炭化，将固化后的炭化纤维原纸在惰性气氛保护下进行炭化处理。
进一步的，所述步骤3中浸渍所用粘结剂的质量与炭纤维原纸的质量比为0.5~1；粘结剂的加入量为乙醇水溶液的10~40wt%；浸渍时间为30s-60s。
进一步的，所述步骤3中加热固化温度为260-500℃，加热时间为1-2h。
一种炭纤维纸制备方法，其特征在于，采用聚硅二乙炔基苯、噁唑烷酮改性环氧树脂中的一种或两种作为粘结剂和分散剂，具体步骤如下：步骤1：炭纤维分散，将含有聚硅二乙炔基苯、噁唑烷酮改性环氧树脂中的一种或两种和炭纤维的混合物置于乙醇水溶液中浸渍，打浆使得炭纤维分散均匀，形成悬浮液；
步骤2：纸成型，使用湿法抄纸方法将上述悬浮液进行抄纸，形成炭纤维原纸；
步骤3：增强固化，将炭纤维原纸加热固化；
步骤4：炭化，将固化后的炭化纤维原纸在惰性气氛保护下进行炭化处理。
进一步的，所述步骤1中浸渍所用粘结剂的质量与炭纤维原纸的质量比为0.5~1；粘结剂的加入量为乙醇水溶液的10~40wt%；浸渍时间为30s-120s。
进一步的，所述步骤3中加热固化温度为260-500℃，加热时间为1-5h。
进一步的，根据上述两种工艺得到的炭纤维纸用于质子交换膜燃料电池。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明采用的两种粘结剂，聚硅二乙炔基苯、噁唑烷酮改性环氧树脂相对于一般粘结剂具有较强的耐热性和粘结性，所以进过上述公开涉及的炭化纤维纸一方面满足燃料电池中作为气体扩散层材料要求的高导电性、高气体扩散性、高气流分配性，另一方面增强了气体扩散层的机械强度和稳定性从而提高了燃料电池的性能、可靠性和耐久性。
附图说明
附图示除了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理。
图1 一种气体扩散层制备工艺流程图 工艺1。
图2 一种气体扩散层制备工艺流程图 工艺2。
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种炭纤维纸，其特征在于，所述的炭纤维纸采用聚硅二乙炔基苯作为粘结剂。
一种炭纤维纸制备方法，工艺流程见图1，具体步骤如下：步骤1：炭纤维分散，将含有0.1wt%的分散剂聚丙烯酸钠和0.2wt%的炭纤维的混合物置于水中，打浆使得炭纤维分散均匀，形成悬浮液；
步骤2：纸成型，使用湿法抄纸方法将上述悬浮液进行抄纸，形成炭纤维原纸；
步骤3：增强固化，将炭纤维原纸浸渍于添加了20wt%聚硅二乙炔基苯乙醇水溶液中，聚硅二乙炔基苯的质量与炭纤维原纸的质量比为0.5，浸渍时间为60s；取出后加热固化。加热固化温度为500℃，加热时间为1h；
步骤4：炭化，将固化后的炭化纤维原纸在氮气气氛保护下进行炭化处理，升温速度为20℃/min，炭化温度为1800℃，保温20min。
将经上述步骤形成气体扩散层按照ASTM D3039使用万能材料试验及进行拉伸强度测试，采用三点抗弯法进行弯曲强度测试，并制作成条件固定的燃料电池单电池，进行电性能测试，测试结果列于表1。
实施例2
一种炭纤维纸，其特征在于，所述的炭纤维纸采用噁唑烷酮改性环氧树脂作为粘结剂。
工艺流程见图1，具体步骤如下：步骤1：炭纤维分散，将含有0.1wt%的分散剂聚丙烯酸钠和0.2wt%的炭纤维的混合物置于水中，打浆使得炭纤维分散均匀，形成悬浮液；
步骤2：纸成型，使用湿法抄纸方法将上述悬浮液进行抄纸，形成炭纤维原纸；
步骤3：增强固化，将炭纤维原纸浸渍于添加了20wt%噁唑烷酮改性环氧树脂乙醇水溶液中，聚硅二乙炔基苯的质量与炭纤维原纸的质量比为0.5，浸渍时间为60s；取出后加热固化。加热固化温度为500℃，加热时间为1h；
步骤4：炭化，将固化后的炭化纤维原纸在氮气气氛保护下进行炭化处理，升温速度为20℃/min，炭化温度为1800℃，保温20min。
将经上述步骤形成气体扩散层按照ASTM D3039使用万能材料试验及进行拉伸强度测试，采用三点抗弯法进行弯曲强度测试，并制作成条件固定的燃料电池单电池，进行电性能测试，测试结果列于表1。
实施例3
一种炭纤维纸，其特征在于，所述的炭纤维纸采用物质的量比为1：1的聚硅二乙炔基苯和噁唑烷酮改性环氧树脂作为粘结剂。
工艺流程见图1，具体步骤如下：
步骤1：炭纤维分散，将含有0.1wt%的分散剂聚丙烯酸钠和0.2wt%的炭纤维的混合物置于水中，打浆使得炭纤维分散均匀，形成悬浮液；
步骤2：纸成型，使用湿法抄纸方法将上述悬浮液进行抄纸，形成炭纤维原纸；
步骤3：增强固化，将炭纤维原纸浸渍于添加了共20wt%聚硅二乙炔基苯和噁唑烷酮改性环氧树脂的乙醇水溶液中，聚硅二乙炔基苯和噁唑烷酮改性环氧树脂的质量与炭纤维原纸的质量比为0.5，浸渍时间为60s；取出后加热固化。加热固化温度为500℃，加热时间为1h；
步骤4：炭化，将固化后的炭化纤维原纸在氮气气氛保护下进行炭化处理，升温速度为20℃/min，炭化温度为1800℃，保温20min。
将经上述步骤形成气体扩散层按照ASTM D3039使用万能材料试验及进行拉伸强度测试，采用三点抗弯法进行弯曲强度测试，并制作成条件固定的燃料电池单电池，进行电性能测试，测试结果列于表1。
实施例4
一种炭纤维纸，其特征在于，所述的炭纤维纸采用聚硅二乙炔基苯和噁唑烷酮改性环氧树脂作为粘结剂和分散剂。
工艺流程见图2，制备步骤如下：步骤1：炭纤维分散，将含有物质的量比为1：1的聚硅二乙炔基苯和噁唑烷酮改性环氧树脂与炭纤维的混合物置于乙醇水溶液中浸渍，聚硅二乙炔基苯和噁唑烷酮改性环氧树脂的质量与炭纤维原纸的质量比为0.5:1；粘结剂的加入量为乙醇水溶液的20wt%；浸渍时间为60s。打浆使得炭纤维分散均匀，形成悬浮液；
步骤2：纸成型，使用湿法抄纸方法将上述悬浮液进行抄纸，形成炭纤维原纸；
步骤3：增强固化，将炭纤维原纸加热固化。加热固化温度为500℃，加热时间为1h；
步骤4：炭化，将固化后的炭化纤维原纸在氮气气氛保护下进行炭化处理，升温速度为20℃/min，炭化温度为1800℃，保温20min。
将经上述步骤形成气体扩散层按照ASTM D3039使用万能材料试验及进行拉伸强度测试，采用三点抗弯法进行弯曲强度测试，并制作成条件固定的燃料电池单电池，进行电性能测试，测试结果列于表1。
对比实施例1
一种炭纤维纸，其特征在于，所述的炭纤维纸采用环氧树脂作为粘结剂。
工艺流程见图1，具体步骤如下：步骤1：炭纤维分散，将含有0.1wt%的分散剂聚丙烯酸钠和0.2wt%的炭纤维的混合物置于水中，打浆使得炭纤维分散均匀，形成悬浮液；
步骤2：纸成型，使用湿法抄纸方法将上述悬浮液进行抄纸，形成炭纤维原纸；
步骤3：增强固化，将炭纤维原纸浸渍于添加了20wt%环氧树脂乙醇水溶液中，聚硅二乙炔基苯的质量与炭纤维原纸的质量比为0.5，浸渍时间为60s；取出后加热固化。加热固化温度为500℃，加热时间为1h；
步骤4：炭化，将固化后的炭化纤维原纸在氮气气氛保护下进行炭化处理，升温速度为20℃/min，炭化温度为1800℃，保温20min。
将经上述步骤形成气体扩散层按照ASTM D3039使用万能材料试验及进行拉伸强度测试，采用三点抗弯法进行弯曲强度测试，并制作成条件固定的燃料电池单电池，进行电性能测试，测试结果列于表1。
表1
Claims (9)
1.一种炭纤维纸，其特征在于，所述的炭纤维纸采用聚硅二乙炔基苯、噁唑烷酮改性环氧树脂中的一种或两种作为粘结剂。
2.根据权利要求1所述的一种炭纤维纸，其特征在于，所述粘结剂占碳纤维纸的1~30wt%。
3.一种炭纤维纸制备方法，其特征在于，采用聚硅二乙炔基苯、噁唑烷酮改性环氧树脂中的一种或两种作为粘结剂，具体步骤如下：步骤1：炭纤维分散，将含有分散剂和炭纤维的混合物置于水中，打浆使得炭纤维分散均匀，形成悬浮液；
步骤2：纸成型，使用湿法抄纸方法将上述悬浮液进行抄纸，形成炭纤维原纸；
步骤3：增强固化，将炭纤维原纸浸渍于添加了聚硅二乙炔基苯、噁唑烷酮改性环氧树脂中的一种或两种的乙醇水溶液中，取出后加热固化；
步骤4：炭化，将固化后的炭化纤维原纸在惰性气氛保护下进行炭化处理。
4.根据权利要求3所述的一种炭纤维纸制备方法，其特征在于，所述步骤3中浸渍所用粘结剂的质量与炭纤维原纸的质量比为0.5~1；粘结剂的加入量为乙醇水溶液的10~40wt%；浸渍时间为30s-60s。
5.根据权利要求3所述的一种炭纤维纸制备方法，其特征在于，所述步骤3中加热固化温度为260-500℃，加热时间为1-2h。
6.一种炭纤维纸制备方法，其特征在于，采用聚硅二乙炔基苯、噁唑烷酮改性环氧树脂中的一种或两种作为粘结剂和分散剂，具体步骤如下：步骤1：炭纤维分散，将含有聚硅二乙炔基苯、噁唑烷酮改性环氧树脂中的一种或两种和炭纤维的混合物置于乙醇水溶液中浸渍，打浆使得炭纤维分散均匀，形成悬浮液；
步骤2：纸成型，使用湿法抄纸方法将上述悬浮液进行抄纸，形成炭纤维原纸；
步骤3：增强固化，将炭纤维原纸加热固化；
步骤4：炭化，将固化后的炭化纤维原纸在惰性气氛保护下进行炭化处理。
7.根据权利要求6所述的一种炭纤维纸制备方法，其特征在于，所述步骤1中浸渍所用粘结剂的质量与炭纤维原纸的质量比为0.5~1；粘结剂的加入量为乙醇水溶液的10~40wt%；浸渍时间为30s-120s。
8.根据权利要求6所述的一种炭纤维纸制备方法，其特征在于，所述步骤3中加热固化温度为260-500℃，加热时间为1-5h。
9.根据权利要求3或权利要求6所述的一种炭纤维纸制备方法，其特征在于，所述炭纤维纸用于质子交换膜燃料电池。
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| CN (1) | CN115613390A (zh) |
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2021
- 2021-07-14 CN CN202110795673.0A patent/CN115613390A/zh active Pending
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