专利名称：炭纤维纸及其制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种导电材料，具体地说涉及一种适用于燃料电池气体扩散层的炭纤维纸及其制备方法。
背景技术：
燃料电池气体扩散层的作用很大，它通常采用湿法造纸技术抄造成型。湿法造纸技术是以水为介质的造纸技术。目前，它是用于燃料电池气体扩散层的炭纤维纸材料常规的制备方法。气体扩散层不仅是反应气体、生成水、电子的通道而且支撑着催化剂层，这就要求气体扩散层材料应具有良好的导电性、孔隙率和一定的机械强度。目前国内外所研制的气体扩散层材料主要注重材料的导电性和孔隙率，而忽视了材料的机械强度。如中国专利申请号为01132156.3公开了一种这样的炭纤维纸材料，运用1％的分散剂和炭纤维丝之间的重叠缠合来保证其材料的强度。炭纤维丝之间的重叠缠合作用不足以维持炭纤维纸在运用过程中所承受的机械力。在安装过程中会造成掉丝现象，造成炭纤维纸与催化剂层之间的接触电阻。反而影响了燃料电池的工作效率。又如中国专利申请号为01131452.4公开的炭纤维纸的制备方法是使用经过化学和物理活化处理过的炭纤维丝加入表面活性剂，运用常规湿法造纸技术制出复合纸。炭纤维丝经过化学或物理活化处理后，炭纤维丝表面受到破坏，会影响到炭纤维丝的导电率，增加它的电阻率。其炭纤维丝之间的缠合力也不足以达到炭纤维纸安装时所承受的机械强度。
发明内容
本发明的目的是提供一种电阻率低、强度高炭纤维纸及其制备方法。
本发明的炭纤维纸，其特征在于密度为0.10-0.45g/mm3，厚度为0.1-0.7mm，强度为0.6N/10mm-2.0N/10mm，电阻率为0.05Ω.cm-0.004Ω.cm。
本发明制备炭纤维纸的具体步骤如下(1)将含有分散剂0.1-5wt％、一次粘结剂1-10wt％、炭纤维丝85-98.5wt％混合物放入水中，打浆使炭纤维丝分散均匀，形成悬浮液；(2)采用常规湿法抄纸技术将悬浮液进行抄纸；(3)将成型纸在浓度为0.05-3.0g/ml的二次粘结剂溶液中浸渍4-36小时；(4)浸渍后的碳纸在干燥温度40-300℃下干燥10-50分钟；(5)将干燥后的炭纸在500-1500℃下炭化处理1秒-2分钟，得本发明制备的炭纤维纸。
如上所述的分散剂可选脂肪醇聚氧乙烯醚(又名平平加)、聚乙烯醇、聚氧化乙烯或聚丙烯酰胺等如上所述的炭纤维丝可以是聚丙烯腈炭纤维、粘胶基炭纤维、气相生长炭纤维、沥青基炭纤维中的一种或几种，炭纤维丝长度在0.1-15mm之间。
如上所述的一次粘结剂可以是木浆、棉浆、麻浆。
如上所述的二次粘结剂可选呋喃树脂、酚醛树脂、聚乙烯、聚酰亚胺、纤维素纤维、沥青、重石油组分、环氧树脂或聚四氟乙烯等。
本发明不采用活化技术，不会破坏炭纤维丝的表面结构。而且该方法使用一次粘结剂的含量较低，二次粘结剂的残炭量高，可以在提高强度的基础上提高炭纤维纸材料的炭含量，从而使该材料具有很低的电阻率。
本发明所制备的炭纤维纸可以应用与燃料电池气体扩散层材料。
本发明具有如下优点1、制备工艺简单2、电阻率低、强度高3、可实现工业化生产具体实施方式
实施例1取0.1wt％的脂肪醇聚氧乙烯醚、1wt％的木浆、98.9wt％的长短不均的长度范围在0.1-3mm之间的聚丙烯腈基炭纤维，加水搅拌打浆。利用传统的湿法造纸成型法制得炭纤维初成型纸。配制0.05g/ml的酚醛树脂溶液，将初成型纸放入其中浸渍4小时。取出干燥，干燥温度40℃，干燥时间10分钟。最后炭化炭纤维纸材料，炭化温度500℃，炭化时间2分钟。测试炭纤维纸材料的一些性能指标如下密度为0.11g/mm3，厚度为0.12mm，电阻率为0.004Ω.cm，强度为0.63N/10mm。
实施例2取1wt％聚氧化乙烯，2wt％棉浆，97wt％粘胶基炭纤维丝，丝长0.3-5mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制0.1g/ml的环氧树脂溶液，将成纸放入浸渍8小时。取出干燥20分钟，干燥温度80℃。炭化时间1分钟，炭化温度600℃。炭纤维纸材料的一些性能指标如下密度为0.25g/mm3，厚度为0.2mm，电阻率为0.005Ω.cm，强度为0.85N/10mm。
实施例3取2wt％聚丙烯酰胺，3wt％麻浆，95wt％气象生长炭纤维丝，丝长0.6-10mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制0.3g/ml沥青溶液，将成纸放入浸渍10小时。取出干燥25分钟，干燥温度100℃。炭化处理30秒，炭化温度700℃。测试炭纤维纸材料的一些性能指标如下密度为0.31g/mm3，厚度为0.3mm，电阻率为0.006Ω.cm，强度为1.01N/10mm。
实施例4取3wt％聚丙稀酰胺，4wt％木浆，93wt％沥青基和聚丙烯腈基炭纤维丝，丝长0.1-15mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制0.5g/ml纤维素纤维溶液，将成纸放入浸渍14小时。取出干燥40分钟，干燥温度200℃。炭化时间20秒，炭化温度800℃。炭纤维纸材料的一些性能指标如下密度为0.41g/mm3，厚度为0.42mm，电阻率为0.007Ω.cm，强度为0.95N/10mm。
实施例5
取4wt％脂肪醇聚氧乙烯醚，5wt％木浆，91wt％沥青基和聚丙烯腈基炭纤维丝，丝长0.4-11mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制0.7g/ml重石油组分溶液，将成纸放入浸渍18小时。取出干燥45分钟，干燥温度250℃。炭化时间10秒，炭化温度900℃。炭纤维纸材料的一些性能指标如下密度为0.45g/mm3，厚度为0.55mm，电阻率为0.008Ω.cm，强度为2.0N/10mm。
实施例6取5wt％聚丙稀酰胺，5wt％麻浆，90wt％沥青基和聚丙烯腈基炭纤维、气象生长炭纤维和粘胶基炭纤维丝共混物，丝长0.2-12mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制0.9g/ml聚四氟乙烯溶液，将成纸放入浸渍18小时。取出干燥50分钟，干燥温度300℃。炭化时间5秒，炭化温度1000℃。炭纤维纸材料的一些性能指标如下密度为0.32g/mm3，厚度为0.55mm，电阻率为0.009Ω.cm，强度为1.95N/10mm。
实施例7取1wt％聚氧化乙烯，6wt％棉浆，93wt％沥青基炭纤维丝，丝长0.6-15mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制1.10g/ml呋喃树脂溶液，将成纸放入浸渍20小时。取出干燥46分钟，干燥温度255℃。炭化时间4秒，炭化温度1100℃。炭纤维纸材料的一些性能指标如下密度为0.44g/mm3，厚度为0.63mm，电阻率为0.012Ω.cm，强度为1.93N/10mm。
实施例8取2wt％聚氧化乙烯，7wt％麻浆，91wt％沥青基和聚丙烯腈基炭纤维丝，丝长0.7-13mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制1.30g/ml聚乙烯溶液，将成纸放入浸渍24小时。取出干燥50分钟，干燥温度300℃。炭化时间2秒，炭化温度1200℃。炭纤维纸材料的一些性能指标如下密度为0.31g/mm3，厚度为0.70mm，电阻率为0.25Ω.cm，强度为1.56N/10mm。
实施例9
取0.1wt％聚丙稀酰胺，1wt％木浆，98.9wt％沥青基和聚丙烯腈基炭纤维丝，丝长0.2-13mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制2.0g/ml酚醛树脂溶液，将成纸放入浸渍24小时。取出干燥50分钟，干燥温度200℃。炭化时间1秒，炭化温度1400℃。炭纤维纸材料的一些性能指标如下密度为0.33g/mm3，厚度为0.32mm，电阻率为0.031Ω.cm，强度为1.98N/10mm。
实施例10取5wt％纤维素纤维，10wt％木浆，85wt％沥青基和聚丙烯腈基炭纤维丝，丝长0.3-5mm之间，打浆搅拌，分散均匀，用湿法造纸技术抄造成纸。配制3.0g/ml环氧树脂溶液，将成纸放入浸渍24小时。取出干燥50分钟，干燥温度250℃。炭化时间1秒，炭化温度1500℃。炭纤维纸材料的一些性能指标如下密度为0.45g/mm3，厚度为0.12mm，电阻率为0.050Ω.cm，强度为1.55N/10mm。
权利要求
1.一种炭纤维纸，其特征在于密度为0.10-0.45g/mm3，厚度为0.1-0.7mm，强度为0.6N/10mm-2.0N/10mm，电阻率为0.05Ω.cm-0.004Ω.cm。
2.一种制备如权利要求1所述的炭纤维纸的方法，其特征在于包括步骤如下(1)将含有分散剂0.1-5wt％、一次粘结剂1-10wt％、炭纤维丝85-98.5wt％混合物放入水中，打浆使炭纤维丝分散均匀，形成悬浮液；(2)采用常规湿法抄纸技术将悬浮液进行抄纸；(3)将成型纸在浓度为0.05-3.0g/ml的二次粘结剂溶液中浸渍4-36小时；(4)浸渍后的碳纸在干燥温度40-300℃下干燥10-50分钟；(5)将干燥后的炭纸在500-1500℃下炭化处理1秒-2分钟，得本发明制备的炭纤维纸。
3.如权利要求2所述的如上所述的炭纤维纸的制备方法，其特征在于分散剂是脂肪醇聚氧乙烯醚、聚乙烯醇、聚氧化乙烯或聚丙烯酰胺。
4.如权利要求2所述的如上所述的炭纤维纸的制备方法，其特征在于所述的炭纤维丝是聚丙烯腈炭纤维、粘胶基炭纤维、气相生长炭纤维、沥青基炭纤维中的一种或几种。
5.如权利要求4所述的如上所述的炭纤维纸的制备方法，其特征在于所述的炭纤维丝的长度在0.1-15mm之间。
6.如权利要求2所述的如上所述的炭纤维纸的制备方法，其特征在于所述的一次粘结剂是木浆、棉浆或麻浆。
7.如权利要求2所述的如上所述的炭纤维纸的制备方法，其特征在于所述的二次粘结剂是呋喃树脂、酚醛树脂、聚乙烯、聚酰亚胺、纤维素纤维、沥青、重石油组分、环氧树脂或聚四氟乙烯。
全文摘要
一种炭纤维纸是密度为0.10－0.45g/mm
文档编号D21H21/14GK1598141SQ20041001249
公开日2005年3月23日 申请日期2004年8月20日 优先权日2004年8月20日
发明者杨永岗, 胡培贤, 温月芳 申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所