一种超薄炭纤维纸的制备工艺的制作方法

本发明涉及一种超薄炭纤维纸的制备工艺，属于燃料电池扩散层技术领域。

背景技术：

炭纤维纸是一种以树脂炭、沥青炭等为基体，炭纤维为增强体的多孔c/c复合材料。其主要的性能为：力学性能、透气性能和导电性能。炭纤维纸的性能主要有以下几个影响因素：1)基体炭，由于基体炭是炭纤维纸的基体，也是“焊接”炭纤维的粘结剂，故而其含量、分布和性能直接影响的炭纤维纸的性能。2)炭纤维，炭纤维的含量、长度和分布均匀性均对炭纤维纸性能有影响。3)炭纤维与基体炭间的界面结合状况，炭纤维的强度(例如：toray,japan,t-300,拉伸强度：3530mpa)明显强于树脂炭(拉伸强度大约为：42mpa)，这使得炭纸表现出明显脆性，其力学性能较差。一般，通过增加炭纸厚度可以提高炭纸的力学性能，但炭纸厚度的增加会降低其透气性，故而普通炭纸厚度在0.2mm左右，以平衡炭纸的各项性能。

在现有技术中，炭纤维纸常用作燃料电池的气体扩散基体材料。随着燃料电池在汽车领域的应用，要求燃料电池具备较高的功率密度，故而需对炭纤维纸进行减薄。而采用传统工艺制备的超薄炭纤维纸，因其厚度的减小，使得其力学性能急剧下降。故而，一般会通过增加基体炭含量来提高炭纸的力学性能，但是基体炭含量的提高会降低炭纸透气性能，故而采用传统工艺无法制备出符合燃料电池使用要求的超薄炭纸。

到目前为止，还未见很很好调和纤维纸在超薄厚度、力学性能、透气性能、导电性能之间矛盾的相关报道。

技术实现要素：

本发明为了调和超薄炭纤维纸在厚度、力学性能、透气性能、导电性能存在的矛盾，提供一种制备高性能超薄炭纤维纸的工艺。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案如下，其工艺步骤如下：

(1)浸渍-固化

将炭纤维纸坯体在0.1-5g/ml的树脂溶液中浸渍10-60mim，取出，烘干，模压固化，模压固化温度为140-240℃，时间为0.5-2h，压力为2-10mpa；固化后的样品放入0.1-5g/ml的树脂溶液中再次浸渍，取出，烘干，模压固化，反复浸渍-模压固化，直至得到获得炭纤维纸前驱体；所述炭纤维纸前驱体中，树脂含量为50wt％-80wt％；优选为60％；

(2)热处理

将步骤(1)中获得的炭纤维纸前驱体先在700-1200℃间进行炭化处理，并在此温度保温0.5-2h；然后在1200-3000℃温度间进行石墨化处理，并在此温度下保温0.5-2h，获得超薄炭纤维纸；所述超薄炭纤维纸的厚度为0.05-0.18mm、优选为0.1-0.15mm、进一步优选为0.13mm。

上述步骤(1)中浸渍-模压固化次数为2-5次。

在工业上应用时，单次浸泡后，取出，烘干，称重，确定第一次树脂加载含量，放入平板硫化机上模压固化。

上述步骤(1)中所述炭纤维纸坯体面密度为5-40g/m²。优选为10g/m²。

上述步骤(2)中所述超薄炭纤维纸中炭纤维含量为20wt％-80wt％。

上述步骤(2)中所述超薄炭纤维纸中，单根炭纤维的长度为4-30mm。

上述步骤(2)中所述超薄炭纤维纸的密度为0.30-0.6g/cm³。优选为0.35-0.45g/cm³。

本发明一种超薄炭纤维纸的制备工艺；所得超薄炭纤维纸的拉伸强度为43-60n/cm、优选为52-60n/cm.

本发明一种超薄炭纤维纸的制备工艺；所得超薄炭纤维纸的面电阻率为1.75-2.36mω·cm，优选为1.75-1.8mω·cm。

本发明一种超薄炭纤维纸的制备工艺；所得超薄炭纤维纸的气透率为2539-3533ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1、优选为2539-2669ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1。

作为优选方案，本发明一种超薄炭纤维纸的制备工艺；包括下述步骤：

步骤a浸渍-模压固化3次

将炭纤维纸坯体在0.2g/ml的树脂溶液中浸渍30mim，取出，烘干，称重，确定第一次树脂加载含量为总含量的33％，放入平板硫化机上模压固化，模压固化温度为200℃，时间为1h，压力为3.5mpa；固化后的样品放入0.1g/ml的树脂溶液中浸渍30mim，取出，烘干，称重，确定第二次树脂加载含量为总含量的22％，模压固化；固化后的样品放入0.2g/ml的树脂溶液中浸渍30mim，取出，烘干，称重，确定第三次树脂加载含量为总含量的44％，模压固化，获得炭纤维纸前驱体；所述炭纤维纸坯体面密度为10g/m²；所述超薄炭纤维纸的炭纤维长度为4mm；所述超薄炭纤维纸的密度为0.42g/cm³；所述炭纤维纸前驱体中，，树脂含量为60wt％；

步骤b热处理

将步骤a中获得的炭纤维纸前驱体先在1000℃间进行炭化处理，并在此温度保温1h；然后在2500℃温度间进行石墨化处理，并在此温度下保温1h，获得超薄炭纤维纸，厚度为0.13mm；

所得超薄炭纤维纸拉伸强度为58.6n/cm，面电阻率为1.78mω·cm，气透率为2669ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1。

在本发明中，通过优选参数的协同作用，其所得产品的性能得到了意料不到的提升。

原理和优势

本发明通过优选参数的协同作用，其所得产品的性能得到了意料不到的提升。尤其是在，经优化后的多次浸渍-模压固化工艺中，在各参数的协同作用下，很好的调和了超薄炭纤维纸在厚度、力学性能、透气性能、导电性能之间的矛盾关系，得到了超薄且力学性能、导电性能优良，透气性能完全能满足下一代燃料电池需求的超薄炭纤维纸。

附图说明

图1为本发明超薄炭纤维纸的制备工艺流程；

图2为本发明实施例1中超薄炭纤维纸模压固化工艺的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和本发明的几个具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

(1)浸渍-模压固化

反复浸渍-模压固化2次，过程如下：将炭纤维纸坯体在0.2g/ml的树脂溶液中浸渍30mim，取出，烘干，称重，确定第一次树脂加载含量为总含量的50％，放入平板硫化机上模压固化，模压固化温度为200℃，时间为1h，压力为3.5mpa。固化后的样品放入0.2g/ml的树脂溶液中浸渍30mim，取出，烘干，称重，确定第二次树脂加载含量为总含量的50％，模压固化，获得炭纤维纸前驱体；

(2)热处理

将步骤(1)中获得的炭纤维纸前驱体先在1000℃间进行炭化处理，并在此温度保温1h。然后在2500℃温度间进行石墨化处理，并在此温度下保温1h，获得超薄炭纤维纸，厚度为0.13mm。

上述步骤(1)中树脂的总含量为炭纤维纸前驱体总质量的50％。

上述步骤(1)中所述炭纤维纸坯体面密度为10g/m²。

上述步骤(2)中所述超薄炭纤维纸的炭纤维长度为4mm。

上述步骤(2)中所述超薄炭纤维纸的密度为0.38g/cm³

所获得超薄炭纤维纸拉伸强度为43.2n/cm，面电阻率为2.36mω·cm，气透率为3290ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1。

实施例2：

(1)浸渍-模压固化

反复浸渍-模压固化2次，过程如下：将炭纤维纸坯体在0.1g/ml的树脂溶液中浸渍30mim，取出，烘干，称重，确定第一次树脂加载含量为总含量的43％，放入平板硫化机上模压固化，模压固化温度为200℃，时间为1h，压力为3.5mpa。固化后的样品放入0.2g/ml的树脂溶液中浸渍30min，取出，烘干，称重，确定第二次树脂加载含量为总含量的57％，模压固化，获得炭纤维纸前驱体；

(2)热处理

将步骤(1)中获得的炭纤维纸前驱体先在1000℃间进行炭化处理，并在此温度保温1h。然后在2500℃温度间进行石墨化处理，并在此温度下保温1h，获得炭纤维纸，厚度为0.13mm。

上述步骤(1)中树脂的总含量为炭纤维纸前驱体总质量的50％。

上述步骤(1)中所述炭纤维纸坯体面密度为10g/m²。

上述步骤(2)中所述超薄炭纤维纸的炭纤维长度为4mm。

上述步骤(2)中所述超薄炭纤维纸的密度为0.38g/cm³

所获得超薄炭纤维纸拉伸强度为46.6n/cm，面电阻率为2.28mω·cm，气透率为3533ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1。

实施例3：

(1)浸渍-模压固化3次

将炭纤维纸坯体在0.2g/ml的树脂溶液中浸渍30mim，取出，烘干，称重，确定第一次树脂加载含量为总含量的33％，放入平板硫化机上模压固化，模压固化温度为200℃，时间为1h，压力为3.5mpa。固化后的样品放入0.1g/ml的树脂溶液中浸渍30mim，取出，烘干，称重，确定第二次树脂加载含量为总含量的22％，模压固化。固化后的样品放入0.2g/ml的树脂溶液中浸渍30mim，取出，烘干，称重，确定第三次树脂加载含量为总含量的44％，模压固化，获得炭纤维纸前驱体；

(2)热处理

将步骤(1)中获得的炭纤维纸前驱体先在1000℃间进行炭化处理，并在此温度保温1h。然后在2500℃温度间进行石墨化处理，并在此温度下保温1h，获得炭纤维纸，厚度为0.13mm。

上述步骤(1)中树脂的总含量为炭纤维纸前驱体总质量的60％。

上述步骤(1)中所述炭纤维纸坯体面密度为10g/m²。

上述步骤(2)中所述超薄炭纤维纸的炭纤维长度为4mm。

上述步骤(2)中所述超薄炭纤维纸的密度为0.42g/cm³

所获得超薄炭纤维纸拉伸强度为58.6n/cm，面电阻率为1.78mω·cm，气透率为2669ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1。

对比例1

其他条件参数均与实施例3一致，不同之处在于，仅仅采用了一次浸渍-固化，浸渍的时间为90min。所得产品的拉伸强度为37.75n/cm，面电阻率为2.26mω·cm，气透率为2122ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1。

通过实施例3和对比例1可以看出，本发明采用多次浸渍-固化后，所得产品的性能得到显著提升。通过实施例3和实施例1、2的对比，可以看出，经优化后，产品的性能得到了意料不到的提升。

实施例4：

(1)浸渍-固化

将炭纤维纸坯体在0.2g/ml的树脂溶液中浸渍30mim，取出，烘干，称重，确定第一次树脂加载含量为总含量的33％，放入平板硫化机上模压固化，模压固化温度为200℃，时间为1h，压力为3.5mpa。固化后的样品再次放入0.2g/ml的树脂溶液中浸渍30mim，取出，烘干，称重，确定第二次树脂加载含量为总含量的33％，模压固化。固化后的样品再次放入0.2g/ml的树脂溶液中浸渍30mim，取出，烘干，称重，确定第三次树脂加载含量为总含量的34％，模压固化，获得炭纤维纸前驱体；

(2)热处理

将步骤(1)中获得的炭纤维纸前驱体先在1000℃间进行炭化处理，并在此温度保温1h。然后在2500℃温度间进行石墨化处理，并在此温度下保温1h，获得炭纤维纸，厚度为0.13mm。

上述步骤(1)中树脂的总含量为炭纤维纸前驱体总质量的60％。

上述步骤(1)中所述炭纤维纸坯体面密度为10g/m²。

上述步骤(2)中所述超薄炭纤维纸的炭纤维长度为4mm。

上述步骤(2)中所述超薄炭纤维纸的密度为0.42g/cm³

所获得超薄炭纤维纸拉伸强度为52.32n/cm，面电阻率为1.80mω·cm，气透率为2539ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1。