一种碳纸用碳纤维的表面处理方法与流程

本发明属于碳纤维材料，具体涉及一种碳纸用碳纤维的表面处理方法。

背景技术：

1、碳纸在质子交换膜燃料电池电极中是常用的gdl(气体扩散层)基底材料，主要是因为它不仅具有均匀的多孔薄层结构、良好的孔隙率和透气性，而且由于其主要原料为碳纤维，因而具备了良好的导电性、化学稳定性和热稳定性。

2、目前碳纸坯体的制备有湿法和干法工艺。应用比较广泛的湿法造纸技术是将粘结剂的溶液与短切碳纤维混合，利用抄纸技术在造纸器上成型，干燥后使短切纤维相互粘结，然后用酚醛树脂等稀溶液进行浸渍，经过固化、碳化工艺后得到碳纤维基底纸材料(生碳纸)。湿法造纸的好处是比较灵活，粘结剂在碳化后留下大量孔隙，起到了造孔作用。

3、但是在生产中发现，商业化的碳纤维长丝为上浆后的碳纤维，表面涂覆有一层均匀致密的固化树脂，这使得上浆后的碳纤维集束性良好，为后续制备碳纤维预浸料提供了良好的界面性能和集束性。但这种商业化的碳纤维却并不适合作为碳纸的基体使用。这是由于上浆后的疏水性界面和集束性，使得短切碳纤维很难在分散剂中进行分散，因此制得的碳纤维坯体可能会出现短切碳纤维分散不均、孔隙不均匀，厚度不均匀的情况，使得碳纤维坯体合格率降低。且上浆剂为不导电的树脂基，上浆后的碳纤维导电性能也会下降，因此影响碳纸坯体的导电性。

4、因此，如果能将商业化的碳纤维长丝经过处理后，变为分散性好、表面亲水性、导电性能增强的碳纤维，那么更适宜用作碳纸原料。

技术实现思路

1、针对当前商业化的碳纤维长丝不适于作为碳纸原料这一问题，本发明提供了一种碳纸用碳纤维的表面处理方法，该方法通过采用烧结工艺在不损伤碳纤维基体的情况下清除碳纤维表面原有上浆剂，然后电解处理改变碳纤维表面疏水性，接着在碳纤维基体上涂覆一层新的导电浆料的方法，使得碳纤维表面导电性能增强，亲水性良好，更容易进行分散，适宜用作碳纸原料。

2、本发明的一种碳纸用碳纤维的表面处理方法，包括以下步骤：

3、s1：烧结：将碳纤维采用惰性气氛炉进行烧结处理；

4、s2：清洗：将烧结过后的碳纤维进行清洗；

5、s3：电解：将清洗过后的碳纤维进行电解处理；

6、s4：蒸汽干燥：将电解处理过后的碳纤维在蒸汽管中干燥；

7、s5：上浆：将干燥后的碳纤维用聚乙烯吡咯烷酮pvp k90或k30的醇溶液上浆；

8、s6：热辊干燥：将上浆后的碳纤维用蒸汽加热辊进行干燥。

9、优选地，碳纤维在进行步骤s1之前放卷，在进行步骤s6之后卷绕。

10、优选地，步骤s1中，炉内温度350～450℃，烧结时间15～25min。

11、优选地，步骤s2中，碳纤维采用去离子水逆流、喷淋的方式清洗，清洗时间3min。

12、优选地，步骤s3中，碳纤维在质量浓度3～10％的硫酸铵水溶液中电解，电解温度30℃，电流密度0.03～0.06a/m2，电解时间6～30s。

13、优选地，步骤s4中，蒸汽温度180℃，干燥时间30～60s。

14、优选地，步骤s5中，聚乙烯吡咯烷酮pvp k90或k30的醇溶液质量浓度为2～6％。

15、优选地，步骤s6中，干燥温度80℃，干燥时间3～10s。

16、本发明的碳纸用碳纤维的表面处理方法所涉及的主要方法原理如下：

17、商业化的碳纤维出厂时表面带有一层浆剂，这层浆剂是疏水性的，因此需要把这层对于制作碳纸不利的浆剂去除掉，就需要首先对碳纤维进行烧结。碳纤维选择采用惰性气氛炉提供的惰性气氛中烧结，是由于如果在空气中烧，碳纤维会被氧化损失其力学性能。惰性气氛可以是氮气，氩气等。清洗的作用是除掉碳纤维上遗留的烧过的浆剂残渣。电解的作用是对碳纤维表面进行改性，形成亲水界面，使其由疏水性改为亲水性。电解改性完成后，使用蒸汽干燥对碳纤维管进行干燥，这种干燥方式比较洁净，不会污染碳纤维电解后的亲水表层，且碳纤维经过电解后其表面会有很多微小的毛丝，在常规环境中干燥毛丝容易引起静电导致碳纤维互相缠结，在蒸汽管中干燥会避免这些情况发生。上浆是在碳纤维基体上涂覆一层新的导电浆料，使得碳纤维表面导电性能增强，进一步增强亲水性，更容易进行分散，适宜用作碳纸原料。选择聚乙烯吡咯烷酮pvp k90或k30的醇溶液作为上浆剂，其导电性能会比原来的双酚a环氧树脂类的上浆剂导电性好。上浆后的碳纤维使用蒸汽加热辊干燥，温度分布均匀，且碳纤维在辊子的表面会形成一定宽度的带状，不会打捻，做碳纸时容易在分散剂中分散。

18、本发明的碳纸用碳纤维的表面处理方法具有如下有益效果：

19、本发明的碳纸用碳纤维的表面处理方法，通过采用烧结工艺在不损伤碳纤维基体的情况下清除碳纤维表面原有上浆剂，然后电解处理改变碳纤维表面疏水性，接着在碳纤维基体上涂覆一层新的导电浆料的方法，使得碳纤维表面导电性能增强，亲水性良好，更容易进行分散，适宜用作碳纸原料。

技术特征：

1.一种碳纸用碳纤维的表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的碳纸用碳纤维的表面处理方法，其特征在于，碳纤维在进行步骤s1之前放卷，在进行步骤s6之后卷绕。

3.根据权利要求1所述的碳纸用碳纤维的表面处理方法，其特征在于，步骤s1中，炉内温度350～450℃，烧结时间15～25min。

4.根据权利要求3所述的碳纸用碳纤维的表面处理方法，其特征在于，步骤s2中，碳纤维采用去离子水逆流、喷淋的方式清洗，清洗时间3min。

5.根据权利要求1所述的碳纸用碳纤维的表面处理方法，其特征在于，步骤s3中，碳纤维在质量浓度3～10％的硫酸铵水溶液中电解，电解温度30℃，电流密度0.03～0.06a/m2，电解时间6～30s。

6.根据权利要求1所述的碳纸用碳纤维的表面处理方法，其特征在于，步骤s4中，蒸汽温度180℃，干燥时间30～60s。

7.根据权利要求6所述的碳纸用碳纤维的表面处理方法，其特征在于，步骤s5中，聚乙烯吡咯烷酮pvp k90或k30的醇溶液质量浓度为2～6％。

8.根据权利要求1所述的碳纸用碳纤维的表面处理方法，其特征在于，步骤s6中，干燥温度80℃，干燥时间3～10s。

技术总结
本发明提供了一种碳纸用碳纤维的表面处理方法，属于碳纤维材料技术领域，该方法通过采用烧结工艺在不损伤碳纤维基体的情况下清除碳纤维表面原有上浆剂，然后电解处理改变碳纤维表面疏水性，接着在碳纤维基体上涂覆一层新的导电浆料的方法，使得碳纤维表面导电性能增强，亲水性良好，更容易进行分散，适宜用作碳纸原料。

技术研发人员：赵会,李勇,钱学政
受保护的技术使用者：因达孚先进材料（苏州）股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24