一种燃料电池用亲疏水可调的高导电碳纸的制备方法

1.本发明涉及高导电碳纸制作技术领域，尤其涉及一种燃料电池用亲疏水可调的高导电碳纸的制备方法。


背景技术：

2.碳纤维布集流体具有优良的导电性和物理化学稳定性是铂碳催化剂电极的优良集流体，然而其价格相对较高。本发明利用熔融纺丝和静电纺丝亲多醇或者羧酸亲水改性的聚丙烯腈纤维为模版亲水纤维薄膜为模版，通过浸渍与之匹配的碳纳米管分散液和碳纳米颗粒分散液和拉伸干燥过程即可制备内部连接紧密的碳纤维网络薄膜，可根据实际需求进行热压增加碳纤维薄膜的导电性，而亲水改性的聚丙烯腈纤维薄膜根据热处理温度的不同可以调节碳纤维薄膜的亲疏水程度，铂碳催化剂可与碳材料一起分散负载也可在碳纤维薄膜上进行负载。该制备高导电性碳纸具有成本低廉、亲疏水程度可调和高柔性的特点利于推广应用。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.解决现有碳纤维布集流体具有优良的导电性和物理化学稳定性是铂碳催化剂电极的优良集流体，然而其价格相对较高的问题，提供了一种燃料电池用亲疏水可调的高导电碳纸的制备方法。
5.(二)技术方案
6.一种燃料电池用亲疏水可调的高导电碳纸的制备方法，
7.包括以下步骤：
8.第一步：导电碳纸的制备；
9.先制备亲水纤维薄膜，包括两种纺丝制备方案；
10.熔融纺丝，是将熔点与聚丙烯腈相类似的固体醇和羧酸加热熔融纺丝形成亲水薄膜；
11.静电纺丝，是将亲水小分子如甘油多元羧酸分散到dmf中，然后分散聚丙烯腈制备纺丝液体制备亲水薄膜；
12.然后在亲水薄膜上喷涂或浸润水系导电碳浆料，经拉伸干燥后制备导电纤维碳纸。
13.第二步：高导电性碳纸的制备；
14.将第一步得到导电纤维碳纸通过热压工艺增加材料的紧实程度制备高导电性碳纸；
15.第三步：亲疏水可调的高导电碳纸的制备；
16.将第二步骤得高导电性高导电性碳纸经过热处理使得亲水物质挥发制备亲疏水可调的高导电碳纸。
17.作为优选的技术方案，第一步中将碳纳米颗粒或碳纳米管或者两者组合的粉体材料在水溶剂中进行分散制备质量分数在10％左右导电碳浆，也可以采用商用的短壁碳纳米管碳纳米管和纳米碳浆水系分散液组合形成导电碳浆料。
18.作为优选的技术方案，第一步中利用熔点与聚丙烯腈相类似的固体醇和羧酸加热熔融纺丝形成微米纤维的亲水薄膜或者通过静电纺醇和羧酸改性形成纳米纤维亲水薄膜。
19.作为优选的技术方案，第二步中将干燥好的导电碳纸通过热压工艺将一部分嵌入到纤维内部，碳颗粒和碳纳米管之间的连接进一步紧实，得到高导电性碳纸。
20.作为优选的技术方案，将第二步中得到的高导电性碳纸在100-200摄氏度之间进行热处理使亲水改性的聚丙烯腈纤维失去亲水能力，亲水能力的大小由温度和热处理时间控制，最终得到亲疏水可调的高导电碳纸。
21.(三)有益效果
22.本发明的有益效果在于：
23.1、本发明利用熔融纺丝和静电纺丝亲多醇或者羧酸亲水改性的聚丙烯腈纤维为模版亲水纤维薄膜为模版，通过浸渍与之匹配的碳纳米管分散液和碳纳米颗粒分散液和拉伸干燥过程即可制备内部连接紧密的碳纤维网络薄膜，可根据实际需求进行热压增加碳纤维薄膜的导电性，而亲水改性的聚丙烯腈纤维薄膜根据热处理温度的不同可以调节碳纤维薄膜的亲疏水程度，铂碳催化剂可与碳材料一起分散负载也可在碳纤维薄膜上进行负载。
24.2、本发明利用醇或者羧酸和聚丙烯腈为原料，通过熔融纺丝和静电纺丝分别制备了制备了微米纤维和纳米纤维组成的亲水薄膜，通过浸渍碳纳米颗粒水系分散液和碳纳米管水系分散液和拉伸干燥过程，制备了导电碳纤维薄膜，可通过热压提高薄膜的导电性制备高导电性碳纤维碳纸，通过热处理控制其的亲水程度最终实现亲疏水可调的高导电碳纸的制备制备。
25.3、该制备高导电性碳纸具有成本低廉、亲疏水程度可调和高柔性的特点利于推广应用。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是静电纺甘油改性聚丙烯腈亲水纤维扫描图；
28.图2是负载碳纳米颗粒的碳纸纤维扫描图；
29.图3是经负载铂碳催剂以及热压后的碳纸纤维扫描图；
具体实施方式
30.结合附图对本发明一种燃料电池用亲疏水可调的高导电碳纸的制备方法，做进一步说明，下面结合实施例对本发明作进一步详述：
31.如附图1-3所示，一种燃料电池用亲疏水可调的高导电碳纸，其制备方法如下，
32.包括以下步骤：
33.第一步：导电碳纸的制备；
34.以静电纺丝为例，是将亲水小分子如甘油1％加入到dmf中，然后分散10％聚丙烯腈制备纺丝液体制备亲水薄膜；
35.然后在亲水薄膜上喷涂水系导电碳浆料，经拉伸干燥后制备导电纤维碳纸，该碳纸的扫描图如图2所示，碳颗粒附着在纤维上以及纤维节点上，其赋予纤维导电性的同时，增加了纤维内部的连接，提供了高效的电子传输通道。
36.第二步：高导电性碳纸的制备；
37.将第一步得到导电纤维碳纸通过热压工艺增加材料的紧实程度制备高导电性碳纸；
38.第三步：亲疏水可调的高导电碳纸的制备；
39.将第二步骤得高导电性高导电性碳纸经过热处理使得亲水物质挥发制备亲疏水可调的高导电碳纸。
40.进一步的，第一步中将碳纳米颗粒或碳纳米管或者两者组合的粉体材料在水溶剂中进行分散制备质量分数在10％左右导电碳浆，也可以采用商用的短壁碳纳米管碳纳米管和纳米碳浆水系分散液组合形成导电碳浆料。
41.进一步的，第二步中将干燥好的导电碳纸通过热压工艺将一部分嵌入到纤维内部，碳颗粒和碳纳米管之间的连接进一步紧实，得到高导电性碳纸。
42.进一步的，将第二步中得到的高导电性碳纸在100-200摄氏度之间进行热处理使亲水改性的聚丙烯腈纤维失去亲水能力，亲水能力的大小由温度和热处理时间控制，最终得到亲疏水可调的高导电碳纸。
43.需要说明的是由于纳米纤维的直径较小经负载铂碳催化剂的碳纸空隙率较低其扫面图如图3所示，熔融纺丝和静电纺制备亲水纤维薄膜原理类似，利用熔点与聚丙烯腈相类似的固体醇和羧酸加热熔融纺丝形成微米纤维的亲水薄膜或者通过静电纺醇和羧酸改性形成纳米纤维亲水薄膜，熔融纺丝的的纤维直径在5-20微米之间，相对于静电纺该方法制备的碳纸纤维具有更好的导电性和更高孔隙率，可避免类似的问题。
44.上面的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。


技术特征：
1.一种燃料电池用亲疏水可调的高导电碳纸的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：导电碳纸的制备；先制备亲水纤维薄膜，包括两种纺丝制备方案；熔融纺丝，是将熔点与聚丙烯腈相类似的固体醇和羧酸加热熔融纺丝形成亲水薄膜；静电纺丝，是将亲水小分子如甘油多元羧酸分散到dmf中，然后分散聚丙烯腈制备纺丝液体制备亲水薄膜；然后在亲水薄膜上喷涂或浸润水系导电碳浆料，经拉伸干燥后制备导电纤维碳纸。第二步：高导电性碳纸的制备；将第一步得到导电纤维碳纸通过热压工艺增加材料的紧实程度制备高导电性碳纸；第三步：亲疏水可调的高导电碳纸的制备；将第二步骤得高导电性高导电性碳纸经过热处理使得亲水物质挥发制备亲疏水可调的高导电碳纸。2.如权利要求1所述的一种燃料电池用亲疏水可调的高导电碳纸的制备方法，其特征在于：所述第一步中将碳纳米颗粒或碳纳米管或者两者组合的粉体材料在水溶剂中进行分散制备质量分数在10％左右导电碳浆，也可以采用商用的短壁碳纳米管碳纳米管和纳米碳浆水系分散液组合形成导电碳浆料。3.如权利要求2所述的一种燃料电池用亲疏水可调的高导电碳纸的制备方法，其特征在于：所述第一步中利用熔点与聚丙烯腈相类似的固体醇和羧酸加热熔融纺丝形成微米纤维的亲水薄膜或者通过静电纺醇和羧酸改性形成纳米纤维亲水薄膜。4.如权利要求1所述的一种燃料电池用亲疏水可调的高导电碳纸的制备方法，其特征在于：所述第二步中将干燥好的导电碳纸通过热压工艺将一部分嵌入到纤维内部，碳颗粒和碳纳米管之间的连接进一步紧实，得到高导电性碳纸。5.如权利要求1所述的一种燃料电池用亲疏水可调的高导电碳纸的制备方法，其特征在于：将所述第二步中得到的高导电性碳纸在100-200摄氏度之间进行热处理使亲水改性的聚丙烯腈纤维失去亲水能力，亲水能力的大小由温度和热处理时间控制，最终得到亲疏水可调的高导电碳纸。

技术总结
本发明涉及高导电碳纸制作技术领域，尤其涉及一种燃料电池用亲疏水可调的高导电碳纸的制备方法，先制备亲水纤维薄膜，包括两种纺丝制备方案；熔融纺丝，是将熔点与聚丙烯腈相类似的固体醇和羧酸加热熔融纺丝形成亲水薄膜；静电纺丝，是将亲水小分子如甘油多元羧酸分散到DMF中，然后分散聚丙烯腈制备纺丝液体制备亲水薄膜；然后在亲水薄膜上喷涂或浸润水系导电碳浆料，经拉伸干燥后制备导电纤维碳纸。将第一步得到导电纤维碳纸通过热压工艺增加材料的紧实程度制备高导电性碳纸；将第二步骤得高导电性碳纸经过热处理使得亲水物质挥发制备亲疏水可调的高导电碳纸该制备高导电性碳纸具有成本低廉、亲疏水程度可调和高柔性的特点利于推广应用。的特点利于推广应用。的特点利于推广应用。


技术研发人员：赖浩然
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：2022.11.28
技术公布日：2023/3/14