專利名稱：炭纖維紙及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電材料，具體地說涉及一種適用于燃料電池氣體擴(kuò)散層的炭纖維紙及其制備方法。
背景技術(shù)：
燃料電池氣體擴(kuò)散層的作用很大，它通常采用濕法造紙技術(shù)抄造成型。濕法造紙技術(shù)是以水為介質(zhì)的造紙技術(shù)。目前，它是用于燃料電池氣體擴(kuò)散層的炭纖維紙材料常規(guī)的制備方法。氣體擴(kuò)散層不僅是反應(yīng)氣體、生成水、電子的通道而且支撐著催化劑層，這就要求氣體擴(kuò)散層材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性、孔隙率和一定的機(jī)械強(qiáng)度。目前國內(nèi)外所研制的氣體擴(kuò)散層材料主要注重材料的導(dǎo)電性和孔隙率，而忽視了材料的機(jī)械強(qiáng)度。如中國專利申請(qǐng)?zhí)枮?1132156.3公開了一種這樣的炭纖維紙材料，運(yùn)用1％的分散劑和炭纖維絲之間的重疊纏合來保證其材料的強(qiáng)度。炭纖維絲之間的重疊纏合作用不足以維持炭纖維紙?jiān)谶\(yùn)用過程中所承受的機(jī)械力。在安裝過程中會(huì)造成掉絲現(xiàn)象，造成炭纖維紙與催化劑層之間的接觸電阻。反而影響了燃料電池的工作效率。又如中國專利申請(qǐng)?zhí)枮?1131452.4公開的炭纖維紙的制備方法是使用經(jīng)過化學(xué)和物理活化處理過的炭纖維絲加入表面活性劑，運(yùn)用常規(guī)濕法造紙技術(shù)制出復(fù)合紙。炭纖維絲經(jīng)過化學(xué)或物理活化處理后，炭纖維絲表面受到破壞，會(huì)影響到炭纖維絲的導(dǎo)電率，增加它的電阻率。其炭纖維絲之間的纏合力也不足以達(dá)到炭纖維紙安裝時(shí)所承受的機(jī)械強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電阻率低、強(qiáng)度高炭纖維紙及其制備方法。
本發(fā)明的炭纖維紙，其特征在于密度為0.10-0.45g/mm3，厚度為0.1-0.7mm，強(qiáng)度為0.6N/10mm-2.0N/10mm，電阻率為0.05Ω.cm-0.004Ω.cm。
本發(fā)明制備炭纖維紙的具體步驟如下(1)將含有分散劑0.1-5wt％、一次粘結(jié)劑1-10wt％、炭纖維絲85-98.5wt％混合物放入水中，打漿使炭纖維絲分散均勻，形成懸浮液；(2)采用常規(guī)濕法抄紙技術(shù)將懸浮液進(jìn)行抄紙；(3)將成型紙?jiān)跐舛葹?.05-3.0g/ml的二次粘結(jié)劑溶液中浸漬4-36小時(shí)；(4)浸漬后的碳紙?jiān)诟稍餃囟?0-300℃下干燥10-50分鐘；(5)將干燥后的炭紙?jiān)?00-1500℃下炭化處理1秒-2分鐘，得本發(fā)明制備的炭纖維紙。
如上所述的分散劑可選脂肪醇聚氧乙烯醚(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纖維絲可以是聚丙烯腈炭纖維、粘膠基炭纖維、氣相生長(zhǎng)炭纖維、瀝青基炭纖維中的一種或幾種，炭纖維絲長(zhǎng)度在0.1-15mm之間。
如上所述的一次粘結(jié)劑可以是木漿、棉漿、麻漿。
如上所述的二次粘結(jié)劑可選呋喃樹脂、酚醛樹脂、聚乙烯、聚酰亞胺、纖維素纖維、瀝青、重石油組分、環(huán)氧樹脂或聚四氟乙烯等。
本發(fā)明不采用活化技術(shù)，不會(huì)破壞炭纖維絲的表面結(jié)構(gòu)。而且該方法使用一次粘結(jié)劑的含量較低，二次粘結(jié)劑的殘?zhí)苛扛?，可以在提高?qiáng)度的基礎(chǔ)上提高炭纖維紙材料的炭含量，從而使該材料具有很低的電阻率。
本發(fā)明所制備的炭纖維紙可以應(yīng)用與燃料電池氣體擴(kuò)散層材料。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、制備工藝簡(jiǎn)單2、電阻率低、強(qiáng)度高3、可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)具體實(shí)施方式

實(shí)施例1取0.1wt％的脂肪醇聚氧乙烯醚、1wt％的木漿、98.9wt％的長(zhǎng)短不均的長(zhǎng)度范圍在0.1-3mm之間的聚丙烯腈基炭纖維，加水?dāng)嚢璐驖{。利用傳統(tǒng)的濕法造紙成型法制得炭纖維初成型紙。配制0.05g/ml的酚醛樹脂溶液，將初成型紙放入其中浸漬4小時(shí)。取出干燥，干燥溫度40℃，干燥時(shí)間10分鐘。最后炭化炭纖維紙材料，炭化溫度500℃，炭化時(shí)間2分鐘。測(cè)試炭纖維紙材料的一些性能指標(biāo)如下密度為0.11g/mm3，厚度為0.12mm，電阻率為0.004Ω.cm，強(qiáng)度為0.63N/10mm。
實(shí)施例2取1wt％聚氧化乙烯，2wt％棉漿，97wt％粘膠基炭纖維絲，絲長(zhǎng)0.3-5mm之間，打漿攪拌，分散均勻，用濕法造紙技術(shù)抄造成紙。配制0.1g/ml的環(huán)氧樹脂溶液，將成紙放入浸漬8小時(shí)。取出干燥20分鐘，干燥溫度80℃。炭化時(shí)間1分鐘，炭化溫度600℃。炭纖維紙材料的一些性能指標(biāo)如下密度為0.25g/mm3，厚度為0.2mm，電阻率為0.005Ω.cm，強(qiáng)度為0.85N/10mm。
實(shí)施例3取2wt％聚丙烯酰胺，3wt％麻漿，95wt％氣象生長(zhǎng)炭纖維絲，絲長(zhǎng)0.6-10mm之間，打漿攪拌，分散均勻，用濕法造紙技術(shù)抄造成紙。配制0.3g/ml瀝青溶液，將成紙放入浸漬10小時(shí)。取出干燥25分鐘，干燥溫度100℃。炭化處理30秒，炭化溫度700℃。測(cè)試炭纖維紙材料的一些性能指標(biāo)如下密度為0.31g/mm3，厚度為0.3mm，電阻率為0.006Ω.cm，強(qiáng)度為1.01N/10mm。
實(shí)施例4取3wt％聚丙稀酰胺，4wt％木漿，93wt％瀝青基和聚丙烯腈基炭纖維絲，絲長(zhǎng)0.1-15mm之間，打漿攪拌，分散均勻，用濕法造紙技術(shù)抄造成紙。配制0.5g/ml纖維素纖維溶液，將成紙放入浸漬14小時(shí)。取出干燥40分鐘，干燥溫度200℃。炭化時(shí)間20秒，炭化溫度800℃。炭纖維紙材料的一些性能指標(biāo)如下密度為0.41g/mm3，厚度為0.42mm，電阻率為0.007Ω.cm，強(qiáng)度為0.95N/10mm。
實(shí)施例5
取4wt％脂肪醇聚氧乙烯醚，5wt％木漿，91wt％瀝青基和聚丙烯腈基炭纖維絲，絲長(zhǎng)0.4-11mm之間，打漿攪拌，分散均勻，用濕法造紙技術(shù)抄造成紙。配制0.7g/ml重石油組分溶液，將成紙放入浸漬18小時(shí)。取出干燥45分鐘，干燥溫度250℃。炭化時(shí)間10秒，炭化溫度900℃。炭纖維紙材料的一些性能指標(biāo)如下密度為0.45g/mm3，厚度為0.55mm，電阻率為0.008Ω.cm，強(qiáng)度為2.0N/10mm。
實(shí)施例6取5wt％聚丙稀酰胺，5wt％麻漿，90wt％瀝青基和聚丙烯腈基炭纖維、氣象生長(zhǎng)炭纖維和粘膠基炭纖維絲共混物，絲長(zhǎng)0.2-12mm之間，打漿攪拌，分散均勻，用濕法造紙技術(shù)抄造成紙。配制0.9g/ml聚四氟乙烯溶液，將成紙放入浸漬18小時(shí)。取出干燥50分鐘，干燥溫度300℃。炭化時(shí)間5秒，炭化溫度1000℃。炭纖維紙材料的一些性能指標(biāo)如下密度為0.32g/mm3，厚度為0.55mm，電阻率為0.009Ω.cm，強(qiáng)度為1.95N/10mm。
實(shí)施例7取1wt％聚氧化乙烯，6wt％棉漿，93wt％瀝青基炭纖維絲，絲長(zhǎng)0.6-15mm之間，打漿攪拌，分散均勻，用濕法造紙技術(shù)抄造成紙。配制1.10g/ml呋喃樹脂溶液，將成紙放入浸漬20小時(shí)。取出干燥46分鐘，干燥溫度255℃。炭化時(shí)間4秒，炭化溫度1100℃。炭纖維紙材料的一些性能指標(biāo)如下密度為0.44g/mm3，厚度為0.63mm，電阻率為0.012Ω.cm，強(qiáng)度為1.93N/10mm。
實(shí)施例8取2wt％聚氧化乙烯，7wt％麻漿，91wt％瀝青基和聚丙烯腈基炭纖維絲，絲長(zhǎng)0.7-13mm之間，打漿攪拌，分散均勻，用濕法造紙技術(shù)抄造成紙。配制1.30g/ml聚乙烯溶液，將成紙放入浸漬24小時(shí)。取出干燥50分鐘，干燥溫度300℃。炭化時(shí)間2秒，炭化溫度1200℃。炭纖維紙材料的一些性能指標(biāo)如下密度為0.31g/mm3，厚度為0.70mm，電阻率為0.25Ω.cm，強(qiáng)度為1.56N/10mm。
實(shí)施例9
取0.1wt％聚丙稀酰胺，1wt％木漿，98.9wt％瀝青基和聚丙烯腈基炭纖維絲，絲長(zhǎng)0.2-13mm之間，打漿攪拌，分散均勻，用濕法造紙技術(shù)抄造成紙。配制2.0g/ml酚醛樹脂溶液，將成紙放入浸漬24小時(shí)。取出干燥50分鐘，干燥溫度200℃。炭化時(shí)間1秒，炭化溫度1400℃。炭纖維紙材料的一些性能指標(biāo)如下密度為0.33g/mm3，厚度為0.32mm，電阻率為0.031Ω.cm，強(qiáng)度為1.98N/10mm。
實(shí)施例10取5wt％纖維素纖維，10wt％木漿，85wt％瀝青基和聚丙烯腈基炭纖維絲，絲長(zhǎng)0.3-5mm之間，打漿攪拌，分散均勻，用濕法造紙技術(shù)抄造成紙。配制3.0g/ml環(huán)氧樹脂溶液，將成紙放入浸漬24小時(shí)。取出干燥50分鐘，干燥溫度250℃。炭化時(shí)間1秒，炭化溫度1500℃。炭纖維紙材料的一些性能指標(biāo)如下密度為0.45g/mm3，厚度為0.12mm，電阻率為0.050Ω.cm，強(qiáng)度為1.55N/10mm。
權(quán)利要求
1.一種炭纖維紙，其特征在于密度為0.10-0.45g/mm3，厚度為0.1-0.7mm，強(qiáng)度為0.6N/10mm-2.0N/10mm，電阻率為0.05Ω.cm-0.004Ω.cm。
2.一種制備如權(quán)利要求1所述的炭纖維紙的方法，其特征在于包括步驟如下(1)將含有分散劑0.1-5wt％、一次粘結(jié)劑1-10wt％、炭纖維絲85-98.5wt％混合物放入水中，打漿使炭纖維絲分散均勻，形成懸浮液；(2)采用常規(guī)濕法抄紙技術(shù)將懸浮液進(jìn)行抄紙；(3)將成型紙?jiān)跐舛葹?.05-3.0g/ml的二次粘結(jié)劑溶液中浸漬4-36小時(shí)；(4)浸漬后的碳紙?jiān)诟稍餃囟?0-300℃下干燥10-50分鐘；(5)將干燥后的炭紙?jiān)?00-1500℃下炭化處理1秒-2分鐘，得本發(fā)明制備的炭纖維紙。
3.如權(quán)利要求2所述的如上所述的炭纖維紙的制備方法，其特征在于分散劑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.如權(quán)利要求2所述的如上所述的炭纖維紙的制備方法，其特征在于所述的炭纖維絲是聚丙烯腈炭纖維、粘膠基炭纖維、氣相生長(zhǎng)炭纖維、瀝青基炭纖維中的一種或幾種。
5.如權(quán)利要求4所述的如上所述的炭纖維紙的制備方法，其特征在于所述的炭纖維絲的長(zhǎng)度在0.1-15mm之間。
6.如權(quán)利要求2所述的如上所述的炭纖維紙的制備方法，其特征在于所述的一次粘結(jié)劑是木漿、棉漿或麻漿。
7.如權(quán)利要求2所述的如上所述的炭纖維紙的制備方法，其特征在于所述的二次粘結(jié)劑是呋喃樹脂、酚醛樹脂、聚乙烯、聚酰亞胺、纖維素纖維、瀝青、重石油組分、環(huán)氧樹脂或聚四氟乙烯。
全文摘要
一種炭纖維紙是密度為0.10－0.45g/mm
文檔編號(hào)D21H21/14GK1598141SQ20041001249
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
發(fā)明者楊永崗, 胡培賢, 溫月芳 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所