專利名稱：一種炭纖維紙及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由炭纖維絲為主要原料制備的炭纖維紙及其制備方法。
燃料電池氣體擴(kuò)散層材料的選擇對(duì)電極和電池的電化學(xué)性能有十分重要的影響。燃料電池電極由氣體擴(kuò)散層和催化層組成，氣體擴(kuò)散層支撐著催化層，又是質(zhì)子、電子、生成水的通道。其性質(zhì)主要取決于所選擇的材料。
目前國(guó)內(nèi)外用于燃料電池的氣體擴(kuò)散層的材料主要是炭纖維紙，。例如中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?2116609.9中，采用0-20％的纖維素漿，60-99％的炭纖維和0-20％的石墨粉及少量的粘合劑組成中，經(jīng)過(guò)高溫炭化形成其炭紙。又如申請(qǐng)?zhí)枮?2116610.2中將纖維素漿、活化的炭粉、石油重組分按比例組成造紙中也不加入纖維素漿的催化劑。這些技術(shù)制作的炭纖維紙所選擇的制備材料中纖維素漿粘結(jié)劑不加催化劑催化這類物質(zhì)，造成高溫炭化后炭纖維紙的炭含量偏低，影響了炭纖維紙的導(dǎo)電率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種導(dǎo)電率高、強(qiáng)度高的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0.1-0.5mm之間強(qiáng)度為0.6N/10mm--2.0N/10mm電阻率為0.05Ω.cm--0.002Ω.cm。
本發(fā)明采用在炭纖維紙?zhí)炕敖n纖維素漿的催化劑的制備方法，提高它的殘?zhí)剂?，進(jìn)而提高炭纖維紙的導(dǎo)電率。
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％、纖維素漿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)將紙放入濃度為5wt％-20wt％的無(wú)機(jī)催化劑溶液中浸漬20-50分鐘；(4)再放入濃度為0.05-3.0g/ml的粘結(jié)劑溶液中浸漬4-36小時(shí)；(5)浸漬后的紙?jiān)诟稍餃囟葹?0-300℃下，干燥10-50分鐘；(6)將干燥后的紙?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。
如上所述的纖維素漿的催化劑可選硫酸胺、氯化銨或二者混合物。
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。
如上所述的纖維素漿可選木漿、棉漿或麻漿。
如上所述的粘結(jié)劑可選呋喃樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚乙烯、聚酰亞胺、纖維素纖維、瀝青、重石油組分、環(huán)氧樹(shù)脂或聚四氟乙烯等。
本發(fā)明所制備的炭纖維紙可以應(yīng)用于燃料電池氣體擴(kuò)散層材料。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、電阻率低、導(dǎo)電率高、強(qiáng)度高2、制備方法簡(jiǎn)單3、在無(wú)機(jī)催化劑催化下其殘?zhí)剂吭黾右槐叮涂梢栽黾犹坷w維紙的炭含量，使炭纖維紙具有高的炭含量。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1取0.1wt％的脂肪醇聚氧乙烯醚、1.0wt％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5wt％硫酸胺溶液，浸漬初成型紙20分鐘。配制0.05g/ml酚醛樹(shù)脂溶液，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0.002Ω.cm，強(qiáng)度為0.64N/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7％的氯化銨溶液，浸漬25分鐘。配制0.1g/ml的環(huán)氧樹(shù)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0.003Ω.cm，強(qiáng)度為0.86N/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9wt％的硫酸胺、氯化銨混合溶液，浸漬30分鐘。配制0.3g/ml的瀝青溶液，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0.004Ω.cm，強(qiáng)度為1.02N/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10wt％硫酸胺、氯化銨混合液，浸漬35分鐘。配制0.5g/ml的纖維素纖維溶液，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0.005Ω.cm，強(qiáng)度為0.93N/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11wt％的硫酸胺、氯化銨混合液，浸漬40分鐘。配制0.7g/ml的重石油組分溶液，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0.006Ω.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12wt％的硫酸胺、氯化銨混合液，浸漬45分鐘。配制0.9g/ml的聚四氟乙烯溶液，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0.007Ω.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15wt％的硫酸胺、氯化銨混合液，浸漬50分鐘。配制1.10g/ml的呋喃樹(shù)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0.010Ω.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17wt％的硫酸胺、氯化銨混合液，浸漬35分鐘。配制1.30g/ml的聚乙烯溶液，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0.23Ω.cm，強(qiáng)度為1.54N/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19wt％硫酸胺、氯化銨混合液，浸漬40分鐘。配制2.0g/ml的酚醛樹(shù)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0.027Ω.cm，強(qiáng)度為1.97N/10mm。
實(shí)施例10取2wt％纖維素纖維，6wt％木漿，92wt％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20wt％的硫酸胺、氯化銨混合液，浸漬20分鐘。配制3.0g/ml的環(huán)氧樹(shù)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0.047Ω.cm，強(qiáng)度為1.54N/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0.1-0.5mm之間、強(qiáng)度為0.6N/10mm--2.0N/10mm、電阻率為0.05Ω.cm--0.002Ω.cm。
2.一種制備如權(quán)利要求1所述的一種炭纖維紙的方法，其特征在于包括步驟如下(1)將含有分散劑0.1-5wt％、纖維素漿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)將紙放入濃度為5wt％-20wt％的無(wú)機(jī)催化劑溶液中浸漬20-50分鐘；(4)再放入濃度為0.05-3.0g/ml的粘結(jié)劑溶液中浸漬4-36小時(shí)；(5)浸漬后的紙?jiān)诟稍餃囟葹?0-300℃下，干燥10-50分鐘；(6)將干燥后的紙?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所述的一種炭纖維紙的制備方法，其特征在于所述的催化劑是硫酸胺、氯化銨或二者混合物。
4.如權(quán)利要求2所述的一種炭纖維紙的制備方法，其特征在于所述的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。
5.如權(quán)利要求2所述的一種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。
6.如權(quán)利要求5所述的一種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。
7.如權(quán)利要求2所述的一種炭纖維紙的制備方法，其特征在于所述的纖維素漿是木漿、棉漿或麻漿。
8.如權(quán)利要求2所述的一種炭纖維紙的制備方法，其特征在于所述的粘結(jié)劑是呋喃樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚乙烯、聚酰亞胺、纖維素纖維、瀝青、重石油組分、環(huán)氧樹(shù)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)D21H21/14GK1598142SQ20041001249
公開(kāi)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(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所