[发明专利]碳纤维纸坯、超薄碳纤维纸的制备方法和设备

说明书

本发明提供了一种碳纤维纸坯的制备方法，其采用碳纳米材料微粉、碳纤维和热塑性树脂粉进行配料得到碳纤维纸配料；以及基于所述配料结合干法喷射和热压工艺制备碳纤维纸坯。本申请还公开了对应的碳纤维纸坯的制备设备、的超薄碳纤维纸制备方法和设备。

技术领域

本发明涉及高性能碳纤维纸的制备技术领域，尤其涉及一种满足高电密燃料电池用的超薄碳纤维纸及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池因能量转换效率高、无污染等优点在能源和节能技术领域具有广泛的应用。碳纤维纸是燃料电池核心部件气体扩散层的基体部分，担负起支撑催化剂、透气和排水、集流体的作用，同时由于燃料电池含有由几十层碳纤维纸，因而其厚度直接影响燃料电池的体电流密度。随着燃料电池的高功率、高体电密要求，对碳纤维纸也提出了更薄的要求。然而碳纤维纸为多孔材料，越薄其强度越低，如何获得薄而强的碳纤维纸是本领域亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超薄碳纤维纸及其制备方法。本炭纸比常规的炭纸薄，其制备技术更环保、工艺更简化、成本更低，有利于提高燃料电池的体积功率密度。

本发明的一些方面提供了超薄碳纤维纸的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：采用碳纳米材料微粉、碳纤维和树脂粉进行配料得到碳纤维纸配料；基于所述碳纤维纸配料结合干法喷射和热压工艺制备碳纤维纸坯；以及对所述碳纤维纸坯采用高温热处理以制得所述超薄碳纤维纸。

在一些实施例中，所述配料方法包括如下步骤：将所述树脂粉和碳纳米材料微粉进行共混后，将共混后的材料挤出形成线材，将线材进行切割磨粉；将该混合粉进行双螺杆挤出并切割磨粉形成纳米改性树脂粉；对所述碳纤维进行短切，对经短切的碳纤维进行开松，将所述经短切的碳纤维分散为单根的碳纤维状态；以及将所述经分散后的短切碳纤维通过与所述碳纤维纳米改性树脂粉进行混合配料。

在一些实施例中，所述碳纳米材料微粉和树脂粉共混比例为1:1~1:5，所述碳纳米材料微粉为石墨烯、碳纳米管、碳纳米球中的一种、两种或者几种的组合；所述树脂粉为热塑性树脂，包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯。

在一些实施例中，所述纳米改性树脂粉粉末粒径在300~2000目。

在一些实施例中，所述短切碳纤维长度为5~~100mm。

在一些实施例中，所述短切碳纤维包括第一长度的短切碳纤维以及第二长度的短切碳纤维，以及第三长度的短切碳纤维。

在一些实施例中，所述纳米改性树脂粉和碳纤维混合比例为1:1~1:4。

在一些实施例中，所述碳纤维纸坯的制备方法包括如下步骤：将碳纤维、纳米改性树脂粉共混料在高压下喷射到加热底网上；以及将表面覆盖碳纤维和纳米改性树脂粉的加热底网上加热加压后成型。

在一些实施例中，所述碳纤维纸的厚度为0.02~0.12mm，体积密度为0.30~0.55g/cm3，孔隙率为70~83%；拉伸强度为10~30Mpa；面电阻率≤100mΩ·cm；热导率≥0.8W/(m·K)。