[发明专利]一种薄型炭纸的制备工艺

说明书

本发明提供一种薄型炭纸的制备工艺，以聚丙烯腈或沥青为原料，功能化离子液体作为掺杂剂，采用静电纺丝技术纺制炭纸基材，然后将经过溶剂化处理后的树脂溶液浸渍、热压固化、预氧化、炭化、石墨化制备薄型炭纸。本发明利用静电纺丝技术，功能化离子液体作为掺杂剂结合酚醛树脂溶剂化作用，进一步提高炭纸的韧性、强度和导电性。

技术领域

本发明涉及一种薄型炭纸的制备工艺，属于燃料电池领域。

背景技术

燃料电池是一种将燃料的化学能转化为电能的能源转化装置。其中质子交换膜燃料电池具有比功率高、工作温度低、启动快、结构简单、无电解质损失、寿命长等突出优点，被誉为最有前途的能量转化装置。气体扩散层是燃料电池膜电极的核心组件之一，常用的气体扩散层材料是炭纸，主要作用是支撑催化层和微孔层、导电、导热、传质和排水。

炭纸通常采用常规湿法抄造工艺：将能作为粘结剂的溶液，如聚乙烯醇(PVA)，与纤维直径为5-20um，短切长度3-20mm短切碳纤维混合，利用造纸技术在抄纸机上成型，干燥后使短碳纤维互相粘结，然后用酚醛树脂等可炭化物质的稀溶液进行浸渍处理，经过热压固化、炭化、石墨化工艺得到符合要求的炭纸。该法制备的炭纸由于采用湿法无纺布工艺，匀度和表面光洁度较差，表面树脂分布不均匀，经炭化石墨化后，存在孔隙率低、厚度较厚、导电性差等缺点，从而影响炭纸的后续使用。

专利CN201910757768.6公开了一种用于燃料电池的高性能碳纸及其制备方法与应用。该方法包括如下步骤：将粘胶纤维、纤维素纳米纤丝和碳纤维加入到水中搅拌混合均匀，得到混合浆料I；然后依次将表面活性剂、聚氧化乙烯和聚乙烯醇溶液加入到混合浆料I中，搅拌均匀，得到混合浆料II；再将混合浆料II抄造成湿纸幅，干燥，得到碳纸前驱体；将碳纸前驱体浸渍于改性酚醛树脂的乙醇溶液中，烘干，并在其表面涂布疏水涂料，再进行热压和热处理，得到用于燃料电池的高性能炭纸。该方法制备的炭纸具有较好的导电性和物理性能，但孔隙率较低。

专利CN201810741949.5公开了一种炭纸的制备方法：将中间相沥青基碳纤维和聚丙烯腈基碳纤维进行表面处理，然后将二者按一定的比例混合，通过常规湿法造纸技术制成炭纸原纸；用热固性酚醛树脂-乙醇溶液浸渍炭纸原纸，然后在一定压力下阶段升温热压固化；再经炭化石墨化处理后得到炭纸。该法制备的炭纸具有优异的导电、导热性能，但该方法制备的炭纸较脆，表面平整度也不佳。

专利CN201310504496.1涉及一种炭纸及其制备方法，所述炭纸以短切碳纤维、植物纤维、热粘合纤维和炭黑为原料，经疏解、打浆和配浆后用湿法造纸工艺抄纸，然后经防水涂料涂布处理制成。该方法采用了湿法成形、热压、涂布相结合的生产工艺，具有工艺流程简单、易于控制产品质量，生产过程环保等特点，并且所生产可以精确各原料的物料比，有利于控制产品品质。但该工艺制备的炭纸孔隙率较低，厚度较厚。

静电纺丝是一种简便有效的可生产纳米纤维的新型加工技术，该技术的制备的纳米纤维膜不仅具有大的比表面积和高的孔隙率，还能发挥聚合物载体的柔韧性和机械性。静电纺丝聚丙烯腈(PAN)是批量制备纳米碳纤维前驱体最简单、经济的一种方法，后经预氧化、碳化处理可得到碳纳米纤维。

离子液体是一类完全由有机阳离子和无机阴离子组成的离子化合物，也被称为室温熔融盐。因其具有电导率高、溶解性强、难挥发、热稳定性高、电化学稳定性强等良好的物理化学性质，离子液体开始被广泛应用于电化学储能领域，尤其是可再生能源储存和能量转换材料、器件。由于离子液体具有结构可设计性，因此可被设计或修饰成功能型分子，即功能化的离子液体。功能化离子液体以其独特的结构和特点备受学者的青睐，近年来越来越多的功能化离子液体被合成出来，并广泛应用于催化反应、材料的制备、有机合成及分离等方面。