[发明专利]一种疏水改性碳纤维纸及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种疏水改性碳纤维纸的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)将丙烯腈-N-乙烯基甲酰胺共聚物通过干喷湿法制备聚丙烯腈基原丝，经短切处理得到聚丙烯腈基短切纤维原丝；

2)将聚丙烯腈基短切纤维原丝和表面活性剂溶液混合后顺次经湿法造纸、预氧化、树脂溶液浸渍、干燥处理，得到聚丙烯腈基碳纤维原纸；

3)将丙烯腈-N-乙烯基甲酰胺共聚物和溶剂混合得到溶液，溶液顺次进行溶胀、搅拌和脱泡，得到前驱体溶液；

4)将前驱体溶液通过静电纺丝电纺在聚丙烯腈基碳纤维原纸上，顺次进行热压固化、碳化和石墨化，得到疏水改性碳纤维纸。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述聚丙烯腈基短切纤维原丝的长度为7～26mm，直径为4～10μm，取向度≥92％。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述表面活性剂包含聚氧化乙烯、羟甲基纤维素和聚丙烯酰胺中的一种或几种，表面活性剂溶液的质量浓度为0.05～0.3％；所述干燥处理的温度为50～100℃，干燥处理的时间为30～60min。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述预氧化的具体工艺为湿法造纸得到的纸张顺次在170～210℃预氧化10～20min、240～280℃预氧化20～80min、300～330℃预氧化30～50min；

由室温升温至170～210℃的升温速率为3～7℃/min，由170～210℃升温至240～280℃的升温速率为0.5～3℃/min，由240～280℃升温至300～330℃的升温速率为5～10℃/min。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，树脂溶液的质量浓度为5～20％，树脂溶液浸渍的时间为10～40min；树脂溶液中，树脂为硼酚醛树脂，溶剂为甲醇和/或乙醇。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述溶液中，丙烯腈-N-乙烯基甲酰胺共聚物的质量浓度为10～20％，溶胀、搅拌和脱泡的时间独立的为6～12h；溶胀、搅拌和脱泡的温度独立的为50～90℃。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤4)所述静电纺丝的时间为2～5h；静电纺丝过程中，前驱体溶液喷洒的厚度为0.02～0.06mm；所述热压固化的温度为130～170℃，热压固化的压力为5～15MPa，热压固化的时间为10～30min。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤4)所述碳化的温度为800～1300℃，碳化的时间为5～15min；石墨化的温度为2200～2600℃，石墨化的时间为10～20min；

由室温升温至碳化温度的升温速率和由碳化温度升温至石墨化温度的升温速率独立的为3～9℃/min；所述碳化和石墨化在高纯氮气保护下进行。

9.权利要求1～8任意一项所述的制备方法制备得到的疏水改性碳纤维纸，其特征在于，所述疏水改性碳纤维纸的克重为60～180g/m²，接触角为125～135°，透气性为75～100m³·(m²·s·bar)^-1；碳纤维纸上包含碳纤维膜，碳纤维膜的厚度为0.01～0.04mm。

10.权利要求9所述的疏水改性碳纤维纸在质子交换膜燃料电池气体扩散层中的应用。