本發(fā)明涉及一種超薄炭纖維紙的制備工藝，屬于燃料電池擴(kuò)散層技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

炭纖維紙是一種以樹脂炭、瀝青炭等為基體，炭纖維為增強(qiáng)體的多孔c/c復(fù)合材料。其主要的性能為：力學(xué)性能、透氣性能和導(dǎo)電性能。炭纖維紙的性能主要有以下幾個影響因素：1)基體炭，由于基體炭是炭纖維紙的基體，也是“焊接”炭纖維的粘結(jié)劑，故而其含量、分布和性能直接影響的炭纖維紙的性能。2)炭纖維，炭纖維的含量、長度和分布均勻性均對炭纖維紙性能有影響。3)炭纖維與基體炭間的界面結(jié)合狀況，炭纖維的強(qiáng)度(例如：toray,japan,t-300,拉伸強(qiáng)度：3530mpa)明顯強(qiáng)于樹脂炭(拉伸強(qiáng)度大約為：42mpa)，這使得炭紙表現(xiàn)出明顯脆性，其力學(xué)性能較差。一般，通過增加炭紙厚度可以提高炭紙的力學(xué)性能，但炭紙厚度的增加會降低其透氣性，故而普通炭紙厚度在0.2mm左右，以平衡炭紙的各項性能。

在現(xiàn)有技術(shù)中，炭纖維紙常用作燃料電池的氣體擴(kuò)散基體材料。隨著燃料電池在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，要求燃料電池具備較高的功率密度，故而需對炭纖維紙進(jìn)行減薄。而采用傳統(tǒng)工藝制備的超薄炭纖維紙，因其厚度的減小，使得其力學(xué)性能急劇下降。故而，一般會通過增加基體炭含量來提高炭紙的力學(xué)性能，但是基體炭含量的提高會降低炭紙透氣性能，故而采用傳統(tǒng)工藝無法制備出符合燃料電池使用要求的超薄炭紙。

到目前為止，還未見很很好調(diào)和纖維紙在超薄厚度、力學(xué)性能、透氣性能、導(dǎo)電性能之間矛盾的相關(guān)報道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了調(diào)和超薄炭纖維紙在厚度、力學(xué)性能、透氣性能、導(dǎo)電性能存在的矛盾，提供一種制備高性能超薄炭纖維紙的工藝。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下，其工藝步驟如下：

(1)浸漬-固化

將炭纖維紙坯體在0.1-5g/ml的樹脂溶液中浸漬10-60mim，取出，烘干，模壓固化，模壓固化溫度為140-240℃，時間為0.5-2h，壓力為2-10mpa；固化后的樣品放入0.1-5g/ml的樹脂溶液中再次浸漬，取出，烘干，模壓固化，反復(fù)浸漬-模壓固化，直至得到獲得炭纖維紙前驅(qū)體；所述炭纖維紙前驅(qū)體中，樹脂含量為50wt％-80wt％；優(yōu)選為60％；

(2)熱處理

將步驟(1)中獲得的炭纖維紙前驅(qū)體先在700-1200℃間進(jìn)行炭化處理，并在此溫度保溫0.5-2h；然后在1200-3000℃溫度間進(jìn)行石墨化處理，并在此溫度下保溫0.5-2h，獲得超薄炭纖維紙；所述超薄炭纖維紙的厚度為0.05-0.18mm、優(yōu)選為0.1-0.15mm、進(jìn)一步優(yōu)選為0.13mm。

上述步驟(1)中浸漬-模壓固化次數(shù)為2-5次。

在工業(yè)上應(yīng)用時，單次浸泡后，取出，烘干，稱重，確定第一次樹脂加載含量，放入平板硫化機(jī)上模壓固化。

上述步驟(1)中所述炭纖維紙坯體面密度為5-40g/m²。優(yōu)選為10g/m²。

上述步驟(2)中所述超薄炭纖維紙中炭纖維含量為20wt％-80wt％。

上述步驟(2)中所述超薄炭纖維紙中，單根炭纖維的長度為4-30mm。

上述步驟(2)中所述超薄炭纖維紙的密度為0.30-0.6g/cm³。優(yōu)選為0.35-0.45g/cm³。

本發(fā)明一種超薄炭纖維紙的制備工藝；所得超薄炭纖維紙的拉伸強(qiáng)度為43-60n/cm、優(yōu)選為52-60n/cm.

本發(fā)明一種超薄炭纖維紙的制備工藝；所得超薄炭纖維紙的面電阻率為1.75-2.36mω·cm，優(yōu)選為1.75-1.8mω·cm。

本發(fā)明一種超薄炭纖維紙的制備工藝；所得超薄炭纖維紙的氣透率為2539-3533ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1、優(yōu)選為2539-2669ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種超薄炭纖維紙的制備工藝；包括下述步驟：

步驟a浸漬-模壓固化3次

將炭纖維紙坯體在0.2g/ml的樹脂溶液中浸漬30mim，取出，烘干，稱重，確定第一次樹脂加載含量為總含量的33％，放入平板硫化機(jī)上模壓固化，模壓固化溫度為200℃，時間為1h，壓力為3.5mpa；固化后的樣品放入0.1g/ml的樹脂溶液中浸漬30mim，取出，烘干，稱重，確定第二次樹脂加載含量為總含量的22％，模壓固化；固化后的樣品放入0.2g/ml的樹脂溶液中浸漬30mim，取出，烘干，稱重，確定第三次樹脂加載含量為總含量的44％，模壓固化，獲得炭纖維紙前驅(qū)體；所述炭纖維紙坯體面密度為10g/m²；所述超薄炭纖維紙的炭纖維長度為4mm；所述超薄炭纖維紙的密度為0.42g/cm³；所述炭纖維紙前驅(qū)體中，，樹脂含量為60wt％；

步驟b熱處理

將步驟a中獲得的炭纖維紙前驅(qū)體先在1000℃間進(jìn)行炭化處理，并在此溫度保溫1h；然后在2500℃溫度間進(jìn)行石墨化處理，并在此溫度下保溫1h，獲得超薄炭纖維紙，厚度為0.13mm；

所得超薄炭纖維紙拉伸強(qiáng)度為58.6n/cm，面電阻率為1.78mω·cm，氣透率為2669ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1。

在本發(fā)明中，通過優(yōu)選參數(shù)的協(xié)同作用，其所得產(chǎn)品的性能得到了意料不到的提升。

原理和優(yōu)勢

本發(fā)明通過優(yōu)選參數(shù)的協(xié)同作用，其所得產(chǎn)品的性能得到了意料不到的提升。尤其是在，經(jīng)優(yōu)化后的多次浸漬-模壓固化工藝中，在各參數(shù)的協(xié)同作用下，很好的調(diào)和了超薄炭纖維紙在厚度、力學(xué)性能、透氣性能、導(dǎo)電性能之間的矛盾關(guān)系，得到了超薄且力學(xué)性能、導(dǎo)電性能優(yōu)良，透氣性能完全能滿足下一代燃料電池需求的超薄炭纖維紙。

附圖說明

圖1為本發(fā)明超薄炭纖維紙的制備工藝流程；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中超薄炭纖維紙模壓固化工藝的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和本發(fā)明的幾個具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1：

(1)浸漬-模壓固化

反復(fù)浸漬-模壓固化2次，過程如下：將炭纖維紙坯體在0.2g/ml的樹脂溶液中浸漬30mim，取出，烘干，稱重，確定第一次樹脂加載含量為總含量的50％，放入平板硫化機(jī)上模壓固化，模壓固化溫度為200℃，時間為1h，壓力為3.5mpa。固化后的樣品放入0.2g/ml的樹脂溶液中浸漬30mim，取出，烘干，稱重，確定第二次樹脂加載含量為總含量的50％，模壓固化，獲得炭纖維紙前驅(qū)體；

(2)熱處理

將步驟(1)中獲得的炭纖維紙前驅(qū)體先在1000℃間進(jìn)行炭化處理，并在此溫度保溫1h。然后在2500℃溫度間進(jìn)行石墨化處理，并在此溫度下保溫1h，獲得超薄炭纖維紙，厚度為0.13mm。

上述步驟(1)中樹脂的總含量為炭纖維紙前驅(qū)體總質(zhì)量的50％。

上述步驟(1)中所述炭纖維紙坯體面密度為10g/m²。

上述步驟(2)中所述超薄炭纖維紙的炭纖維長度為4mm。

上述步驟(2)中所述超薄炭纖維紙的密度為0.38g/cm³

所獲得超薄炭纖維紙拉伸強(qiáng)度為43.2n/cm，面電阻率為2.36mω·cm，氣透率為3290ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1。

實(shí)施例2：

(1)浸漬-模壓固化

反復(fù)浸漬-模壓固化2次，過程如下：將炭纖維紙坯體在0.1g/ml的樹脂溶液中浸漬30mim，取出，烘干，稱重，確定第一次樹脂加載含量為總含量的43％，放入平板硫化機(jī)上模壓固化，模壓固化溫度為200℃，時間為1h，壓力為3.5mpa。固化后的樣品放入0.2g/ml的樹脂溶液中浸漬30min，取出，烘干，稱重，確定第二次樹脂加載含量為總含量的57％，模壓固化，獲得炭纖維紙前驅(qū)體；

(2)熱處理

將步驟(1)中獲得的炭纖維紙前驅(qū)體先在1000℃間進(jìn)行炭化處理，并在此溫度保溫1h。然后在2500℃溫度間進(jìn)行石墨化處理，并在此溫度下保溫1h，獲得炭纖維紙，厚度為0.13mm。

上述步驟(1)中樹脂的總含量為炭纖維紙前驅(qū)體總質(zhì)量的50％。

上述步驟(1)中所述炭纖維紙坯體面密度為10g/m²。

上述步驟(2)中所述超薄炭纖維紙的炭纖維長度為4mm。

上述步驟(2)中所述超薄炭纖維紙的密度為0.38g/cm³

所獲得超薄炭纖維紙拉伸強(qiáng)度為46.6n/cm，面電阻率為2.28mω·cm，氣透率為3533ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1。

實(shí)施例3：

(1)浸漬-模壓固化3次

將炭纖維紙坯體在0.2g/ml的樹脂溶液中浸漬30mim，取出，烘干，稱重，確定第一次樹脂加載含量為總含量的33％，放入平板硫化機(jī)上模壓固化，模壓固化溫度為200℃，時間為1h，壓力為3.5mpa。固化后的樣品放入0.1g/ml的樹脂溶液中浸漬30mim，取出，烘干，稱重，確定第二次樹脂加載含量為總含量的22％，模壓固化。固化后的樣品放入0.2g/ml的樹脂溶液中浸漬30mim，取出，烘干，稱重，確定第三次樹脂加載含量為總含量的44％，模壓固化，獲得炭纖維紙前驅(qū)體；

(2)熱處理

將步驟(1)中獲得的炭纖維紙前驅(qū)體先在1000℃間進(jìn)行炭化處理，并在此溫度保溫1h。然后在2500℃溫度間進(jìn)行石墨化處理，并在此溫度下保溫1h，獲得炭纖維紙，厚度為0.13mm。

上述步驟(1)中樹脂的總含量為炭纖維紙前驅(qū)體總質(zhì)量的60％。

上述步驟(1)中所述炭纖維紙坯體面密度為10g/m²。

上述步驟(2)中所述超薄炭纖維紙的炭纖維長度為4mm。

上述步驟(2)中所述超薄炭纖維紙的密度為0.42g/cm³

所獲得超薄炭纖維紙拉伸強(qiáng)度為58.6n/cm，面電阻率為1.78mω·cm，氣透率為2669ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1。

對比例1

其他條件參數(shù)均與實(shí)施例3一致，不同之處在于，僅僅采用了一次浸漬-固化，浸漬的時間為90min。所得產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度為37.75n/cm，面電阻率為2.26mω·cm，氣透率為2122ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1。

通過實(shí)施例3和對比例1可以看出，本發(fā)明采用多次浸漬-固化后，所得產(chǎn)品的性能得到顯著提升。通過實(shí)施例3和實(shí)施例1、2的對比，可以看出，經(jīng)優(yōu)化后，產(chǎn)品的性能得到了意料不到的提升。

實(shí)施例4：

(1)浸漬-固化

將炭纖維紙坯體在0.2g/ml的樹脂溶液中浸漬30mim，取出，烘干，稱重，確定第一次樹脂加載含量為總含量的33％，放入平板硫化機(jī)上模壓固化，模壓固化溫度為200℃，時間為1h，壓力為3.5mpa。固化后的樣品再次放入0.2g/ml的樹脂溶液中浸漬30mim，取出，烘干，稱重，確定第二次樹脂加載含量為總含量的33％，模壓固化。固化后的樣品再次放入0.2g/ml的樹脂溶液中浸漬30mim，取出，烘干，稱重，確定第三次樹脂加載含量為總含量的34％，模壓固化，獲得炭纖維紙前驅(qū)體；

(2)熱處理

將步驟(1)中獲得的炭纖維紙前驅(qū)體先在1000℃間進(jìn)行炭化處理，并在此溫度保溫1h。然后在2500℃溫度間進(jìn)行石墨化處理，并在此溫度下保溫1h，獲得炭纖維紙，厚度為0.13mm。

上述步驟(1)中樹脂的總含量為炭纖維紙前驅(qū)體總質(zhì)量的60％。

上述步驟(1)中所述炭纖維紙坯體面密度為10g/m²。

上述步驟(2)中所述超薄炭纖維紙的炭纖維長度為4mm。

上述步驟(2)中所述超薄炭纖維紙的密度為0.42g/cm³

所獲得超薄炭纖維紙拉伸強(qiáng)度為52.32n/cm，面電阻率為1.80mω·cm，氣透率為2539ml·mm·cm^-2·hr^-1·mmaq^-1。