CN101003956A - 一种复合导电碳纤维纸 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合导电碳纤维纸。用丙烯腈基碳纤维和其它碳素材料作为原料，采用聚苯胺与常规的聚乙烯醇、水溶性酚醛树脂混合后作为粘合剂，聚苯胺是导电高分子聚合物；以及海藻酸钠与常规分散剂混合使用，海藻酸钠可以经受高速剪切而不失效。用常规湿法造纸技术进行造纸，再将得到的碳纸进行真空干燥，然后用5％－20％聚四氟乙烯乳液处理后，最后在通入氮气的情况下进行碳化，碳化温度不低于1000℃，可得复合碳纤维纸。该复合碳纤维纸主要应用于燃料电池方面。

Description

一种复合导电碳纤维纸

技术领域

本发明涉及一种复合导电碳纤维纸，具体地说涉及一种含有导电粘合剂和新型分散剂的复合导电碳纤维纸及其制备方法。

背景技术

目前，上海已制定了未来5年的燃料电池汽车“百千万”发展计划。根据上海制定的″百、千、万″计划，在2007年底，上海将完成新一代燃料电池轿车开发和商业化示范运行所必需的认证试验。2008年开始，小批量生产100辆燃料电池轿车，并形成示范车队；2008年2月前，将完成百辆燃料电池汽车的试制，其车型有望包括上海自主品牌汽车、上海大众帕萨特等。2009年，将生产1000辆燃料电池轿车，投入出租车和公交车使用，为世博会大量用车做好准备；到2011年-2012年左右，将形成1万辆燃料电池车的生产目标，并通过相关鼓励政策，让燃料电池车真正进入商业化渠道，鼓励普通市民购买。

碳纸是质子交换膜燃料电池气体扩散层的关键技术材料之一，世界碳纸市场几乎全部被日本东丽公司，德国SGL公司以及加拿大Ballard Material Products公司占领。目前，每平方米碳纸进口价大约为300美元，如我国自行生产碳纸，价格至少降为其1/3，而按电池用量0.2平方米/1千瓦计算，经济效益非常可观。而如今国家加大了对燃料电池的研制(863计划中的碳纸国产化专项)，以及上海的“百千万”计划。因此，碳纸市场的需求是十分强大的！

目前，在碳纸制备常规技术中，分散剂为聚丙烯酰胺，在打浆机中打浆时，由于高速剪切作用，容易失去分散效果，从而影响孔径以及其分布和空隙率。而常规采用的粘合剂为聚乙烯醇是不导电的，因为碳化时有一少部分的粘合剂肯定会残留在碳纸中，从而会严重降低碳纸的导电性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种复合导电碳纤维纸及其制备方法，以弥补现有技术的不足或缺陷，满足生产和生活的需要。

本发明首先提供了一种复合导电碳纤维纸，该复合导电碳纤维纸包含复合物、分散剂和粘合剂，

其中所述的复合物包含质量百分比含量为90-99％的丙烯腈基碳纤维，和质量百分比含量为1-10％的其它碳素材料；

其中所述的所述的分散剂为海藻酸钠、海藻酸钠、甲基纤维素、海藻酸钠或聚丙烯酰胺中的一种或几种；

其中所述的粘合剂为聚苯胺、聚苯胺、聚乙烯醇、聚苯胺或水溶性酚醛树脂中的一种或几种。

其中所述的丙烯腈基碳纤维的电阻率为0.01-0.05Ωcm，长度为1-10mm；所述的其它碳素材料为石墨、碳微球或C₆₀；所述的聚苯胺的电导率约为5-15S/cm。

本发明还提供了制备上述复合碳纤维的方法，该方法的具体步骤为：

①将丙烯腈基碳纤维用活化剂进行处理1-3小时，而后用蒸馏水洗涤，直至中性；

②加入其它碳素材料，使该材料的质量占复合物的1-10％；

③分别取分散剂和粘合剂，其中分散剂的重量为复合物质量的0.5％-2％，粘合剂的重量为复合物质量的5％-20％，将分散剂和粘合剂分别配成溶液，浓度为1-15％；

④采用常规湿法造纸技术进行造纸；再将得到的碳纸干燥，用5％-20％的聚四氟乙烯乳液处理后，然后在通入氮气的情况下进行碳化，碳化温度不低于1000℃，可得复合碳纤维纸；

其中步骤①中所述的活化剂为1-4mol/l摩尔浓度的NaOH溶液或KOH溶液。

其中常规湿法造纸技术是，先将处理后的丙烯腈基碳纤维与其它碳素材料以及分散剂溶液混合后，在打浆机上进行打浆，打浆完成后加入粘合剂溶液，再在纸样抄取器上抄片。

本发明的碳纸主要应用于燃料电池方面。

本发明的有益效果是：本发明制得的碳纤维纸材料具有很好空隙率和导电性能；添加的新型分散剂可以改善其分散性，采用海藻酸钠与常规分散剂混合使用，分散效果强于单用聚丙烯酰胺，海藻酸钠可以经受高速剪切，而不失去作用，最终碳纸的孔径及其分布较好，同时作为燃料电池气体扩散层的关键材料，有利于气体均匀通过以及水的排出；添加的新型导电粘合剂可以改善其导电性，采用聚苯胺与常规的聚乙烯醇、水溶性酚醛树脂混合后作为粘合剂，聚苯胺是导电高分子聚合物，碳化时有一少部分的粘合剂残留在碳纸中也不会影响其导电性能，最终碳纸的导电性能较好，同时作为燃料电池气体扩散层的关键材料，有利于产生的电子迅速通过，而不受到阻碍，从而有利于燃料电池工业的发展。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细阐述。

实施例1

将丙烯腈基碳纤维切断，取其长度分布为2mm20％，4mm20％，6mm20％，8mm20％，10mm20％，丙烯腈基碳纤维为复合物(丙烯腈基碳纤维和其它碳素材料)质量分数的96％；石墨为复合物质量分数的4％，分散剂为甲基纤维素和海藻酸钠(比例为1∶4)，其用量为复合物质量分数的1％，粘合剂为聚乙烯醇与聚苯胺(比例为1∶4)，其质量分数为复合物的10％，同时将分散剂和粘合剂各自配成溶液，浓度为5％；

利用常规湿法造纸技术就可制得碳纤维纸；

将碳纤维纸放在真空烘箱里干燥2小时，再用浓度为6％的聚四氟乙烯乳液(PTFE)处理；将得到的碳纤维纸在氮气保护情况下进行碳化，碳化温度1200℃，得到所述的高性能碳纤维纸。

制得碳纤维纸的一些性能指标如下：

单位重量0.00022g/cm²，厚度0.25mm，空隙率70％，密度0.45g/cm³，电阻率0.04Ωcm，拉伸强度50 N/cm。

实施例2

将丙烯腈基碳纤维切断，取其长度分布为1mm20％，3mm20％，5mm20％，7mm20％，9mm20％，碳纤维为复合物质量分数的95％；碳微球和C₆₀为复合物质量分数的5％，分散剂为聚丙烯酰胺和海藻酸钠(比例为1∶4)，其用量为复合物质量分数的1％，粘合剂为水溶性酚醛树脂与聚苯胺(比例为1∶4)，其用量为复合物的10％，同时将分散剂和粘合剂各自配成溶液，浓度为8％；

利用常规湿法造纸原理就可制得碳纤维纸；

将碳纤维纸放在真空烘箱里干燥2小时，再用浓度为16％的聚四氟乙烯乳液(PTFE)处理；将得到的碳纤维纸在氮气保护情况下进行碳化，碳化温度1400℃，就可得到所述的高性能碳纤维纸。

制得碳纤维纸的一些性能指标如下：

单位重量0.00031g/cm²，厚度0.3mm，空隙率70％，密度0.42g/cm³，电阻率0.03Ωcm，拉伸强度60N/cm。

Claims (3)

1.一种复合导电碳纤维纸，其特征在于该复合导电碳纤维纸包括复合物、导电粘合剂和分散剂，导电粘合剂为复合物质量的0.1％-1％，分散剂为复合物质量的0.05％-1％。

其中所述的复合物包含质量百分比含量为90-99％的丙烯腈基碳纤维，和质量百分比含量为1-10％的其它碳素材料；

其中所述的分散剂为海藻酸钠、海藻酸钠、甲基纤维素、海藻酸钠或聚丙烯酰胺中的一种或几种；

其中所述的导电粘合剂为聚苯胺、聚苯胺、聚乙烯醇、聚苯胺、水溶性酚醛树脂中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的复合导电碳纤维纸，其特征在于所述的丙烯腈基碳纤维的电阻率为0.01-0.05Ω·cm，长度为1-10mm；所述的其它碳素材料为石墨、碳微球或C₆₀；所述的聚苯胺电导率为5-15S/cm。

3 一种制备权利要求1或2所述的复合导电碳纤维纸的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

①将丙烯腈基碳纤维用活化剂进行处理1-3小时，而后用蒸馏水洗涤，直至中性；

②加入其它碳素材料，使该材料的质量占复合物的1-10％；

③分别取分散剂和粘合剂，其中分散剂的重量为复合物质量的0.5％-2％，粘合剂的重量为复合物重量的5％-20％，将分散剂和粘合剂分别配成溶液，浓度为1-15％；

④采用常规湿法造纸技术进行造纸；再将得到的碳纸干燥，用5％-20％的聚四氟乙烯乳液处理后，然后在通入氮气的情况下进行碳化，碳化温度不低于1000℃，可得复合碳纤维纸；

其中步骤①中所述的活化剂为1-4mol/l摩尔浓度的NaOH溶液或KOH溶液。