一种疏水碳纸的制备方法与流程

1.本发明属于碳纤维纸表面改性，具体来说，是一种疏水碳纤维纸的制备方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(pemfc)主要由膜电极组件、气体扩散层(gdl)、双极板以及垫圈组成。其中，气体扩散层是非常关键的一部分，碳纤维纸是一种常见的气体扩散层基底材料。碳纤维纸是用短切碳纤维为骨架，利用湿法造纸技术在抄纸机上制备原纸，用粘结剂经过固化、碳化以及石墨化工艺制备的材料。
3.我国自“八五”计划期间就开始对碳纤维纸的生产过程进行了初步的探索，但对于作为燃料电池气体扩散层的碳纤维纸的探索仍处在初级阶段，没有取得很大的进步。气体扩散层在质子交换膜燃料电池中起着支撑催化剂层、收集电流、提供气体、电子和排水等通道的作用。pemfc在工作时会产生液态水，液态水的存在会堵塞催化剂层和gdl传输的通道，过多的液态水会造成“水淹”的现象，即出现极限电流现象在电池的运行过程中。气态水和液态水分别以扩散和毛细血管压为动力扩散填充到气体扩散层的孔隙中，所以要求气体扩散层具有良好的疏水性。
4.气体扩散层的疏水材料一般选取聚四氟乙烯(ptfe)，基本过程是，将制备好的碳纸浸渍在一定浓度的ptfe乳液一段时间后，100℃烘干，放置于高温电阻炉340～350℃烧结得到疏水碳纸。但是聚四氟乙烯是乳液，微粒直径略大，具有不稳定性。
5.本发明使用氟化沥青作为疏水材料制备疏水碳纸，氟化沥青具有良好的热稳定性和化学稳定性，表面能极低，是ptfe的1/10，具有良好的疏水性。该方法工艺简单，所制备的疏水碳纸疏水性能优异。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种疏水碳纸的制备方法。该方法工艺简单，碳纸中所需负载氟化沥青量少，不需要烧结。
7.一种疏水碳纸，由以下两种制备方法之一得到：
8.(1)浸渍氟化沥青制备疏水碳纸；
9.(2)气相沉积氟化沥青制备疏水碳纸。
10.进一步地，方法(1)中所述浸渍法制备疏水碳纸的具体步骤如下：
11.(a)按照氟化沥青∶三氟甲苯质量比为1∶(25-50)配成氟化沥青溶液；
12.(b)将碳纸在上述溶液中浸渍；
13.(c)取出碳纸干燥；
14.更进一步地，步骤(a)中所述搅拌时间为1-2h。
15.更进一步地，步骤(b)中所述浸渍时间为1-10min。
16.更进一步地，步骤(c)中所述干燥温度为120-130℃，干燥时间为20-40min。
17.进一步地，方法(1)中所述氟化沥青为氟化中间相沥青或氟化中间相炭微球沥青
或氟化各向同性沥青。
18.进一步地，方法(2)中所述气相沉积法制备疏水碳纸的具体步骤为：对氟化沥青400-500℃加热10-40min使其气相沉积到碳纸表面。
19.进一步地，方法(2)中所述氟化沥青为氟化中间相沥青或氟化中间相炭微球沥青或氟化各向同性沥青。
20.一种所述疏水碳纸的制备方法，该方法按照以下步骤进行：
21.方法1：(1)按照质量比1∶(25-50)将氟化沥青∶三氟甲苯搅拌配成氟化沥青溶液；
22.(2)将碳纸在上述溶液中浸渍；
23.(3)取出碳纸干燥；
24.方法2：对氟化沥青400-500℃加热10-40min使其升华，然后气相沉积到碳纸表面。
25.本发明的有益效果是：
26.本发明以氟化沥青作为疏水材料，氟化沥青具有极低的表面能，疏水性能优异，浸渍法制备疏水碳纸是将氟化沥青溶解于三氟甲苯中得到溶液，而常用的疏水试剂为ptfe是乳液。氟化沥青用量少，不需要烧结，制得的碳纸疏水性能优异。工艺简单，易于规模化生产。
附图说明
27.图1为实施例1中疏水碳纸的电镜图。
28.图2为实施例2中疏水碳纸的电镜图。
具体实施方式
29.下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
30.实施例1
31.按照质量比1∶50将氟化中间相沥青∶三氟甲苯配成氟化中间相沥青溶液，常温搅拌1h。取溶解完全的氟化中间相沥青溶液20ml置于容器中，将碳纸放入溶液中浸渍1min后取出，在常温下晾干，在120℃温度下干燥20min。本实施例制备的疏水碳纸氟化沥青负载量为2wt％，接触角为123
°
，电阻率为4.6mω
·
cm。
32.实施例2
33.将氟化中间相炭微球沥青置于酒精灯上面，点燃酒精灯使氟化中间相炭微球沥青气相沉积到碳纸上，沉积时间为20min。本实施例制备的疏水碳纸氟化沥青的负载量为6wt％，接触角为115
°
，电阻率为4.3mω
·
cm。
34.实施例3
35.按照质量比1∶30将氟化各向同性沥青∶三氟甲苯配成氟化各向同性沥青溶液，常温搅拌1.5h。取溶解完全的氟化各向同性沥青溶液20ml置于容器中，将碳纸放入溶液中浸渍3min后取出，在常温下晾干，在130℃温度下干燥30min。本实施例制备的疏水碳纸氟化沥青负载量为10wt％，接触角为125
°
，电阻率为5.2mω
·
cm。
36.实施例4
37.将氟化各向同性沥青置于酒精灯上面，点燃酒精灯使氟化各向同性沥青气相沉积
到碳纸上，沉积时间为40min。本实施例制备的疏水碳纸氟化沥青的负载量为14wt％，接触角为122
°
，电阻率为6.6mω
·
cm。
38.实施例5
39.按照质量比1∶25将氟化中间相炭微球沥青∶三氟甲苯配成氟化中间相炭微球沥青溶液，常温搅拌2h。取溶解完全的氟化中间相沥青溶液20ml置于容器中，将碳纸放入溶液中浸渍4min后取出，在常温下晾干，在115℃温度下干燥40min。本实施例制备的疏水碳纸氟化沥青负载量为14wt％，接触角为125
°
，电阻率为6.5mω
·
cm。
40.实施例6
41.将氟化中间相沥青置于酒精灯上面，点燃酒精灯使氟化各向同性沥青气相沉积到碳纸上，沉积时间为10min。本实施例制备的疏水碳纸氟化沥青的负载量为2wt％，接触角为114
°
，电阻率为4.1mω
·
cm。