一种高透气度沥青基碳纤维原纸及其制备工艺

本发明属于特种造纸、碳纤维基材料制备交叉，具体为一种高透气度沥青基碳纤维原纸及其制备工艺。

背景技术：

1、在众多的新能源当中，燃料电池能量转化效率高、低污染、低噪音、适应性强，获得人们的广泛关注。目前，燃料电池主要分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、固态氧化物燃料电池、磷酸燃料电池等，其中质子交换膜燃料电池以氢气、甲醇等燃料，受到市场的重视。质子交换膜燃料电池主要由双极板、气体扩散层、质子交换膜等组成，扩散层不仅仅起着支撑催化剂的作用，还是燃料气体扩散、生成水导出、热量导出、电流收集的重要载体。但同时，由于化学腐蚀性的存在，可作为燃料电池气体扩散层的材料并不多，炭纸是已被日本东丽、德国西格里等国际公司商业化成功的材料，具有极高的商业潜力和 价值。

2、炭纸是碳纤维原纸经过碳化、石墨化、疏水处理得到的，碳纤维原纸的结构和性能决定着最终炭质的品质。然而，碳纤维界面惰性强、脆性大，很难制备出具有高柔韧、高导电、高透气的碳纤维原纸。为了获得高透气度的碳纤维原纸，科技工作者先后用聚乙醇、酚醛树脂等胶粘碳纤维，之后高温固化获得碳纤维原纸。典型的如日本三菱公司的专利us20180069245将碳纤维通过15%的聚乙烯醇胶粘，获得柔性碳纤维纸。tse-hao的专利us2006214320通过与纤维素混抄、酚醛树脂浸渍，获得挠度在1.5～4.8mm的炭纸；此后，mikio等人的专利us6489051通过乙酸乙烯酯、环氧树脂、三聚氰胺树脂等制备碳纸，但存在透气度不足或者新引入杂质的问题。长期以来，由于国内碳纤维起步较晚，碳纤维纸制造技术一直相对落后。

技术实现思路

1、针对传统碳纤维原纸碳纤维纸透气度、强度、导电性、柔性难兼顾的问题，本发明提供一种高透气度沥青基碳纤维原纸及其制备工艺，以沥青基碳纤维为骨架、以芳纶浆粕为辅助成形纤维、低浓度酚醛树脂浸渍为强化剂，制备碳纤维原纸，解决碳纤维纸导电、强度、柔韧性、透气度之间的矛盾。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种高透气度沥青基碳纤维原纸及其制备工艺，包括如下步骤：

4、步骤1，将沥青基碳纤维加入稀盐酸溶液中浸泡，之后经超声波清洗、干燥时间获得沥青基碳纤维a；

5、将废旧芳纶织物通过搓丝、打浆、磨浆进行分丝帚化，获得高比表面积、高末梢分叉、高交织力的芳纶浆粕b；

6、步骤2：先将芳纶浆粕b在水中疏解后，再加入沥青基碳纤维a、peo分散液进行再次疏解，之后通过成形和干燥处理制得沥青基碳纤维纸c；

7、步骤3：将沥青基碳纤维纸c在酚醛树脂分散溶液中浸渍，之后经干燥、热压整饰获得具有高透气度的沥青基碳纤维原纸。

8、优选的，步骤1中，沥青基碳纤维的相关要求如下：长度为3～8 mm，直径为7～8 μm，电阻率为1.5～2.0 μω·m、拉伸强度为2.2～2.4gpa、断裂伸长率为0.25%～0.26%；稀盐酸浓度为1～2%，超声处理时间为5～10min，干燥温度为100～105℃，时间为15～25min。

9、优选的，步骤1中，废旧芳纶织物为对位芳纶纤维，主要来源为废弃防弹衣以及机织物生产边角料。

10、优选的，步骤1中，搓丝时进料时间为40～50kg/h，打浆时的打浆时间为3～5h，磨浆时的磨浆时间为0.5～1.0h，芳纶浆粕b的比表面积为10～12 m2/g。

11、优选的，步骤2中，芳纶浆粕b与水的配比为1.0～1.2g: 2l，疏解转数为疏解转数为5000～6000 rpm。

12、优选的，步骤2中，沥青基碳纤维a与芳纶浆粕b的绝干质量比例为6～5：4，peo分散液的浓度为0.5 g/l、体积为5～10ml，疏解转数为20000～25000rpm。

13、优选的，步骤2中，干燥时，温度为110～120℃，时间为10～15min。

14、优选的，步骤3中，酚醛树脂分散液溶液为工业级乙醇，质量分数为0.8 wt%～1.0wt%，浸渍时间为5～10min。

15、优选的，步骤3中，干燥时，温度为60～70℃，时间为20～30min；热压整饰时，温度为150～180℃，时间为5～8min，压力为6～10mpa。

16、一种由所述的一种高透气度沥青基碳纤维原纸制备工艺得到的沥青基碳纤维原纸。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、首先，本发明一种高透气度沥青基碳纤维原纸制备工艺，以沥青基碳纤维为骨架、以芳纶浆粕为辅助成形纤维、低浓度酚醛树脂浸渍为强化剂，制备具有高透气度的碳纤维原纸，解决碳纤维纸导电、强度、柔韧性、透气度之间矛盾。相比已公开的工艺方案，原料组分进行了优化和限定：一方面，引入了芳纶浆粕纤维，提高成纸匀度、促进纤维交织，另一方面，采用低浓度的酚醛树脂浸渍胶粘，避免孔隙的封堵。在这一结构中，引入的芳纶浆粕分子结构由苯环和酰胺键交替构成，分子结构含碳量高，利于碳化后获得更高电导率的纸张，同时，由于芳纶浆粕分丝帚化具有很好的分散性，还可以提高碳纤维原纸的成纸匀度。

19、引入的芳纶浆粕具有很好的柔韧性、抓附力，成纸后既可以提高纸张的柔韧性和强度，弥补碳纤维过于脆性、界面惰性的缺点，也可以在碳化后形成丰富的导电网络，有利于纸张综合导电性能的提升，解决碳纤维强度、韧性和导电之间的矛盾。此外，芳纶浆粕的比例经过长期工艺优化所得，芳纶浆粕含量过高不利于树脂浸渍，易封堵纸张孔隙结构，芳纶浆粕含量过低，纸张匀度提升不明显，柔韧性不足。

20、进一步的，本发明在引入芳纶浆粕辅助的基础上，通过超低浓的酚醛树脂浸渍实现碳纤维与碳纤维、碳纤维与芳纶浆粕以及芳纶浆粕之间的交织点的粘黏和强化；酚醛树脂的浓度是工艺优化的结果，在超低浓度下，既保障了对纤维接触不足处的补充，便于后续碳化后导电网络的构建，也实现了强度完全、拉伸过程中应力的传递，确保了纸张性能的实现。

21、进一步的，本发明中优选的芳纶浆粕末梢基团含有丰富的氨基，与酚醛树脂具有良好的相容性和自结合力，确保了低浓度下的高效能，其原理是芳纶浆粕末梢基团与树脂可以形成广泛的氢键结合、酚醛树脂固化可以交联芳纶浆粕帚化纤丝，因此二者通过化学与物理共同作用的方式实现高强度的结合，这在其他公开发明专利中是没有的，该原理的实现属于本发明独有的技术要点之一。

22、进一步的，本发明中的浆料疏解转数、纤维添加顺序、干燥温度、热压整饰温度、热压整饰压力均为工艺优化的结果，如浆料疏解转数确保了高分散下的不折断，干燥温度保障了高效下的能耗节省，整饰温度确保了酚醛树脂固化下的不流变封堵，均为长期工艺优化的结果，技术效果在于提升了纸张品质、节约了能耗。

技术特征：

1.一种高透气度沥青基碳纤维原纸制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

2. 根据权利要求1所述的一种高透气度沥青基碳纤维原纸制备工艺，其特征在于，步骤1中，沥青基碳纤维的相关要求如下：长度为3～8 mm，直径为7～8 μm，电阻率为1.5～2.0μω·m、拉伸强度为2.2～2.4gpa、断裂伸长率为0.25%～0.26%；

3.根据权利要求1所述的一种高透气度沥青基碳纤维原纸制备工艺，其特征在于，步骤1中，废旧芳纶织物为对位芳纶纤维，主要来源为废弃防弹衣以及机织物生产边角料。

4. 根据权利要求1所述的一种高透气度沥青基碳纤维原纸制备工艺，其特征在于，步骤1中，搓丝机的进料时间为40～50kg/h，打浆机的打浆时间为3～5h，磨浆机的磨浆时间为0.5～1.0h，芳纶浆粕b的比表面积为10～12 m2/g。

5. 根据权利要求1所述的一种高透气度沥青基碳纤维原纸制备工艺，其特征在于，步骤2中，芳纶浆粕b与水的配比为1.0～1.2g: 2l，疏解转数为5000～6000 rpm。

6. 根据权利要求1所述的一种高透气度沥青基碳纤维原纸制备工艺，其特征在于，步骤2中，沥青基碳纤维a与芳纶浆粕b的绝干质量比例为6～5：4，peo分散液的浓度为0.5 g/l、体积为5～10ml，疏解转数为20000～25000rpm。

7.根据权利要求1所述的一种高透气度沥青基碳纤维原纸制备工艺，其特征在于，步骤2中，干燥时，温度为110～120℃，时间为10～15min。

8. 根据权利要求1所述的一种高透气度沥青基碳纤维原纸制备工艺，其特征在于，步骤3中，酚醛树脂分散液溶液为工业级乙醇，质量分数为0.8 wt%～1.0wt%，浸渍时间为5～10min。

9.根据权利要求1所述的一种高透气度沥青基碳纤维原纸制备工艺，其特征在于，步骤3中，干燥时，温度为60～70℃，时间为20～30min；热压整饰时，温度为150～180℃，时间为5～8min，压力为6～10mpa。

10.一种由权利要求1~9中任意一项所述的一种高透气度沥青基碳纤维原纸制备工艺得到的沥青基碳纤维原纸。

技术总结
本发明涉及特种造纸、碳纤维复合材料制备技术领域，尤其涉及一种高透气度沥青基碳纤维原纸及其制备工艺，其制备方法包括如下步骤：步骤1，利用稀盐酸清洗沥青基碳纤维A；将芳纶纤维分丝帚化，获得芳纶浆粕B；步骤2，将沥青基碳纤维、芳纶浆粕湿法成形获得碳纤维纸；步骤3，将沥青基碳纤维纸酚醛树脂浸渍、干燥、整饰，制得沥青基碳纤维原纸。本发明提出通过酸清洗碳纤维、分丝帚化芳纶纤维、混杂浆料湿法成形、树脂浸渍强化以及热压整饰制备具有高透气度碳纤维原纸的新方法，该方法通过芳纶浆粕辅助交织、低浓度树脂强化，共同解决了强度、柔韧性、高导电、高透气难以兼顾的问题，提供了一种高透气度碳纤维原纸及其制备工艺。

技术研发人员：贾峰峰,陆赵情,陈境峰,解媛,徐明源,李春婷,董佳玥,庞瑞雪
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/23