[發明專利]一種改性熱固性酚醛樹脂增韌炭紙及制備方法

有效

• 申請號: 202011323016.8
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112538179B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 湯秀秀;宋佃鳳;郁國強;劉娜;何冬梅;吳立群
• 申請（專利權）人: 山東仁豐特種材料股份有限公司
• 主分類號: C08J5/18
• 分類號: C08J5/18;C08L61/06;C08L27/16;D21H13/50;D21H17/36;D21H17/37;D21H21/08;C04B35/52;C04B35/524;C04B35/83
• 代理公司: 北京鼎承知識產權代理有限公司 11551
• 代理人: 顧可嘉;夏華棟

本公開的改性熱固性酚醛樹脂增韌炭紙，通過在熱固酚醛樹脂中加入適宜的改性劑并調整改性劑的適宜比例，制備酚醛樹脂薄膜，然后將薄膜與炭紙原紙通過熱壓復合，可以有效提高炭紙材料的力學和電學性能，強度、韌性、導電性、都得到明顯提高，透氣性未受到顯著影響。另外，制備工藝簡化，減少了有機溶劑的使用，減少了有機溶劑回收成本，保護環境，利于工業化生產。

技術領域

本公開屬于功能材料技術領域，涉及一種用于氫燃料電池用炭紙的改性酚醛樹脂及其制備方法。

背景技術

炭紙的制備一般包括炭紙原紙的制備、樹脂浸漬、熱壓固化、碳化及石墨化過程。酚醛樹脂和碳纖維共同組成炭紙的基本骨架，樹脂對炭紙起到致密、粘結、增強的作用。由于熱固性酚醛樹脂的殘碳率高，有利于提高炭紙的強度和導電性，因此，炭紙用樹脂一般選用熱固性酚醛樹脂。酚醛樹脂本身為脆性材料，酚醛樹脂在碳化時高溫裂解產生較大的揮發分氣體產物，并發生體積收縮，出現樹脂碳與纖維的分離和樹脂炭表面產生裂紋現象，使得炭紙的力學性能受到影響。目前市場上炭紙產品脆性大，不利于連續規模化生產和運輸，在制作電極的過程中極易被損壞，直接影響電池的整體壽命。因此，對熱固性酚醛樹脂進行增韌改性，用于提高炭紙的力學性能和加工性能十分必要。

CN106567283A(中南大學)公開了一種聚乙烯醇縮丁醛(PVB)改性酚醛樹脂增強炭紙及其制備工藝，首先將炭紙浸入PVB溶液中浸漬，然后將浸漬有PVB的炭紙浸入酚醛樹脂溶液中，最后經熱處理得到柔韌性好、強度高的PVB改性酚醛樹脂炭紙。PVB擁有大量的活性羥基，可提高其在醇類中的溶解度，并對酚醛樹脂有很好的粘著力。PVB不僅可以改善酚醛樹脂在炭紙上的分布，而且可以提高碳纖維與基體間的界面結合強度。但是PVB改性酚醛樹脂工藝中，隨PVB質量濃度的增大，基體炭中孔的數目增多、尺寸增大，孔洞超過一定量時必然會引起基體炭的強度降低。隨PVB質量濃度的增大，基體炭與碳纖維連接形成的網絡結構更加致密，炭紙表面孔隙的孔徑明顯變小且數量大量增加。在相同壓力下，由于孔壁與氣體間有黏滯力作用，氣體通過炭紙時，擁有較多小孔的炭紙受到的阻力較大。因此雖然炭紙的孔隙率增加，但孔隙孔徑較小，透氣性不佳。由于PVB炭較酚醛樹脂炭難石墨化，隨著PVB質量濃度升高，炭紙的石墨化度降低，從而炭紙的電阻率升高。

CN102230305B(中南大學)公開了一種端羧基丁腈橡膠(CTBN)改性酚醛樹脂增強炭紙強度的工藝。首先在酚醛樹脂中加入CTBN對酚醛樹脂進行改性，再浸漬炭紙坯體，模壓碳化后得到改性炭紙。由于CTBN是一種遙爪型液體聚合物，其主鏈中含有-CN極性基團，與酚醛樹脂和纖維表面的環氧樹脂均有很好的相容性，可在樹脂中分散均勻，利于增強纖維與基體之間的界面結合。但是CTBN改性酚醛樹脂工藝中，采用CTBN與酚醛樹脂共混后浸漬，由于CTBN不能溶解在酚醛樹脂溶液中，而是以微小顆粒分散。在靜止的環境中容易分離沉淀溶液底部，所以在使用過程必須攪拌，增加了設備費用和產品質量控制的難度；CTBN改性酚醛樹脂增強炭紙強度工藝制備的炭紙，基體炭在炭紙上分布不太均勻。