[發明專利]混合紗及其制造方法、炭紙及其制造方法

在審

• 申請號: 202011444372.5
• 申請日: 2020-12-08
• 公開（公告）號: CN112663189A
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發明（設計）人: 吳剛平;劉玉婷
• 申請（專利權）人: 中國科學院山西煤炭化學研究所
• 主分類號: D02G3/04
• 分類號: D02G3/04;D02G3/16;D02G3/40;D21H27/30
• 代理公司: 太原申立德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14115
• 代理人: 程園園

本發明屬于多孔性導電性材料的制備方法技術領域，具體涉及一種混合紗及其制造方法、炭紙及其制造方法。所述混合紗及其制造方法可解決樹脂與纖維分布不均勻的問題，由該混合紗所制備的炭紙可解決炭紙中粘結劑流動分布不均勻、炭化過程中短切碳纖維間粘結劑損失的問題，提高炭紙的導電性。其制備步驟為：將短切碳纖維、熱塑性樹脂纖維、Novolak型酚醛樹脂粒子、固化劑粒子的混合物放入水中，打漿使得炭化纖維絲分散均勻，形成懸浮液，混合抄造形成混合紗；通過加熱涂層工藝使酚醛樹脂熔融涂覆碳纖維和熱塑性樹脂纖維表面；然后在熱塑性樹脂纖維玻璃化溫度以上溫度下實施加熱加壓工藝，使樹脂充分流動均勻分布，經炭化處理，得到導電炭紙。

技術領域

本發明屬于多孔性導電性材料的制備方法技術領域，具體涉及混合紗及其制造方法、由該混合紗制備的導電炭紙及其制造方法。

背景技術

質子交換膜氫燃料電池用炭紙是一種由隨機交絡的短切碳纖維構成，并由高分子粘合劑將短切碳纖維粘合起來，進而通過炭化將高分子粘合劑轉化為炭素材料的多孔質電極基材。該炭紙同時具有集電、氣體傳輸、氣流分配、生成水排出等諸多功能。

中國發明專利CN111549573A公開了一種質子交換膜氫燃料電池用炭紙的制備方法，其中粘結劑為酚醛樹脂、水解度為10～90％的聚丙烯腈樹脂、殼聚糖樹脂、呋喃樹脂等，溶劑為水、甲醇或乙醇。然而，由于高分子粘結劑在高溫下流動性差，極易導致短切碳纖維間高分子粘結劑因熱解而損失，進而導致炭化后由粘結劑分子轉化成的炭素結構減少，因而難以顯著提高炭紙的導電性。

發明內容

針對上述問題，本發明提供了一種混合紗及其制造方法、炭紙及其制造方法，主要思路是在碳纖維紙中引入熱塑性樹脂，并使酚醛樹脂涂布到碳纖維和熱塑性樹脂表面，可使得在高溫下酚醛樹脂隨熱塑性樹脂而具有足夠的流動性，可彌補炭化過程中短切碳纖維間粘結劑損失的問題，因而可有效提高炭紙的導電性。

為達到上述目的，本發明采用了以下技術方案：

一種混合紗，其是由短切碳纖維、熱塑性樹脂纖維、Novolak型酚醛樹脂粒子及固化劑粒子組成的多孔紗。

進一步，所述短切碳纖維無特殊限定，可以是聚丙烯腈基碳纖維，也可以是瀝青基碳纖維，還可以是再生纖維素基碳纖維、纖維素基碳纖維或者酚醛樹脂基碳纖維等。

進一步，所述熱塑性樹脂纖維是聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚對苯二甲酸乙二酯纖維、聚對苯二甲酸丁二酯纖維、聚苯乙烯纖維、聚酰胺纖維、聚碳酸酯纖維中的一種、兩種或兩種以上的組合。

進一步，所述混合紗的面密度為5～50g/m²。如果其面密度低于5g/m²，將導致混合紗成型困難，機械強度顯著下降；如果其面密度高于50g/m²，孔隙過于密集，透氣性下降，熱涂層階段樹脂浸潤性變差。

進一步，所述混合紗的厚度為0.02～0.8mm。如果其厚度小于0.02mm，機械性能較差，不足以支撐；如果厚度大于0.8mm，其厚度方向浸潤性變差，而且會引起后期炭紙的導電性等性能。

進一步，所述短切碳纖維、熱塑性樹脂纖維、Novolak型酚醛樹脂粒子、固化劑粒子的質量比為1：0.6～1.2：0.2～0.8：0.01～0.1；如果熱塑性樹脂纖維用量過少，不足以保證后期在碳纖維間充分流動，將酚醛樹脂分布于碳纖維表面；如果熱塑性樹脂纖維用量過多，碳化處理后殘炭率低，纖維間相互結合弱，力學性能下降。如果Novolak型酚醛樹脂粒子用量過少，不能在在碳纖維和熱塑性樹脂纖維表面形成均勻涂層，無法改善其浸潤性和分布均勻性；如果Novolak型酚醛樹脂粒子用量過多，會導致樹脂炭含量過高，透氣性差。

進一步，所述短切碳纖維的長度為1～30mm。如果短切碳纖維的長度小于1mm，將導致混合紗和最終炭紙力學性能變差；如果短切碳纖維的長度高于30mm，將導致短切碳纖維在水中分散困難，難以制備均勻的抄紙體。