[發(fā)明專利]一種碳纖維紙及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110823811.1
• 申請日: 2021-07-21
• 公開（公告）號: CN113774720B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 汪訓國
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州超探新材料科技有限公司
• 主分類號: D21H27/00
• 分類號: D21H27/00;D21H13/50;D21H15/02;D21H17/48
• 代理公司: 浙江千克知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良

本發(fā)明公開了一種碳纖維紙及其制備方法，本發(fā)明制備方法按以下步驟：(1)對短切聚丙烯腈碳纖維進行親水表面處理；(2)將步驟(1)處理后的短切聚丙烯腈碳纖維置于水中分散、抄紙制成碳纖維原紙；(3)將碳纖維原紙浸漬熱固性酚醛樹脂乙醇溶液，后經(jīng)過烘干、熱壓、固化、碳化制成初級碳纖維紙；(4)采用氫氣為刻蝕劑，在800?1000℃下對初級碳紙表面進行刻蝕；(5)以小分子烴類化合物為反應碳源氣體，在900?1100℃下在碳紙表面沉積一段時間，得到碳紙；(6)將碳紙在2200?2700℃下石墨化一段時間，得到所述的碳纖維紙。本發(fā)明制得的碳纖維紙可以滿足高性能燃料電池、高溫過濾、高性能復合等領(lǐng)域?qū)Ω邚姸鹊男枨蟆?/p>

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于碳纖維應用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高強度碳纖維紙及其制備方法。

背景技術(shù)

碳纖維紙是碳纖維的復合產(chǎn)品，是將碳纖維短切后分散，采用常規(guī)抄紙工藝，然后經(jīng)浸漬、固化、碳化、石墨化工藝制成的紙狀產(chǎn)品。碳紙在燃料電池擴散層和支撐元件、高溫過濾、碳紙增強劑等領(lǐng)域得到廣泛應用。

在使用碳紙的過程中，強度是一個最基本的性能參數(shù)。采用濕法工藝制備的碳紙，其性能主要取決于碳纖維本身強度、浸漬粘結(jié)劑碳化后的強度，其中粘結(jié)劑的作用是決定性因素。由于碳紙作為擴散和結(jié)構(gòu)支撐體，使用者希望碳紙的力學性能越高越好。基于前述工藝制備的碳紙性能已經(jīng)達到該工藝的極限。要進一步提高力學性能，需要在常規(guī)工藝基礎(chǔ)上改進或者采取新的思路和工藝的引入。

對常規(guī)工藝的改進通常通過在浸漬粘結(jié)劑樹脂過程中添加石墨粉、炭黑等方法，對碳紙性能有所提高。如梁伊麗等人在2012年《新型炭材料》雜志第393-399頁發(fā)表的“石墨粉對PEMFC用炭紙性能的影響”一文中研究了添加石墨粉方法對碳紙性能的影響，取得了較好的效果。但其所用粘結(jié)劑依然是樹脂類，對強度等性能的提高有限。為了大幅提高碳紙的性能，中國專利申請?zhí)?00910044785.1公開了一種基于壓差法快速CVI涂層的炭紙性能改善方法和裝置，其采用化學氣相沉積方法，對常規(guī)方法制備碳紙進行改性，性能有較大提高。但該專利申請沒有考慮到不同前驅(qū)體碳(常規(guī)碳紙中的碳與化學沉積碳)之間的結(jié)合力，不同結(jié)構(gòu)的碳的界面結(jié)合力有限，性能提高程度有限。

碳紙產(chǎn)品是碳纖維和非纖維狀碳的復合材料，決定復合材料性能的關(guān)鍵因素是界面結(jié)合力。直接在常規(guī)方法制備的碳紙表面沉積碳的工藝，碳纖維中的碳和樹脂轉(zhuǎn)化的碳與沉積碳的結(jié)合力不夠理想，因為前期形成的碳表面光滑，而且這幾種碳在沉積、石墨化過程中受熱膨脹-收縮不同步，在界面形成微裂紋，不利于碳紙力學性能和綜合性能的提高。對于提高碳纖維與其它物質(zhì)復合的界面強度有許多方法，通過表面處理在碳纖維表面形成溝槽或者表面沉積碳納米管等方法可以改善復合材料的界面。

發(fā)明內(nèi)容

基于現(xiàn)有技術(shù)的上述狀況，本發(fā)明致力于提高碳纖維紙的力學性能，結(jié)合刻蝕石墨烯手段，提供一種沉積碳和碳纖維紙結(jié)合牢固的碳纖維紙及其制備方法。本發(fā)明通過在常規(guī)方法制備的初級碳紙基體表面采用氫氣刻蝕多孔石墨烯結(jié)構(gòu)，然后化學氣相沉積對碳紙進一步增強強度，沉積碳以石墨烯孔洞為強化點，初期沉積碳生長在石墨烯孔洞內(nèi)，后期沉積碳則生長在碳紙空隙處，二者形成鉚接結(jié)構(gòu)，沉積碳和碳紙原有的碳結(jié)合牢固，從而使碳紙力學性能得到大幅提高；而且石墨烯邊緣的理想石墨結(jié)構(gòu)可以對沉積碳誘導石墨化，碳紙的導電和的性能也有一定提高。經(jīng)試驗，本發(fā)明所制得碳紙拉伸強度大于30MPa、電阻率小于6.0mΩ.cm、導熱系數(shù)大于18.0W/m.K。

為了達到上述技術(shù)目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)。

一種碳纖維紙的制備方法，該碳纖維紙通過以下步驟制備得到：

(1)對短切聚丙烯腈碳纖維進行親水表面處理；

(2)將步驟(1)處理后的短切聚丙烯腈碳纖維置于水中分散、抄紙制成碳纖維原紙；

(3)將碳纖維原紙浸漬熱固性酚醛樹脂乙醇溶液，然后經(jīng)過烘干、熱壓、固化、碳化制成初級碳纖維紙；