[发明专利]石油重组分作为制备碳纸材料的功能粘合剂

说明书

石油焦、石油沥青和油浆是石油加工过程中生产的高含碳物质统称为石油重组分。本发明涉及到用石油重组分作为功能粘合剂制备碳纸材料及其制备技术，具体的说是在制备质子交换膜燃料电池电极扩散层所用的碳纸材料过程中，用石油重组分代替人工合成高分子树脂作为功能粘合剂的新方法。

质子交换膜燃料电池的电极一般由扩散层和催化层两部分组成，目前国内外用于燃料电池扩散层的制品主要是碳纸材料，而碳纸材料电化学性能的优劣与造纸过程中所加的添加剂如粘合剂和孔隙调节剂密切相关。通常的碳纸材料在抄制过程中，由于碳纤维质脆，打浆时容易切断，且纤维间无自我结合力，因此需要加入粘合剂以及其他填料使碳纸成型。以往在制备碳纸过程中所用的粘合剂都为人工合成的高分子树脂粘合剂，这些人工合成的高分子树脂粘合剂合成工艺一般较为复杂，生产成本较高；特别是人工合成的高分子树脂粘合剂常采用甲醛、苯等有毒物质做原料或稀释剂，极易造成环境污染；同时又由于人工合成的高分子树脂的含碳率较低，在相同碳化条件下样品的碳化程度和石墨化程度也低，因此样品的导电率也相对较低。

本发明的目的在于使用高含碳率的石油重组分代替以往使用的人工合成的高分子树脂作为制备质子交换膜燃料电池电极扩散层碳纸所用的功能粘合剂。其优势在于石油重组分是石油化工的副产品，具有资源丰富，价格便宜，并且含碳率高，在相同碳化条件下样品的碳化程度和石墨化程度也高，因此样品的导电率也相对较高。特别是石油重组分和汽油、柴油等有很好的相溶性，因此可用汽油、柴油做稀释溶剂而避免了使用苯等有毒物质，从而减少了使用过程中对环境的污染。另外，石油重组分在制备碳纸过程不仅可作为粘合剂来提高碳纸的成型强度，而且还可以代替活性炭等碳粉材料作为碳纸的孔隙调节剂。因此是一种多功能性作用的粘合剂。

本发明提供用石油重组分作为粘合剂制备碳纸材料的方法，依次包括下列步骤：

a.将选择的碳纤维进行活化处理(活化处理包括一次活化和二次活化)；

b.配制分散剂水溶液，然后使活化后的碳纤维在分散剂水溶液中分散打浆，制得叩解度为15-30°的碳纤维浆；

c.将纤维素分散打浆，制得叩解度为15-30°的纤维素纸浆；

d.在适当温度下将碳纤维浆液、纤维素纸浆液和其他助剂按一定比例混合，加入一定量的石油重组分粘合剂，放入搅拌机混合搅拌，既可得到造纸混合浆料；

e.按常规湿法造纸技术将造纸混合浆料抄纸成型；

f.将抄制的成型样品氧化预处理使其定型，然后碳化，既可得本发明制备的碳纸。

此制备燃料电池扩散层碳纸的方法的优点是：作为粘合剂的石油重组分的价格便宜，资源丰富，省去了合成高分子树脂粘合剂的过程。用石油重组分作为粘合剂生产的碳纸电化学性能良好。

本发明提供以下实例：

实施实例1

a.将沥青基碳纤维进行一次活化处理，活化剂选择磷酸。活化剂用量为碳纤维重量的10％；化学活化气氛为氮气，活化完毕用蒸馏水将活化剂洗除。

b.将一次活化后的碳纤维再经过二次活化处理，二次活化过程中选择三氯化铁作催化剂，气氛为水蒸气气氛，活化完毕用蒸馏水将催化剂洗除。

c.将碳纤维长丝短切成为长度为10mm的碳纤维；

d.将短切的碳纤维放入打浆机并加入分散剂进行打浆。分散剂为聚氧乙烯。其中分散剂加入量为纸重的0.5％；

e.将木浆在适宜的打浆工艺条件下进行机械分散，制得叩解度为30°的纸浆；

f.在100℃将碳纤维分散液和浆液混合，加入石油沥青(石油重组分之一)混合搅拌，既可得到造纸混合浆料；

g.按常规湿法造纸技术将造纸混合浆料制出所需的碳纤维复合纸；

h.将抄造出的碳纤维纸在300℃氧化，经后处理制备出碳纸。

本发明实施例之一：在步骤f中，将碳纤维分散液和浆液混合后，加入的石油沥青的量为总量的5％，得到造纸混合浆料。

本发明实施例之一：在步骤f中，将碳纤维分散液和浆液混合后，加入的石油沥青的量为总量的8％，得到造纸混合浆料。

本发明实施例之一：在步骤f中，将碳纤维分散液和浆液混合后，加入的石油沥青的量为总量的12％，得到造纸混合浆料。

本发明实施例之一：在步骤f中，将碳纤维分散液和浆液混合后，加入的石油沥青的量为总量的15％，得到造纸混合浆料。

对本发明的样品的性质进行测试，得到的孔隙度及体积电阻率数据列在表1中。