[发明专利]CTBN改性酚醛树脂增强碳纤维纸强度的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种CTBN改性酚醛树脂提高碳纤维纸强度的工艺。

背景技术

碳纤维纸是一种广泛应用于PEMFC电极中的气体扩散层材料，它不仅具有均匀的多孔质薄层结构，而且由于其主要原料是石墨化炭纤维，这种纤维具有高导热、高导电、密度小、耐高温、耐烧蚀、强度高等特点，使得它具备优异的导电性、化学稳定性和热稳定性。作为PEMFC的气体扩散层材料，碳纤维纸的性能优劣主要从以下几个方面来把握：

(1)透气性能。透气性能是作为燃料电池气体扩散层的碳纤维纸最重要的性能之一。在质子交换膜燃料电池中，碳纤维纸作为电池的气体扩散层，位于气体传输的关键路径上，其重要作用是，使燃料气体和氧化性气体能顺利扩散到电极上，且均匀分布于催化剂层中，形成最大的电化学反应面积，最大限度地发挥催化剂的作用，进而提高电池效率，节约电池成本。碳纤维纸的透气性直接关系到电池性能，透气性良好，不仅可以减小电池中气体扩散的阻力，降低电极过电位，而且透气性的好坏也直接影响着生成水的导出，电池反应中的水、气的管理一直是制约电池性能提高及商业化应用的一个关键因素。

(2)力学性能。这里的力学性能主要指碳纤维纸的强度，强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，PEMFC中，碳纤维纸的强度直接影响着其在电池中的使用寿命并影响着电池寿命。首先，为了有效改善电池中反应气和电化学反应生成液态水的传质，降低电池在高电流密度区的浓差极化，需对碳纤维纸进行疏水化处理，并使其担载一层由碳粉和PTFE混合物制成的微孔层，这样就要求作为基底层的碳纤维纸具有一定的强度；其次，在制备电极及电池的装配过程中，碳纤维纸需承受装配过程中的机械应力；另外电池使用过程中，碳纤维纸作为气体扩散层，起着支撑催化层、稳定电极结构的作用。只有具备良好的力学性能，才更有利于加工制作，降低气体扩散层出现损伤进而影响到电池性能的可能性，从而可以节约成本，提高电池寿命。

(3)导电性能。由燃料电池电极反应原理知道，阳极产生的电子必须通过气体扩散层传递到阴极催化层反应点，才能保证电池内部电催化反应连续而稳定地进行，因此碳纤维纸必须是电子的良导体，其电阻率越低，那么在电池中所占分压也越小，从而对电池总功率的影响也会降至最低，减小电子、质子传导时引起的欧姆电阻，以便为电子传输提供通道使电子顺利导出，碳纤维纸的优异导电性能可使燃料电池发挥出更高效率。

(4)柔韧性。对于结构材料而言，韧性是除强度外的又一重要性能指标，韧性与脆性相对应，是断裂过程的能量参量，是指材料变形和断裂过程中吸收能量的能力，韧性材料具有高的断裂能。碳纤维纸是一种以树脂炭为基体、以炭纤维作为增强体的脆性复合材料，在受到外加载荷作用时，碳纤维纸的破坏形式主要是炭纤维与炭基体的脱粘及纤维从基体中的拔出。目前国内外碳纤维纸一个致命的弱点是脆性大，不利于大规模的连续工业化生产和运输，在制作电极的过程中极易被损坏，直接影响电池的整体寿命。柔韧性良好的碳纤维纸更利于加工制作，即使是发生损伤后也能有效制止新破坏源生成，延长电极寿命，进一步降低成本。

(5)孔径分布。电池进行电化学反应时，碳纤维纸的多孔结构有利于反应气和生成水的顺利传质，孔径分布越理想，排水性就越好，同时也能有效供应气流，产生更好的电池性能。另外，孔径的大小影响燃料电池的极限电流密度、液态水相饱和度、气体有效扩散因子等，在一定范围内，孔径越大，极限电流密度越大，电池的输出性能相对来说更理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种燃料电池电极的综合性能高，能保证碳纤维纸的透气性的前提下，提高碳纤维纸强度的CTBN改性酚醛树脂增强碳纤维纸强度的工艺。

为了解决上述技术问题，本发明提供的CTBN改性酚醛树脂增强碳纤维纸强度的工艺，工艺步骤如下：

(1)酚醛树脂改性：

配制不同配比的改性酚醛树脂浸渍液，向相同质量的酚醛树脂中分别加入不同质量的CTBN作为酚醛树脂改性剂，其中，CTBN占共混物质量0～40wt％，将酚醛树脂与CTBN的混合物溶于丙酮、乙醇、甲苯、二甲苯或其它醇类或醚类溶剂，并将混合物溶液在70～105℃下搅拌0.5～2.5h以得到反应完全、混合均匀的CTBN改性酚醛树脂；

(2)浸渍：

根据改性酚醛树脂的热重(Tg)图谱计算出含有不同含量CTBN的改性树脂的炭收率，由碳纤维纸的最终密度计算出每种配比浸渍液的浸渍量，根据相应的计算结果，分别以多种不同浓度的改性酚醛树脂液浸渍碳纤维纸坯体，风干后转移至烘箱中，在75～85℃下恒温放置1～2.5h得到烘干的碳纤维纸；