[发明专利]一种短切碳纤维分散的方法及应用

说明书

本发明公开了一种短切碳纤维分散的方法及应用，将碳纤维加入至水中进行初步分散，再加入表面活性剂溶液和纳米纤维素溶液搅拌，然后进行超声处理；其中，纳米纤维素与碳纤维的添加质量比不低于为7.25：1。本发明能够提高碳纤维在水中的分散效率，减少环境污染，且能够获得较长沉降时间的碳纤维分散体系。

技术领域

本发明属于无机纤维分散领域，涉及一种短切碳纤维分散的方法及应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

燃料电池发电是一种不经过燃烧在等温条件下直接以电化学反应方式将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效且与环境友好地转化为电能的发电装置。因其具有高的能量转换效率、无污染等优点，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府的重视，是一种新型的、发展潜力巨大的实用技术。碳纤维纸是燃料电池上一种广泛应用于质子交换的气体扩散层材料，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，具有低密度、高强度、耐高温、抗化学腐蚀、高导电、高导热、生物相容性好等一系列优异特性，常被加工成各种功能材料或高性能复合材料。在最近几年，人们利用抄纸法来获得燃料电池中的气体扩散碳纤维层。中国专利CN 110184849A公开了一种导电碳纤维纸的制备方法，该发明将菌液，葡萄糖溶液，改性海藻酸钠液等与碳纤维相混合进行抄造成型。中国专利CN108914681A公开了一种碳纤维纸的制备方法，该专利使用两种碳纤维进行表面处理后以一定的比例混合进行常规湿法造纸技术制成碳纤维初级纸产品。

尽管碳纤维纸需要进行后续的浸渍树脂以及碳化石墨化等步骤，但是初步碳纸分散均匀才是获得性能良好碳纤维扩散层的关键。使用湿法抄纸技术中碳纤维在水体系中的分散问题一直是制备复合材料的一个难题。碳纤维在体系中分散性差的主要原因有：1.碳纤维单丝细小，表面积大，在基体中容易结团不易良好分散；2.碳纤维的表面成乱层石墨结构，碳碳之间以非极性共价键相连接，导致碳纤维表面活性基团少，表面活性低；3.从碳化高温炉出来时或在加工、运输过程中表面粘附一些杂质，这些杂质增大了纤维间的粘附力，影响其分散性能。如何把细小的短碳纤维由团簇状变为散开状是一个看似简单但却至关重要的问题。目前市场上可购买到的短碳纤维均为长纤维剪切得到，呈团簇状，如果预先分散不均匀，则很难得到纤维分布均匀的复合材料，从而影响复合材料的各种性能。因此，如何使碳纤维良好分散于水中将是制造碳纤维纸过程中的关键因素。

为了使碳纤维分散均匀、避免因絮聚进而影响接下来的实验过程，一些分散方法相继出现。例如中国专利CN109423918A公开了一种燃料电池电极多孔扩散层制造用基础材料碳纤维纸的制备工艺，该专利先使用丙酮和乙醇浸泡碳纤维，之后使用聚乙烯醇、聚丙酸胺、甲基纤维素、羧甲基纤维素钠或羟乙基纤维素作为分散剂对其进行分散处理。中国专利CN108914681A公开了一种碳纤维纸的制备方法，该碳纤维用浓氢氧化钾或氢氧化钠水溶液进行预处理后使用聚氧化乙烯对其进行机械搅拌分散。上述方法只研究和采用了添加羧甲基纤维素以及聚氧化乙烯等高分子分散剂的方法，提升效果相对单一，对环境有一定的危害，并且成纸后在纤维间的留着会造成碳纤维纸的碳含量降低以及影响碳纸强度。且传统分散剂添加成本较高，需要经长时间搅拌才能完成，制备周期较长。

综上，发明人发现，现有采用添加羧甲基纤维素以及聚氧化乙烯等高分子分散剂的方法，提升碳纤维均匀性的效果相对单一，对环境有一定的危害，并且成纸后在纤维间的留着会造成碳纤维纸的碳含量降低以及影响碳纸强度。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种短切碳纤维分散的方法及应用，本发明能够提高碳纤维在水中的分散效率，减少环境污染，且能够获得较长沉降时间的碳纤维分散体系。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：