[发明专利]一种改性热固性酚醛树脂增韧炭纸及制备方法

说明书

本公开的改性热固性酚醛树脂增韧炭纸，通过在热固酚醛树脂中加入适宜的改性剂并调整改性剂的适宜比例，制备酚醛树脂薄膜，然后将薄膜与炭纸原纸通过热压复合，可以有效提高炭纸材料的力学和电学性能，强度、韧性、导电性、都得到明显提高，透气性未受到显著影响。另外，制备工艺简化，减少了有机溶剂的使用，减少了有机溶剂回收成本，保护环境，利于工业化生产。

技术领域

本公开属于功能材料技术领域，涉及一种用于氢燃料电池用炭纸的改性酚醛树脂及其制备方法。

背景技术

炭纸的制备一般包括炭纸原纸的制备、树脂浸渍、热压固化、碳化及石墨化过程。酚醛树脂和碳纤维共同组成炭纸的基本骨架，树脂对炭纸起到致密、粘结、增强的作用。由于热固性酚醛树脂的残碳率高，有利于提高炭纸的强度和导电性，因此，炭纸用树脂一般选用热固性酚醛树脂。酚醛树脂本身为脆性材料，酚醛树脂在碳化时高温裂解产生较大的挥发分气体产物，并发生体积收缩，出现树脂碳与纤维的分离和树脂炭表面产生裂纹现象，使得炭纸的力学性能受到影响。目前市场上炭纸产品脆性大，不利于连续规模化生产和运输，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。因此，对热固性酚醛树脂进行增韧改性，用于提高炭纸的力学性能和加工性能十分必要。

CN106567283A(中南大学)公开了一种聚乙烯醇缩丁醛(PVB)改性酚醛树脂增强炭纸及其制备工艺，首先将炭纸浸入PVB溶液中浸渍，然后将浸渍有PVB的炭纸浸入酚醛树脂溶液中，最后经热处理得到柔韧性好、强度高的PVB改性酚醛树脂炭纸。PVB拥有大量的活性羟基，可提高其在醇类中的溶解度，并对酚醛树脂有很好的粘着力。PVB不仅可以改善酚醛树脂在炭纸上的分布，而且可以提高碳纤维与基体间的界面结合强度。但是PVB改性酚醛树脂工艺中，随PVB质量浓度的增大，基体炭中孔的数目增多、尺寸增大，孔洞超过一定量时必然会引起基体炭的强度降低。随PVB质量浓度的增大，基体炭与碳纤维连接形成的网络结构更加致密，炭纸表面孔隙的孔径明显变小且数量大量增加。在相同压力下，由于孔壁与气体间有黏滞力作用，气体通过炭纸时，拥有较多小孔的炭纸受到的阻力较大。因此虽然炭纸的孔隙率增加，但孔隙孔径较小，透气性不佳。由于PVB炭较酚醛树脂炭难石墨化，随着PVB质量浓度升高，炭纸的石墨化度降低，从而炭纸的电阻率升高。

CN102230305B(中南大学)公开了一种端羧基丁腈橡胶(CTBN)改性酚醛树脂增强炭纸强度的工艺。首先在酚醛树脂中加入CTBN对酚醛树脂进行改性，再浸渍炭纸坯体，模压碳化后得到改性炭纸。由于CTBN是一种遥爪型液体聚合物，其主链中含有-CN极性基团，与酚醛树脂和纤维表面的环氧树脂均有很好的相容性，可在树脂中分散均匀，利于增强纤维与基体之间的界面结合。但是CTBN改性酚醛树脂工艺中，采用CTBN与酚醛树脂共混后浸渍，由于CTBN不能溶解在酚醛树脂溶液中，而是以微小颗粒分散。在静止的环境中容易分离沉淀溶液底部，所以在使用过程必须搅拌，增加了设备费用和产品质量控制的难度；CTBN改性酚醛树脂增强炭纸强度工艺制备的炭纸，基体炭在炭纸上分布不太均匀。