[发明专利]一种可用于炭纸的高表面能碳纤维水溶性上浆剂及其制备方法

说明书

一种可用于炭纸的高表面能碳纤维水溶性上浆剂及其制备方法，属于上浆剂技术领域；该上浆剂按照重量份数计是：水溶性碳纤维上浆剂1‑5份，去离子水99‑95份；水溶性碳纤维上浆剂的结构本发明的制备方法使上浆剂在碳纤维表面引入了大量含氧官能团，提高了碳纤维表面的表面能，从而改善碳纤维与纸浆与树脂的结合性，提升制备的炭纸性能。

技术领域

本发明属于上浆剂技术领域，具体涉及一种可用于炭纸的高表面能碳纤维水溶性上浆剂及其制备方法。

背景技术

炭纸是应用最为广泛的燃料电池中气体扩散层基底材料，其主要由短切碳纤维与增强纤维通过湿法成形得到炭纸原纸，再将炭纸原纸浸渍酚醛树脂得到浸胶纸，后经过一系列模压固化、炭化、石墨化制备而成。制备得到的炭纸含有树脂炭和炭纤维两种炭材料，是一种炭/炭复合材料，故也称为炭/炭纸，简称为炭纸。炭纸具有优异的导电、导热、耐腐蚀性以及可控的孔径分布等特性，可较好地满足燃料电池的需要。但由于树脂经过高温炭化后脆性较强，故炭纸具有较高的脆性，在受挤压和弯曲时易发生断裂。

碳纤维作为增强聚合物基复合材料的理想材料，拥有一系列优异的性能的同时，在应用过程中也存在着一些缺点，例如碳纤维表面呈现化学惰性且光滑，导致碳纤维制备的炭纸的界面结合性能通常较差，从而降低了炭纸的整体性能，使其力学性能与理论值相差较大。因此，为了减少对复合材料性能的影响，通常采用对碳纤维进行表面改性的方式来改善纤维与树脂基体的界面粘结强度。碳纤维表面改性方法多样，包括电化学改性，上浆处理，氧化处理，高能辐射处理等。在各类处理方法中，上浆法不仅能避免碳纤维表面受到污染，保护表面基团的活性，提高纤维集束性，还能浸润碳纤维，提高碳纤维表面能，减小碳纤维与基体间的表面张力，增强碳纤维与基体间的界面粘结程度。此外，在碳纤维表面上浆后能够在碳纤维和基体之间形成良好的界面层，有效提高气体扩散层的性能。

因此，开发适用于炭纸的能够制备高表面能的碳纤维水溶性上浆剂对炭纸行业的发展具有重要意义。同时，水溶性碳纤维上浆剂处理后的碳纤维在水中具有良好的分散性，除炭纸外还可用于多种领域，如：耐摩擦材料、体育器材的制备等。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于炭纸的高表面能碳纤维水溶性上浆剂及其制备方法，该上浆剂可以有效提高碳纤维与基体树脂界面结合能力，提升了所制备炭纸的性能。

一种可用于炭纸的高表面能碳纤维水溶性上浆剂，按照重量份数计，包括：

水溶性碳纤维上浆剂1-5份，去离子水99-95份；

所述的水溶性碳纤维上浆剂的结构式如式1所示：

式1中，n的取值范围为1000～1500；

式1中，R₁为

本发明还提供一种可用于炭纸的高表面能碳纤维水溶性上浆剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：水溶性碳纤维上浆剂的制备

取聚乙二醇、二异氰酸酯溶于溶剂，通氮气，在70℃-85℃条件下反应2-4小时，得到预聚体，然后加入扩链剂，反应1-3小时后冷却到50℃，加入三乙胺继续反应0.5-1小时后再次降温至40℃，并在2000转/分的搅拌速率下滴加适量去离子水，过程持续10min；最后旋转蒸发除去溶剂，干燥，得到水溶性碳纤维上浆剂树脂；

步骤二：用于炭纸的高表面能水溶性碳纤维上浆剂的制备

将步骤一得到的水溶性碳纤维上浆剂树脂在搅拌作用下分散在水中，得到水溶性碳纤维上浆剂；

优选的是，所述步骤一的聚乙二醇选自聚乙二醇-1000和聚乙二醇-1500中的一种。

优选的是，所述步骤一的聚乙二醇和二异氰酸酯的摩尔比为(1-10)：(2-20)。