專利名稱：石油重組分作為制備碳紙材料的功能粘合劑的制作方法
石油焦、石油瀝青和油漿是石油加工過(guò)程中生產(chǎn)的高含碳物質(zhì)統(tǒng)稱為石油重組分。本發(fā)明涉及到用石油重組分作為功能粘合劑制備碳紙材料及其制備技術(shù)，具體的說(shuō)是在制備質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層所用的碳紙材料過(guò)程中，用石油重組分代替人工合成高分子樹(shù)脂作為功能粘合劑的新方法。
質(zhì)子交換膜燃料電池的電極一般由擴(kuò)散層和催化層兩部分組成，目前國(guó)內(nèi)外用于燃料電池?cái)U(kuò)散層的制品主要是碳紙材料，而碳紙材料電化學(xué)性能的優(yōu)劣與造紙過(guò)程中所加的添加劑如粘合劑和孔隙調(diào)節(jié)劑密切相關(guān)。通常的碳紙材料在抄制過(guò)程中，由于碳纖維質(zhì)脆，打漿時(shí)容易切斷，且纖維間無(wú)自我結(jié)合力，因此需要加入粘合劑以及其他填料使碳紙成型。以往在制備碳紙過(guò)程中所用的粘合劑都為人工合成的高分子樹(shù)脂粘合劑，這些人工合成的高分子樹(shù)脂粘合劑合成工藝一般較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高；特別是人工合成的高分子樹(shù)脂粘合劑常采用甲醛、苯等有毒物質(zhì)做原料或稀釋劑，極易造成環(huán)境污染；同時(shí)又由于人工合成的高分子樹(shù)脂的含碳率較低，在相同碳化條件下樣品的碳化程度和石墨化程度也低，因此樣品的導(dǎo)電率也相對(duì)較低。
本發(fā)明的目的在于使用高含碳率的石油重組分代替以往使用的人工合成的高分子樹(shù)脂作為制備質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層碳紙所用的功能粘合劑。其優(yōu)勢(shì)在于石油重組分是石油化工的副產(chǎn)品，具有資源豐富，價(jià)格便宜，并且含碳率高，在相同碳化條件下樣品的碳化程度和石墨化程度也高，因此樣品的導(dǎo)電率也相對(duì)較高。特別是石油重組分和汽油、柴油等有很好的相溶性，因此可用汽油、柴油做稀釋溶劑而避免了使用苯等有毒物質(zhì)，從而減少了使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染。另外，石油重組分在制備碳紙過(guò)程不僅可作為粘合劑來(lái)提高碳紙的成型強(qiáng)度，而且還可以代替活性炭等碳粉材料作為碳紙的孔隙調(diào)節(jié)劑。因此是一種多功能性作用的粘合劑。
本發(fā)明提供用石油重組分作為粘合劑制備碳紙材料的方法，依次包括下列步驟a.將選擇的碳纖維進(jìn)行活化處理(活化處理包括一次活化和二次活化)；b.配制分散劑水溶液，然后使活化后的碳纖維在分散劑水溶液中分散打漿，制得叩解度為15-30°的碳纖維漿；c.將纖維素分散打漿，制得叩解度為15-30°的纖維素紙漿；
d.在適當(dāng)溫度下將碳纖維漿液、纖維素紙漿液和其他助劑按一定比例混合，加入一定量的石油重組分粘合劑，放入攪拌機(jī)混合攪拌，既可得到造紙混合漿料；e.按常規(guī)濕法造紙技術(shù)將造紙混合漿料抄紙成型；f.將抄制的成型樣品氧化預(yù)處理使其定型，然后碳化，既可得本發(fā)明制備的碳紙。
此制備燃料電池?cái)U(kuò)散層碳紙的方法的優(yōu)點(diǎn)是作為粘合劑的石油重組分的價(jià)格便宜，資源豐富，省去了合成高分子樹(shù)脂粘合劑的過(guò)程。用石油重組分作為粘合劑生產(chǎn)的碳紙電化學(xué)性能良好。
本發(fā)明提供以下實(shí)例實(shí)施實(shí)例1a.將瀝青基碳纖維進(jìn)行一次活化處理，活化劑選擇磷酸?；罨瘎┯昧繛樘祭w維重量的10％；化學(xué)活化氣氛為氮?dú)猓罨戤呌谜麴s水將活化劑洗除。
b.將一次活化后的碳纖維再經(jīng)過(guò)二次活化處理，二次活化過(guò)程中選擇三氯化鐵作催化劑，氣氛為水蒸氣氣氛，活化完畢用蒸餾水將催化劑洗除。
c.將碳纖維長(zhǎng)絲短切成為長(zhǎng)度為10mm的碳纖維；d.將短切的碳纖維放入打漿機(jī)并加入分散劑進(jìn)行打漿。分散劑為聚氧乙烯。其中分散劑加入量為紙重的0.5％；e.將木漿在適宜的打漿工藝條件下進(jìn)行機(jī)械分散，制得叩解度為30°的紙漿；f.在100℃將碳纖維分散液和漿液混合，加入石油瀝青(石油重組分之一)混合攪拌，既可得到造紙混合漿料；g.按常規(guī)濕法造紙技術(shù)將造紙混合漿料制出所需的碳纖維復(fù)合紙；h.將抄造出的碳纖維紙?jiān)?00℃氧化，經(jīng)后處理制備出碳紙。
本發(fā)明實(shí)施例之一在步驟f中，將碳纖維分散液和漿液混合后，加入的石油瀝青的量為總量的5％，得到造紙混合漿料。
本發(fā)明實(shí)施例之一在步驟f中，將碳纖維分散液和漿液混合后，加入的石油瀝青的量為總量的8％，得到造紙混合漿料。
本發(fā)明實(shí)施例之一在步驟f中，將碳纖維分散液和漿液混合后，加入的石油瀝青的量為總量的12％，得到造紙混合漿料。
本發(fā)明實(shí)施例之一在步驟f中，將碳纖維分散液和漿液混合后，加入的石油瀝青的量為總量的15％，得到造紙混合漿料。
對(duì)本發(fā)明的樣品的性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，得到的孔隙度及體積電阻率數(shù)據(jù)列在表1中。
表1 碳紙樣品測(cè)試結(jié)果
本發(fā)明提供如下實(shí)施實(shí)例2以石油重組分石油焦代替石油瀝青，按上述步驟抄紙、后處理，對(duì)本發(fā)明的碳紙性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，得到的孔隙度及體積電阻率數(shù)據(jù)列在表2中。
表2 碳紙樣品測(cè)試結(jié)果
本發(fā)明提供如下實(shí)施實(shí)例3以石油重組分漿油代替石油瀝青，按上述步驟抄紙、后處理，對(duì)本發(fā)明的碳紙性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，孔隙度及體積電阻率數(shù)據(jù)列在表3中。
表3 碳紙樣品測(cè)試結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種用于制備質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層碳紙的新型的功能粘合劑，其特征在于，這種功能粘合劑，既可以作為粘合劑，又可以作為造孔劑，它代替了以往使用的人工合成的高分子樹(shù)脂粘合劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層碳紙中所用粘合劑，其特征在于所用的新的功能粘合劑包括石油重組分中的石油焦、石油瀝青和漿油等高含碳元素物質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層碳紙所用粘合劑，其特征在于粘合劑的用量為0-15％。
4.一種用新型粘合劑制備碳紙的方法，依次包括下列步驟a.將選擇的碳纖維或碳粉進(jìn)行活化處理；b.配制分散劑水溶液，然后使活化后的化學(xué)纖維在分散劑水溶液中分散打漿，制得叩解度為15-30°的化學(xué)纖維漿；c.將纖維素漿分散打漿，制得叩解度為15-30°的紙漿；d.在適當(dāng)溫度下將化學(xué)纖維分散液、紙漿和活化得碳粉按一定比例混合，加入一定量的造孔劑溶液和石油重組分粘合劑，放入攪拌機(jī)混合攪拌，既可得到造紙混合漿料；e.按常規(guī)濕法造紙技術(shù)將造紙混合漿料抄紙；f.將抄制的纖維紙氧化預(yù)處理使其成型，然后炭化，可得本發(fā)明制備的碳紙。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了用石油重組分作為制備碳紙材料的功能粘合劑的新技術(shù),它涉及到用石油重組分作為功能粘合劑制備碳紙材料及其制備技術(shù),具體的說(shuō)是在制備質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層碳紙的過(guò)程中,用石油重組分代替人工合成高分子樹(shù)脂作為功能粘合劑的新方法。該方法具有以下特點(diǎn):作為粘合劑的石油重組分的價(jià)格便宜,資源豐富,省去了合成高分子樹(shù)脂粘合劑的過(guò)程,因此降低了生產(chǎn)成本。用石油重組分作為粘合劑生產(chǎn)的碳紙電化學(xué)性能良好。
文檔編號(hào)H01M4/62GK1377930SQ02116610
公開(kāi)日2002年11月6日 申請(qǐng)日期2002年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月11日
發(fā)明者汪樹(shù)軍, 張羽毳, 張偉, 劉紅研, 趙永豐 申請(qǐng)人:石油大學(xué)(北京)