本發(fā)明屬于碳纖維，具體涉及一種改性短切碳纖維及其制備方法，并將所述改性短切碳纖維用于質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，能源轉(zhuǎn)型與綠色低碳發(fā)展已經(jīng)成為不可阻擋的全球趨勢(shì)。隨著低碳經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各國(guó)都將氫能作為重大能源戰(zhàn)略選擇和優(yōu)先發(fā)展研究領(lǐng)域。作為最重要的氫能轉(zhuǎn)化裝置之一，質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)已受到廣泛關(guān)注。作為pemfc的關(guān)鍵材料，氣體擴(kuò)散層(gdl)在電池運(yùn)行中起著重要的作用，包括：水氣傳輸通道、電和熱的傳遞介質(zhì)以及支撐穩(wěn)定整個(gè)電極。氣體擴(kuò)散層通常由基底層和微孔層組成。碳纖維紙是當(dāng)前使用最廣泛的氣體擴(kuò)散層基底材料。

2、碳纖維紙的制備主要采用濕法工藝，即將短切碳纖維在水中均勻分散開(kāi)，再經(jīng)過(guò)抄紙、樹(shù)脂浸漬、固化成形，最后經(jīng)碳化、石墨化等一系列工藝制備而成。由于表面活性基團(tuán)少、疏水性強(qiáng)、纖維之間結(jié)合力弱，因此短切碳纖維在水中難以均勻分散，制成的碳纖維紙機(jī)械性能較差，這也是目前濕法工藝面臨的主要難題。

3、現(xiàn)有的短切碳纖維的制備都是含有環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)上漿劑的碳纖維經(jīng)過(guò)短切得到的，集束性較好，但是在水中很難分散(中國(guó)造紙,2019,38(4)：41-44；中國(guó)專(zhuān)利cn107217491a)。商品化的碳纖維雖然也會(huì)進(jìn)行表面處理，但是并不是為了改善親水性而設(shè)計(jì)，并不適配抄紙的需求。因此，現(xiàn)有碳纖維紙的技術(shù)方案都是短切碳纖維先通過(guò)高溫或有機(jī)溶劑去除上漿劑再重新進(jìn)行表面處理，以改善其親水性和分散性，耗時(shí)耗能且效果不理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種改性短切碳纖維及該改性短切碳纖維的制備方法，并將該改性短切碳纖維用于質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層，可解決碳纖維在水中難以均勻分散的問(wèn)題，提高碳纖維紙的性能。

2、本發(fā)明的目的之一在于提供一種改性短切碳纖維的制備方法，包括：將碳纖維進(jìn)行表面氧化處理后，經(jīng)過(guò)集束劑改性，干燥、短切得到所述的改性短切碳纖維。

3、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述的碳纖維沒(méi)有特別限定，可以選用本領(lǐng)域常用的碳纖維材料，例如，所述的碳纖維選自聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維中的至少一種。

4、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述的集束劑選自水溶性高分子聚合物，優(yōu)選自聚乙烯醇、甲基纖維素、羥甲基纖維素鈉、羥乙基纖維素、水性聚氨酯中的至少一種。

5、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述的制備方法具體包括以下步驟：

6、(1)將碳纖維原絲進(jìn)行預(yù)氧化、低溫碳化、高溫碳化，得到碳纖維；

7、(2)對(duì)步驟(1)得到的碳纖維進(jìn)行表面氧化處理；

8、(3)將氧化處理后的碳纖維浸泡在集束劑溶液中，干燥、短切得到所述的改性短切碳纖維。

9、上述制備方法中，所述步驟(1)中的預(yù)氧化、低溫碳化和高溫碳化過(guò)程可以采用本領(lǐng)域常用的操作過(guò)程，優(yōu)選地，所述預(yù)氧化的條件為：預(yù)氧化氣氛為空氣，180～330℃預(yù)氧化20～100min，優(yōu)選為200～280℃預(yù)氧化30～90min；所述低溫碳化的條件為：低溫碳化氣氛為氮?dú)猓?00～900℃碳化1～3min，優(yōu)選為350～850℃碳化1.5～2.5min；所述高溫碳化的條件為：高溫碳化氣氛為氮?dú)猓?00～1500℃碳化1～3min，優(yōu)選為1000～1400℃碳化1.5～2.5min。

10、上述制備方法中，所述的表面氧化處理選自電化學(xué)陽(yáng)極氧化、液相氧化、氣相氧化中的一種。其中，所述電化學(xué)陽(yáng)極氧化的條件為：電解液濃度為0.1～3.0mol/l，電解質(zhì)選自碳酸氫銨、磷酸二氫銨、碳酸銨、磷酸鈉、氫氧化鈉、硫酸中的至少一種，電流密度為0.1～2.0ma/cm2，電解時(shí)間為30～120s；所述液相氧化的條件為：液相介質(zhì)選自硝酸、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉、過(guò)氧化氫、過(guò)硫酸鉀中至少一種的溶液，液相介質(zhì)的濃度為0.5～5mol/l，溫度為30～80℃，時(shí)間為1～3h；所述氣相氧化的條件為：在空氣和臭氧混合氣氛下，處理溫度為150～450℃，處理時(shí)間為60～240s；優(yōu)選地，所述的混合氣氛中，臭氧的體積百分比濃度為0.5～5.0％。

11、上述制備方法，所述步驟(3)中：所述集束劑溶液中集束劑的質(zhì)量百分濃度為0.5～10％，例如，可以是0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％中的任意數(shù)值或者任意兩數(shù)值間的范圍，優(yōu)選地，所述集束劑溶液中集束劑的質(zhì)量百分濃度為1～5％。

12、上述制備方法，所述步驟(3)中的干燥可以采用本領(lǐng)域常用的干燥設(shè)備和干燥條件，例如，可以采用如下工藝：干燥的條件為80～150℃干燥0.5～3h，優(yōu)選為100～120℃干燥1～2h。

13、本發(fā)明的目的之二在于提供一種改性短切碳纖維，由上述的制備方法制備得到。優(yōu)選地，所得到的改性短切碳纖維包括碳纖維和碳纖維表面的集束劑。

14、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，

15、所述改性短切碳纖維的總纖度為3000～36000dtex，例如，可以是3000、5000、8000、10000、12000、15000、18000、20000、22000、25000、30000、32000、36000中的任意數(shù)值或者任意兩數(shù)值間的范圍，優(yōu)選地，所述改性短切碳纖維的總纖度為10000～30000dtex；

16、所述改性短切碳纖維的長(zhǎng)徑比為500～6000，例如，可以是500、800、1000、1200、1500、1800、2000、2200、2500、2800、3000、3500、4000、4500、5000、5500、6000中的任意數(shù)值或者任意兩數(shù)值間的范圍，優(yōu)選地，所述改性短切碳纖維的長(zhǎng)徑比為1000～3000；

17、所述改性短切碳纖維表面碳含量為50～95％，例如，可以是50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％中的任意數(shù)值或者任意兩數(shù)值間的范圍，優(yōu)選地，所述改性短切碳纖維表面碳含量為60～80％；

18、所述改性短切碳纖維的表面能為50～110mj/m2，例如，可以是50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110中的任意數(shù)值或者任意兩數(shù)值間的范圍，優(yōu)選地，所述改性短切碳纖維的表面能為80～100mj/m2；

19、所述改性短切碳纖維在水中的分散時(shí)間為5～15s，例如，可以是5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15中的任意數(shù)值或者任意兩數(shù)值間的范圍；

20、以改性短切碳纖維總質(zhì)量為100％來(lái)計(jì)，碳纖維表面的集束劑含量為0.1～5％，例如，可以是0.1％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％中的任意數(shù)值或者任意兩數(shù)值間的范圍，優(yōu)選地，以改性短切碳纖維總質(zhì)量為100％來(lái)計(jì)，碳纖維表面的集束劑含量為0.5～3％。

21、本發(fā)明的目的之三在于提供一種上述改性短切碳纖維，在質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層中的應(yīng)用。

22、本發(fā)明通過(guò)將碳纖維原絲進(jìn)行預(yù)氧化、低溫碳化和高溫碳化，再進(jìn)行特定的表面處理和集束劑處理，之后得到改性短切碳纖維。本發(fā)明提供了一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層的改性短切碳纖維及該改性短切碳纖維的制備方法，可解決碳纖維在水中難以均勻分散的問(wèn)題，提高碳纖維紙的性能。

23、本發(fā)明先對(duì)碳纖維進(jìn)行相應(yīng)的表面處理，再通過(guò)特定的集束劑進(jìn)行改性，一方面可以改變碳纖維的表面特性，改善其在水中的分散性以及纖維與纖維之間的結(jié)合能力；另一方面省去了制備碳纖維紙的過(guò)程中對(duì)短切碳纖維的去漿再處理改性過(guò)程，簡(jiǎn)化了步驟，提高了生產(chǎn)效率。本發(fā)明得到的改性短切碳纖維可以很好的滿足質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層對(duì)原料短切碳纖維的要求，改性短切碳纖維在水中的分散效果得到明顯提升，因此制備得到的碳纖維紙厚度更為均勻，從而大大提升了產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性能。