本發(fā)明涉及一種提升碳纖維布的親水性及導(dǎo)電性的方法，特別是涉及一種通過電漿處理提升碳纖維布的親水性及導(dǎo)電性的方法。

背景技術(shù)：

中國臺灣專利i318243公開一種疏水性含碳材料的制法，是為了要得到一薄膜電極的氣體擴(kuò)散層以及進(jìn)一步應(yīng)用于燃料電池中，所以使用電漿對活性碳纖維進(jìn)行改質(zhì)，以增加其疏水性。經(jīng)電漿改質(zhì)的活性碳纖維具有優(yōu)異的疏水性，并可維持良好的多孔性供氣體擴(kuò)散，可有效提高燃料電池的功率輸出。

然而，所述疏水性含碳材料的應(yīng)用有限，無法適用于各種領(lǐng)域，例如以鉛酸電容電池領(lǐng)域來說，因鉛酸電容電池的電極是直接與硫酸電解液接觸，所以所述疏水性含碳材料并不適合應(yīng)用在鉛酸電池電容中。

基于上述，仍有必要提出一種新穎的碳纖維布的改質(zhì)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的即在于提供一種提升碳纖維布的親水性及導(dǎo)電性的方法。

本發(fā)明提升碳纖維布的親水性及導(dǎo)電性的方法，包含以下步驟：

對一碳纖維布施予一電漿處理，使所述碳纖維布與一親水性物質(zhì)反應(yīng)而于所述碳纖維布上形成親水性官能基團(tuán)，以及使所述碳纖維布中的碳纖維斷裂而形成松散結(jié)構(gòu)，且所述碳纖維布經(jīng)電漿處理后的親水性及導(dǎo)電性大于所述碳纖維布電漿處理前的親水性及導(dǎo)電性。

本發(fā)明提升碳纖維布的親水性及導(dǎo)電性的方法,還包含一在所述電漿處理之后的熱處理。

本發(fā)明提升碳纖維布的親水性及導(dǎo)電性的方法，所述熱處理的溫度范圍為120至170℃。

本發(fā)明提升碳纖維布的親水性及導(dǎo)電性的方法，所述電漿處理對所述碳纖維布的單位時(shí)間處理面積范圍為222mm²/sec至318mm²/sec。

本發(fā)明提升碳纖維布的親水性及導(dǎo)電性的方法，所述電漿處理對碳纖維布的單位面積處理功率量范圍為3.18w/mm²至63.6w/mm²。

本發(fā)明提升碳纖維布的親水性及導(dǎo)電性的方法，當(dāng)進(jìn)行所述電漿處理時(shí)，所述電漿處理使得所述碳纖維布的表面的溫度范圍為50至90℃。

本發(fā)明提升碳纖維布的親水性及導(dǎo)電性的方法，所述親水性物質(zhì)是含氧的物質(zhì)。

本發(fā)明提升碳纖維布的親水性及導(dǎo)電性的方法，所述含氧的物質(zhì)是源自于大氣、氧氣電漿，或此等一組合。

本發(fā)明提升碳纖維布的親水性及導(dǎo)電性的方法，所述電漿處理的電漿是選自于氮?dú)怆姖{、氧氣電漿、氦氣電漿、氬氣電漿，或上述的一組合。

本發(fā)明提升碳纖維布的親水性及導(dǎo)電性的方法，所述電漿處理的功率范圍為50瓦至700瓦。

本發(fā)明的有益的效果在于：通過所述電漿處理使所述碳纖維布與所述親水性物質(zhì)反應(yīng)而于所述碳纖維布上形成親水性官能基團(tuán)，

因此提升所述碳纖維布的親水性，以及通過所述電漿處理使所述碳纖維布中的碳纖維斷裂而形成松散結(jié)構(gòu)，因此提升所述碳纖維布的導(dǎo)電性。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1至4在氮?dú)?n2)環(huán)境下的傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜圖；

圖2是實(shí)施例1至4在大氣環(huán)境下的傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜圖；

圖3是實(shí)施例1以及比較例1的鈕扣型電池充放電測試結(jié)果，為在充放電電流密度為1.5ma/cm²時(shí)的一比電容對充放電電流密度的關(guān)系圖；

圖4是實(shí)施例1的掃描式電子顯微鏡的照片；

圖5是實(shí)施例2的掃描式電子顯微鏡的照片；

圖6是實(shí)施例3的掃描式電子顯微鏡的照片；及

圖7是實(shí)施例4的掃描式電子顯微鏡的照片。

具體實(shí)施方式

以下將就本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說明：

于本文中，所述親水性官能基團(tuán)例如但不限于：c＝o、o-c-o、cooh、oh等。所述碳纖維布的種類并無特別限制，只要經(jīng)電漿處理后能使碳纖維布中的多數(shù)碳纖維被活化并與所述親水性物質(zhì)反應(yīng)而于所述碳纖維上連接親水性官能基團(tuán)，以及經(jīng)電漿處理能使所述碳纖維斷裂而產(chǎn)生松散結(jié)構(gòu)的碳纖維布皆適用。較佳的，所述碳纖維布為活性碳纖維布(activatedcarbonfiber)。所述親水性物質(zhì)并無特別限制，只要能與電漿處理后碳纖維布中被活化的碳纖維反應(yīng)并形成親水性官能基團(tuán)的親水性物質(zhì)皆適用。較佳地，所述親水性物質(zhì)是含氧的物質(zhì)。較佳地，所述含氧的物質(zhì)是源自于大氣、氧氣電漿，或上述的一組合。

較佳地，所述電漿處理為常壓電漿處理，使用所述常壓電漿處理時(shí)，較易于控制操作條件，以及有助于大面積的碳纖維布進(jìn)行電漿處理。較佳地，所述電漿處理的電漿是選自于氮?dú)怆姖{、氧氣電漿、氦氣電漿、氬氣電漿，或此等一組合。所述電漿處理的條件參數(shù)，例如功率范圍、流速范圍、移動(dòng)速率及工作距離等并無特別限制，只要能使所述碳纖維布上形成親水性官能基團(tuán)以及使所述碳纖維斷裂而產(chǎn)生松散結(jié)構(gòu)即可。較佳地，所述電漿處理的功率范圍為50瓦至700瓦，能夠更提升所述碳纖維布經(jīng)電漿處理后的親水性及導(dǎo)電性。較佳地，所述電漿處理對所述碳纖維布的單位時(shí)間處理面積范圍為222mm²/sec至318mm²/sec，能夠更提升所述碳纖維布經(jīng)電漿處理后的親水性及導(dǎo)電性。較佳地，所述電漿處理對碳纖維布的單位面積處理功率量范圍為3.18w/mm²至63.6w/mm²，能夠更提升所述碳纖維布經(jīng)電漿處理后的親水性及導(dǎo)電性。較佳地，當(dāng)進(jìn)行所述電漿處理時(shí)，所述電漿處理使得所述碳纖維布的表面的溫度范圍為50至90℃，能夠更提升所述碳纖維布經(jīng)電漿處理后的親水性及導(dǎo)電性。所述電漿處理的電漿流速范圍例如但不限于5至70ml/min。所述電漿處理的工作距離范圍為5至25mm。所述電漿處理的電漿移動(dòng)速率范圍例如但不限于1至700mm/s。

較佳地，所述提升碳纖維布的親水性及導(dǎo)電性的方法還包含一在 所述電漿處理之后的熱處理。通過所述熱處理能使經(jīng)所述電漿處理后的所述碳纖維布具有長效的導(dǎo)電性。所述熱處理的操作環(huán)境并無特別限制，可在或不在真空或特定氣氛中進(jìn)行。較佳地，所述熱處理的溫度范圍為120至170℃。當(dāng)所述熱處理的溫度范圍為120至170℃時(shí)，能使得經(jīng)所述電漿處理后的所述碳纖維布具有更長效的導(dǎo)電性。所述熱處理的時(shí)間并無特別限制，例如但不限于2至3小時(shí)。

相較于未經(jīng)所述電漿處理的碳纖維布，經(jīng)過所述電漿處理的碳纖維布具有較高的親水性及導(dǎo)電性，其應(yīng)用領(lǐng)域例如但不限于鉛酸電容電池。當(dāng)經(jīng)電漿處理的碳纖維布應(yīng)用在鉛酸電容電池中，因?yàn)榻?jīng)電漿處理的碳纖維布中的碳纖維斷裂并形成松散結(jié)構(gòu)所以具有較高的導(dǎo)電性，并且能夠吸附較多電解液中的電荷，以及因?yàn)榻?jīng)電漿處理的碳纖維布上形成有親水性官能基團(tuán)而使電解液能夠更潤進(jìn)于碳纖維布中，從而使鉛酸電容電池具有較高的電容值。

本發(fā)明將就以下實(shí)施例來進(jìn)一步說明，但應(yīng)了解的是，所述實(shí)施例僅為例示說明，而不應(yīng)被解釋為本發(fā)明實(shí)施的限制。

[實(shí)施例1]

電漿處理：將一活性碳纖維布(廠商：臺碳科技股份有限公司，型號：aw-1114，平均比表面積為1100m²/g，尺寸為1030×1000×0.4mm³)，以一常壓氮?dú)怆姖{裝置[筆式(pen-like)，氮?dú)饧兌?9.99％]對所述活性碳纖維布施予一電漿處理，并使用一能x-y二軸移動(dòng)的控制裝置操控所述常壓氮?dú)怆姖{裝置的移動(dòng)。將所述活性碳纖維布平放在所述控制裝置的平臺上后，先使所述常壓氮?dú)怆姖{裝置的氮?dú)怆姖{順著所述活性碳纖維布的緯線方向掃過所述活性碳纖維布一次，再順著所述活性碳纖維布的經(jīng)線方向掃過所述活性碳纖維布一次，以此做為掃描圈數(shù)「1圈」(「1圈」時(shí)的單位面積處理功率量為3.18w/mm²，每增加一圈，單位面積處理功率量即增一倍。)。其中，所述電漿處理的功率為100瓦，所述氮?dú)怆姖{的流速為15ml/min，所述氮?dú)怆姖{作用的直徑為4mm，氮?dú)怆姖{與所述活性碳纖維布間的工作距離為1.5cm，所述常壓氮?dú)怆姖{裝置的移動(dòng)速率為30mm/s。

熱處理：接著，將經(jīng)電漿處理的活性碳纖維布放置在一不銹鋼盤上，并置入一循環(huán)烘箱中，將所述循環(huán)烘箱的溫度控制在150℃，熱 處理2小時(shí)，得到一經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布。

[實(shí)施例2至4]

實(shí)施例2至4中電漿處理及熱處理的方式是與實(shí)施例1中相同，差別在于改變電漿處理的圈數(shù)。實(shí)施例1至4中電漿處理的圈數(shù)是如表1所示。

[比較例1]

以市售且未經(jīng)改質(zhì)的活性碳纖維布(廠商：臺碳科技股份有限公司，型號：aw-1114，平均比表面積為1100平方米/克)做為比較例1。

[經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布的應(yīng)用]鈕扣型充電電池

使用實(shí)施例1及2的經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布依照現(xiàn)有方式分別制備成cr2032鈕扣型電池，其中，鈕扣型充電電池的結(jié)構(gòu)由下至上依序?yàn)椋翰讳P鋼下蓋、不銹鋼片、高親水性導(dǎo)電碳纖維布、pp隔離膜、高親水性導(dǎo)電碳纖維布、彈簧片，及不銹鋼上蓋，并以濃度為1m的h2so4做為電解液。

并使用比較例1未經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布依照相同的方式制備成cr2032鈕扣型電池。

[評價(jià)項(xiàng)目]

1.水接觸角

使用座滴法(sessiledrop)量測實(shí)施例1至4的經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布，以及比較例1未經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布的水接觸角。水接觸角的結(jié)果如表1所示。

2.x-射線光電子光譜(xps)

以x光光電子能譜儀(廠商：ulvac-phi，型號：phi5000versaprobeii)量測實(shí)施例1至4的經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布，以及比較例1未經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布。x-射線光電子光譜的結(jié)果如表2及3所示。

3.傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(ftir)

以傅里葉轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀(廠商：thermoscientific，型號：nicilet6700)量測實(shí)施例1至4的經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布。傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜的結(jié)果如圖1及圖2所示。

4.交流阻抗頻譜測試(eis)

將上述使用實(shí)施例1及比較例1所制得的鈕扣型電池，以恒電位儀(廠商：autolab，型號：pgstat30)進(jìn)行交流阻抗頻譜測試，得到實(shí)施例1及比較例1所制得的鈕扣型電池的界面接觸阻抗(rc)，結(jié)果如表1所示。

5.充放電測試

以恒電位儀(廠商：autolab，型號：pgstat30)對上述使用實(shí)施例1、2及比較例1所制得的鈕扣型電池進(jìn)行充放電測試。其中，在充放電電流密度為1.5ma/cm²時(shí)，實(shí)施例1、2及比較例1的鈕扣型電池的比電容值結(jié)果是如表1所示，實(shí)施例1及比較例1的鈕扣型電池的比電容對充放電電流密度的關(guān)系圖是如圖3所示。

表1

注：「---」表示未量測。

表2

表3

[注]：

i(a)：水氣吸附(adsorbedwater)；

ii(a)：c-o，羥基中的氧原子；

iii(a)：羰基中的c＝o、羧基、醌(quinone)中的氧；

i(b)：羧基及酯基的碳；

ii(b)：羰基、醌基及酮基的碳；

iii(b)：醇基及醚基的碳；

iv(b)：石墨；

v(b)：碳化物(carbide)。

從表1中水接觸角的結(jié)果可知，實(shí)施例1至4的經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布的水接觸角為0度，表示實(shí)施例1至4的經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布具有很高的親水性。比較例1未經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布的水接觸角為120度，代表實(shí)施例1未經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布的親水性較差。證明通過電漿處理確實(shí)能使得碳纖維布經(jīng)電漿處理后的親水性大于碳纖維布電漿處理前的親水性。

從表2中「o1s」峰值的結(jié)果可知，實(shí)施例1至4的經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布的氧的相對含量為22.4％至34.6％，而比較例1的未經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布的氧的相對含量為11.3％，證明通過電漿處理確實(shí)能使得碳纖維布中的多數(shù)碳纖維被活化并與氧反應(yīng)而使得碳纖維布上的氧增加。并配合圖1及2可知，實(shí)施例1至4經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布具有親水性官能基(o-h、c＝o、c-o、-cooh)，證明通過所述電漿處理確實(shí)能使得碳纖維布中的多數(shù)碳纖維被活化并與親水性物質(zhì)反應(yīng)而于所述碳纖維上連接親水性官能基團(tuán)。

配合表2及表3中的「o1s峰位的i(a)」相對含量可知，實(shí)施例1經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布所吸附水氣的相對含量為3.36％(0.15×0.224×100％)，實(shí)施例2經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布所吸附水氣的相對含量為5.88％(0.17×0.346×100％)，實(shí)施例3經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布所吸附水氣的相對含量為9.74％(0.29×0.336×100％)，實(shí)施例4經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布所吸附水氣的相對含量為9.95％(0.32×0.311×100％)，皆高于比較例1未經(jīng)改質(zhì)活性碳纖維布所吸附水氣的相對含量為1.58％(0.14×0.113×100％)，證明通過電漿處理確實(shí)能使得碳纖維布經(jīng)電漿處理后的親水性大于所述碳纖維布電漿處理前的親水性。

由表1中界面接觸阻抗的結(jié)果可知，實(shí)施例1所制得的鈕扣型電池具有較低的界面接觸阻抗，比較例1所制得的鈕扣型電池具有較高的界面接觸阻抗。以及由表1中充放電測試的結(jié)果可知，實(shí)施例1與實(shí)施例2所制得的鈕扣型電池能承受較快的充電速率，比較例1所制得的鈕扣型電僅可承受較慢的充電速率。并由圖3可知，實(shí)施例1所制得的鈕扣型電池具有較高的比電容，比較例1制得的鈕扣型電池具有較低的比電容。證明通過所述電漿處理確實(shí)能使得碳纖維布經(jīng)電漿處理后的的導(dǎo)電性大于所述碳纖維布電漿處理前的導(dǎo)電性，從而使得鈕扣型電池具有較佳的性能。

由圖4至7證明，通過電漿處理確實(shí)使得碳纖維布中的碳纖維斷裂而形成松散結(jié)構(gòu)。

綜上所述，通過所述電漿處理能使所述碳纖維布與所述親水性物質(zhì)反應(yīng)而于所述碳纖維布上形成親水性官能基團(tuán)，因此提升所述碳纖維布的親水性，以及通過所述電漿處理使所述碳纖維布中的碳纖維斷裂而形成松散結(jié)構(gòu)，因此提升所述碳纖維布的導(dǎo)電性，故確實(shí)能達(dá)成本發(fā)明之目的。

只是以上所述，為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，當(dāng)不能用此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，也就是說大凡依本發(fā)明權(quán)利要求書及發(fā)明說明書所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍。