NCF對碳紙特性的影響

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隨著新能源技術的發展，質子交換膜燃料電池(PEMFC)的應用越來越廣泛，對用作PEMFC電池氣體擴散層材料的碳紙的需求量也日益增長。

PEMFC要求用作氣體擴散電極的碳紙具有:①均勻的多孔結構，優異的透氣性;②低的電阻率，賦予其高的電子傳導能力;③結構緊密且表面平整，以減小接觸電阻，提高導電性能;④較好的化學穩定性和熱穩定性;⑤良好的機械強度，以利于電極制作等優異的性能。它的制造過程主要包括原紙抄造、樹脂浸漬、熱壓固化、石墨化處理等工藝環節［1］。

目前，國產碳紙與日本東麗等國外公司生產的碳紙相比，在機械強度及產品的批量穩定性方面存在一定的差距。納米碳纖維(簡稱ncf)是一種在過渡金屬(如Fe、Ni或它們的合金)的催化作用下，由低碳氫化合物在氫氣作為載氣的情況下高溫裂解生成的具有高比強度、高比模量、高結晶取向度、高導電性、高導熱性及較大比表面積的新型碳材料。一般而言，NCF的直徑介于碳納米管與碳纖維之間，約為50～200nm，長度為5～50μm，比表面積大于16m2/g，它不僅具有一般碳材料所具有的性質，而且與微米級的碳纖維相比，NCF同時具備高強度、高彈性和高剛度［2］。由于NCF所具備的優異特性，近年來在復合材料中的應用受到廣泛關注。

目前NCF在樹脂基復合材料中的應用主要集中于改善材料的導電性和控制熱膨脹系數、賦予材料新的光電特性以及作為改進復合材料力學性能的增強劑3個方面［3］。碳紙原紙中膠黏劑經高溫碳化后大量揮發僅殘存少量碳物質，強度幾乎喪失。采用含碳量高的樹脂浸漬碳紙原紙，經高溫處理，樹脂碳化后殘留的碳對碳纖維起到黏結和增強作用，從而保持碳紙的形狀和強度［4］。本實驗通過在碳紙制備工藝浸漬工序用樹脂中添加NCF，研究NCF對提高碳紙強度的效果和對制成碳紙導電性、透氣性等主要性能的影響，以期為提高國產碳紙的性能提供參考。

1實驗

1.1主要原料與儀器、設備

(1)原料碳紙原紙，自制，由碳纖維配以聚乙烯醇膠黏劑濕法造紙工藝抄造而成，定量80g/m2;NCF，國產，純度95%，平均外徑150nm，長度5～50μm;2127型酚醛樹脂，國產;無水乙醇，化學純。(2)儀器、設備DS-1高速組織搗碎機，國產;實驗室浸膠機，自制;烘箱;平板硫化機;石墨化爐;抗張強度測試儀，國產;透氣度儀，國產;四探針電阻率儀，國產。

1.2實驗方法

1.2.1NCF與碳纖維外觀形貌對比觀測

采用電鏡對NCF的外觀形貌進行觀察并拍攝相應的電鏡照片，用生物顯微鏡對碳纖維的外形進行觀測并拍攝照片。

1.2.2NCF的預處理

由于NCF徑向的納米級尺寸和高的表面能導致它易團聚，分散性較差，為使NCF在樹脂中良好分散并改變其表面性質使之與樹脂有良好的親和力［5］，需進行表面處理。處理方法是先用稀鹽酸預處理，去除其中的金屬粒子，并將團塊狀NCF進行研磨以適當分散。然后進行酸處理，酸處理工藝為將10gNCF放置于500mL球形瓶內，倒入100mL濃H2SO4和濃HN03體積比為3∶1的混合液，裝上回流冷凝管，在通冷卻水的條件下加熱，使酸液沸騰回流約0.5h，而后過濾并用蒸餾水沖洗至pH值為中性，放置于烘箱中于100℃下烘干備用。通過上述處理后在NCF表面引入了—COOH和—OH官能團，從而提高了它的親水性以及與有機相(這里主要是樹脂)的親和力，也改善了分散性。

1.2.3樹脂浸漬液的配制及樹脂浸漬處理

為進行對比實驗，分別配制了加經酸處理NCF和不加NCF的樹脂浸漬液。添加經酸處理NCF的樹脂浸漬液配制方法為:取酸處理后的NCF，加適量水，于高速組織搗碎機中高速分散后，加入到無水乙醇中，并加水稀釋配成乙醇濃度為70%含有NCF的混合液，倒入到2127型酚醛樹脂中充分攪拌使樹脂完全溶解，配成酚醛樹脂濃度為20%的浸漬液。裁成一定尺寸的碳纖維原紙用實驗室浸膠機浸涂樹脂浸漬液，在80℃下烘干，制成碳紙基紙。

1.2.4熱壓、石墨化后處理

碳紙基紙在180℃、8MPa下熱壓，使樹脂固化，碳紙定型。然后置于石墨化爐中于1000℃下先碳化處理一定時間，而后升溫至2000℃進行石墨化處理一定時間，降溫冷卻后制成碳紙樣品。

1.2.5碳紙性能的檢測

按國家標準測試方法測定碳紙的定量、厚度、抗張強度和透氣度，采用四探針電阻率測試儀測試碳紙的電阻率。

2結果與討論

2.1碳纖維與NCF的外形對比

由圖1NCF的電鏡照片可以看出，NCF表面較粗糙，局部有較多枝節狀的絮狀物，因此比表面積較大。由圖2碳纖維的顯微鏡照片可以看出，碳纖維直而挺，纖維表面非常光滑。

2.2NCF對碳紙性能的影響

在樹脂中分別加入用量為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%經酸處理的NCF，制成碳紙的測試數據見表1。由表1數據可知，在樹脂中加入NCF可提高碳紙的抗張強度，且隨著NCF用量的增加，抗張強度逐漸提高。分析認為，一方面是由于NCF表面有大量的絮狀物，比表面積大，當它均勻分散在樹脂中時，其表面可吸附樹脂分子鏈，在樹脂中形成物理交聯點，這些物理交聯點在樹脂和碳纖維的界面起到“拋錨”作用，從而增加了基體和碳纖維的界面黏結強度［6］;另一方面是由于NCF的存在也可減少酚醛樹脂固化收縮率，進而降低界面殘余應力，改善界面黏結狀況。此外，前人的研究表明，碳纖維在低應力下變形率約為1%，脆性大，而NCF在斷裂前的變形率可達15%，這種高彈性十分利于載荷傳遞，從而增加了碳紙的韌性，提高碳紙的抗張強度。

表1中數據也反映出隨著NCF用量的增加，碳紙透氣度降低，這是因為在樹脂中加入NCF相似于加入了納米填料，必然會堵塞碳紙中部分微孔，從而透氣性能下降。由于用作PEMFC氣體擴散層材料的碳紙要求具有較好的透氣度，因此，NCF用量應控制在一定范圍內。

此外，表1數據還表明，加入NCF可使碳紙的電阻率略有降低，也就是提高了碳紙的導電性。表2為碳化溫度對碳紙電阻率影響的實驗結果，其數據進一步表明，在相同碳化溫度下樹脂中加入NCF的碳紙試樣比不加NCF的碳紙試樣電阻率低，同時殘碳率也較低。說明加入NCF的碳紙試樣中樹脂的熱分解提早開始，即熱分解的起始溫度降低，分析認為，NCF的加入在一定程度上起到了“催化劑”的作用。由于PEMFC用碳紙要求具有優異的導電性，因此在碳化工藝相同的條件下樹脂中加入NCF對改善碳紙的導電性能是有利的。當NCF用量大于1.5%時，強度提高幅度減小(見表1)，而透氣度的降低較明顯，考慮成本等因素，NCF的用量以1.5%為最佳。

3結論

3.1電鏡觀察表明，納米碳纖維簡稱(NCF)表面較粗糙，有較多枝節狀的絮狀物，比表面積較大。

3.2浸漬的酚醛樹脂中加入NCF可提高碳紙的抗張強度，且碳紙強度隨著NCF用量的增加而提高，當NCF用量大于1.5%后強度的增幅減小。

3.3浸漬的酚醛樹脂中加入NCF可使碳紙的電阻率略有下降，導電性能得到提高。碳紙的透氣度隨著NCF用量的增加而減小。