摘要
本研究以Lyocell纤维为增强纤维、PAN短切碳纤维为主体纤维，制备燃料电池气体扩散层用复合碳纤维纸（简称碳纤维纸），探究了磨浆强度对Lyocell纤维浆料和纤维特性的影响，分析了Lyocell纤维的添加对碳纤维的分散性与碳纤维纸的强度性能、透气性能、导电性能的影响。结果表明，Lyocell纤维的添加有效提升了碳纤维的分散性能，提高了碳纤维纸前驱体（CPP）的匀度指数和强度性能，改善了碳纤维纸的强度性能、透气度和导电性能，当碳纤维与Lyocell纤维质量比为7∶3时，碳纤维纸的性能最佳，拉伸强度为14.3 MPa，抗弯强度为5.9 MPa，透气度为248 mm/s，平面电阻率为5.48 mΩ·cm。
关键词
燃料电池发电是继水力、火力、核能发电之后的第四类发电技术，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。其中，质子交换膜燃料电池是最具发展前景的一类燃料电池，具有体积质量小、能量密度高、启动速度快、运行安全可靠等优
GDL用碳纤维纸通常是由短切碳纤维经湿法成形技术制得碳纤维纸前驱体（CPP），再经树脂浸渍、热压固化、碳化、石墨化等工艺制备而成。作为最关键的工艺过程之一，湿法成形直接影响了碳纤维分散的均匀性和CPP的强度性能，对碳纤维纸的强度、透气性、导电性及工艺操作的可行性均具有重要作用。针对碳纤维难分散的问题，国内外研究人员主要通过改变纤维配比、对纤维表面进行改性、添加分散剂、改变分散方式等方法提高碳纤维的分散性
PAN短切碳纤维（长度6 mm和3 mm），日本东丽公司；Lyocell长丝纤维，中国纺织科学研究院有限公司；聚乙烯醇（PVA）、吐温-80，国药集团化学试剂有限公司；热固型酚醛树脂（固含量73%），美晟工程塑化有限公司。
将Lyocell长丝纤维切为短切纤维，通过PFI磨浆机进行磨浆处理；将磨浆后的Lyocell纤维浆粕与碳纤维（3 mm与6 mm碳纤维的质量比为1∶1）分别按照1∶9、2∶8、3∶7和4∶6的质量比混合，向混合纤维中加入一定量的水、吐温-80和PVA，通过疏解机进行疏解分散，制备得到混合纤维浆料；然后将混合纤维浆料通过快速纸页成型器进行湿法成形并干燥后得到CPP。
将制得的CPP置于酚醛树脂-乙醇溶液（质量分数14%）中浸渍1 h，浸渍完成后经烘箱加热进行预固化（温度80 ℃，时间30 min）；使用平板硫化机对浸渍预固化后的CPP进行热压处理（压力4 MPa，温度140 ℃，时间30 min）；然后在氮气保护的管式炉中进行碳化，以5 ℃/min的升温速率从室温升至1000 ℃，并以2 ℃/min的升温速率继续升温至1500 ℃，保温1 h后冷却至室温；最后将碳化后的样品置于石墨化炉中在一定的压力下进行石墨化处理，最高温度为2700 ℃，冷却后制得碳纤维纸。
使用抗张强度仪测试CPP和碳纤维纸的拉伸强度，测试样品宽度为15 mm，拉伸强度由
| （1） |
式中，σt为拉伸强度，MPa；F为最大载荷力，N；b为碳纤维纸宽度，mm；d为碳纤维纸厚度，mm。
使用抗弯强度仪（RH-T300，广州润湖仪器有限公司）利用三点弯曲法对样品的抗弯强度进行测试，测试样品宽度为20 mm，试验机压头以10 mm/min的加载速度均匀无冲击地施载负荷，直至样品断裂。抗弯强度由
| （2） |
式中，Tb为抗弯强度，MPa；F为弯曲断裂负荷值，N；L为支座跨距，mm；Wcp为碳纤维纸宽度，mm；为碳纤维纸平均厚度，mm。
Lyocell纤维是直接将纤维素溶解在无毒、可回收的N-甲基吗琳-N-氧化物中，采用干喷-湿纺工艺纺制而成的纤维素基人造纤维。在生产过程中，Lyocell纤维几乎不发生化学变化，依然保留着天然纤维的独特性能：①表面带有大量基团；②能够分丝帚化。Lyocell纤维具有强度高、截面圆、结构均匀、取向度和结晶程度高等特点，其碳化后形成的纤维拉伸强度和抗弯强度是普通黏胶纤维碳化后的2
由于Lyocell纤维较长且表面光滑，采用磨浆的处理方式对其进行切断和分丝帚化，能够有效提升其分散性能及后续与浸渍树脂间的界面结合强度，因此，探究磨浆强度对Lyocell纤维浆料的影响十分必要。
图1 磨浆强度对Lyocell纤维浆料的影响
Fig. 1 Effect of refining strength on Lyocell fiber pulp
图2 不同磨浆强度下Lyocell纤维的SEM图
Fig. 2 SEM images of Lyocell fiber with different refining strength
湿法成形要求纤维能够在水中形成均匀的纤维悬浮液，良好的分散性将有效提升碳纤维纸的匀度，但是由于碳纤维表面光滑，表面能低，官能团含量少，碳纤维间无法通过氢键结合形成具有一定强度且匀度较好的纸张，导致碳纤维复合材料界面的结合能力较弱，进而影响了碳纤维纸的导电性、透气度和强
图3 不同Lyocell纤维添加量浆料混合液分散情况照片
Fig. 3 Photos of dispersion of mix pulp with different Lyocell fiber addition amount
图4 CPP的实物图和匀度指数
Fig. 4 Photos and formation indexs of CPP
注 (1)碳纤维∶Lyocell=9∶1； (2)碳纤维∶Lyocell=8∶2； (3)碳纤维∶Lyocell=7∶3； (4)碳纤维∶Lyocell=6∶4。
CPP和碳纤维纸的SEM图分别如
图5 CPP的SEM图
Fig. 5 SEM images of CPPs
图6 碳纤维纸的SEM图
Fig. 6 SEM images of carbon fiber papers
在碳纤维纸的制备过程中，CPP和碳纤维纸的强度性能均是需要重点关注的性能指标，过低的强度将无法完成后续的树脂浸渍等工艺流程，而碳纤维纸的强度性能是支撑催化剂层和保证电池正常安装的关键。
图7 CPP和碳纤维纸的强度性能
Fig. 7 Strength properties of CPP and carbon fiber papers
图8 CPP和碳纤维纸的宏观形貌照片
Fig. 8 Photos of CPP and carbon fiber papers
透气性能是碳纤维纸的重要性能之一，对气体快速均匀的进入燃料电池和水的有效排出均具有重要作用，因此，透气度需要保持在适当的水平。
图9 碳纤维纸的透气度
Fig. 9 Air permeability of carbon fiber papers
| 碳纤维∶Lyocell纤维 | 平均孔径 | 最小孔径 | 最大孔径 |
|---|---|---|---|
| 9∶1 | 15.3 | 7.63 | 32.7 |
| 8∶2 | 11.3 | 5.08 | 25.4 |
| 7∶3 | 8.98 | 6.36 | 22.9 |
| 6∶4 | 9.51 | 5.45 | 19.1 |
图10 碳纤维纸的孔隙分布图
Fig. 10 Pore distribution of carbon fiber papers
碳纤维纸的导电性能是最重要的性能之一，直接影响了燃料电池工作过程中的电流传输，
图11 碳纤维纸的平面电阻率
Fig. 11 Plane resistivity of carbon fiber paper
本研究以Lyocell纤维为增强纤维、PAN短切碳纤维（简称碳纤维）为主体纤维制备燃料电池气体扩散层用复合碳纤维纸（简称碳纤维纸），重点探究了Lyocell纤维对碳纤维纸性能的影响。
3.1 磨浆处理是改善Lyocell纤维特性的有效方法，随着磨浆强度的增大，Lyocell纤维浆料的打浆度逐渐提高，纤维长度不断降低，宽度先增大后减小，细小纤维含量不断增加，最佳磨浆转数为9000转。
3.2 磨浆处理增大了Lyocell纤维的表面粗糙度和比表面积，有效地提升了碳纤维的分散性能和碳纤维纸前驱体的强度性能，增大了浸渍树脂对碳纤维的浸润性能，增强了碳纤维与浸渍树脂的机械啮合作用，提升了碳纤维/浸渍树脂间的界面强度性能，进而提高了碳纤维纸的强度性能。
3.3 当碳纤维与Lyocell纤维质量比为7∶3时，碳纤维纸的性能最佳，拉伸强度为14.3 MPa，抗弯强度为5.9 MPa，透气度为248 mm/s，平面电阻率为5.48 mΩ·cm。
参 考 文 献
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