碳纤维纸张电热及温敏性效应研究

碳纤维纸张可作为优良的面状发热材料,若将其作为采暖地板中的电热元件,可实现地板、采暖一体化,具有广阔的市场前景,为避免碳纤维纸张在使用过程中出现安全隐患,需对碳纤维在碳纤维纸张中的电热和负温度系数(NTC)效应的作用机制进行研究。为了探究碳纤维纸张在通电加热条件下电热及电阻随温度变化的规律,采用红外热成像仪、体式显微镜等仪器分析了碳纤维单丝、搭接单丝、平行单丝及碳纤维纸张4种发热单元的电热和温敏效应,结果表明:碳纤维单丝、搭接单丝及碳纤维纸张表面温度变化趋势均随着输入功率的增加呈现线性增加,在单丝平行方向和垂直方向温度均呈GaussAmp方程曲线分布,碳纤维单丝相互距离等于或者小于0.8 cm,即可将两单丝间温度不均匀度控制在1℃以内;通电加热初期,发热单元电阻随温升的增加而急剧下降,当碳纤维单丝加载80 mW功率(即单丝温度接近35℃),纸张加载2000 mW功率(即纸张表面温度接近97℃)时,电阻值变化趋势趋于稳定,表明碳纤维单丝及碳纤维纸张均具有明显的NTC效应,并且发热单元中搭接单丝的NTC效应和电热效应在碳纤维纸张中起着主导作用,这对于创制适宜的采暖地板发热元件具有积极的指导意义。

高性能碳纤维纸研究

研究了用于燃料电池气体扩散层的高性能碳纤维纸,把针叶木浆纤维和碳纤维进行复合制备;对工序及其参数,如碳纤维的表面预处理和分散、针叶木浆打浆工艺、碳纤维配比、不同定量等开展了综合研究,分析了工艺参数对碳纤维纸物性指标和纤维形态的影响。结果表明,对碳纤维表面进行去胶处理时,使用乙醇加热回流萃取的方法效果较佳;针叶木浆较佳的打浆工艺为:疏解10min+2.1kg压力打浆10min+3.1kg压力打浆10min(打浆度24°SR);普通碳纤维导电纸较佳的碳纤维配比为15%,高性能碳纤维纸较佳的碳纤维配比为40%,所制备的高性能碳纤维纸电阻率低、强度较好、透气度较高。

质子交换膜燃料电池用碳纤维纸的研究进展

碳纤维纸是目前质子交换膜燃料电池(PEMFC)气体扩散层首选材料。基于湿法成纸技术,针对碳纤维纸原材料(短切碳纤维)在成纸过程中的分散展开分析,系统梳理了碳纤维成纸关键影响因素、碳纤维纸疏水改性及微孔层处理的方法,论述了国内外在改善碳纤维纸性能方面的研究情况。最后指出,未来碳纤维纸进一步发展的关键在于其原材料的技术开发和转化应用,以及碳纤维纸制备过程中的结构-性能关系研究和碳化石墨化过程机制研究。

掺入低碳纤维制备无浆碳纤维纸原纸及其性能研究

为解决质子交换膜燃料电池用碳纤维纸(CP)原纸均匀性差、强度偏低的问题,采用不同含碳量的6 mm无浆碳纤维混合抄纸(以高含碳量碳纤维为主体纤维、低含碳量碳纤维为掺杂纤维),通过控制低含碳量碳纤维的比例和浸渍液浓度制备CP原纸,研究其对CP原纸的厚度、均匀度、平面电阻率、拉伸强度及孔隙率的影响。结果表明:掺入低含碳量碳纤维有利于提高CP原纸的均匀性,增强CP原纸的力学性能;随着低含碳量碳纤维含量的增加,CP原纸的厚度减小,均匀度增大,平面电阻率增大,拉伸强度提高,孔隙率先降后升;随着浸渍液浓度的增加,CP原纸的厚度减小,均匀度增大,平面电阻率降低,拉伸强度提高,孔隙率降低;在浸渍液酚醛树脂质量分数为7.5%、低含碳量碳纤维质量分数为30%时,CP原纸的三维结构紧密,孔隙结构均匀,厚度为163.6μm,平面电阻率达32.0 mΩ·cm,拉伸强度为51.4 MPa,孔隙率达65.65%。

PBO纤维纸基复合材料的热老化及高温力学性能研究

本研究采用湿法成形技术制备了聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纸,将其浸渍聚酰亚胺(PI)树脂后,得到PBO纤维纸基复合材料(PBO/PI),随后对PBO/PI进行300℃的老化,并在300℃下测试了其拉伸性能。将PBO/PI与模拟蜂窝格壁的间位芳纶浸渍纸(PMIA/PI)进行对比,分析了老化和高温对PBO/PI和PMIA/PI力学性能的影响。结果表明,在300℃的高温老化下,由于材料微裂纹的产生及扩展,二者拉伸强度均呈下降趋势,但老化前后PBO/PI的强度均比PMIA/PI更强。动态力学性能显示,老化前后PBO/PI的储能模量大于PMIA/PI的储能模量,说明PBO/PI的刚性比PMIA/PI大,在高温下仍不易发生变形。在300℃的高温拉伸测试下,PBO/PI的拉伸强度和保持率均比PMIA/PI要高。PBO/PI在常温及300℃高温下的力学性能均优于PMIA/PI,PBO纤维制备的复合材料可用于需要高的抗变形和热稳定性的承重结构和蜂窝部件中。

PPTA复合纤维素纤维纸的制备及性能研究

本研究探讨了PPTA与纤维素纤维纸复合的工艺技术,将中等分子质量的聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)在DMPU/LiCl中溶解并配制成稳定的溶液,采用刮涂法将其定速刮涂至普通的纤维素纤维纸表面,经凝固浴处理,使PPTA在纤维素纤维纸表面形成凝胶涂层,经干燥得到PPTA涂布纤维素纤维纸。PPTA表面涂层的引入改善了纤维素纤维纸表面的致密性和连续性,且其可以与纤维素纤维纸形成牢固的相互作用。在PPTA质量分数约5.7%的条件下,复合纸的拉伸强度从纤维素纤维纸的25.6 MPa提高至79.7 MPa,增长了211%;湿抗张强度从0.134 kN/m提高至0.731 kN/m,增长了446%;撕裂度从316.3 mN提高至662.3 mN,增长了109%,而且复合纸的阻燃性有显著增长,离火3 s内可自行熄灭,复合纸的电击穿强度达20.9 kV/mm,比纤维素纤维纸提高了90%。

玻璃纤维纸增强聚四氟乙烯基复合材料的制备

玻璃纤维增强聚四氟乙烯(PTFE)复合材料是应用于高频/高速电子领域的一类关键基础材料。针对玻璃纤维布浸渍路线制备的复合材料上胶量不高的问题,以无碱玻璃棉纤维、短切石英玻璃纤维作为原料,采用湿法成型技术通过改变玻璃棉的打浆度制备了一系列结构均一、孔隙率高的玻璃纤维纸,并通过进一步浸渍PTFE乳液,采用冷压烧结的方式制备了一系列具有高树脂含量的PTFE基复合材料。系统研究了纸张孔隙结构对上胶量的影响,同时对不同上胶量的PTFE基复合材料的性能进行了进一步探究。结果表明,通过降低玻璃棉的打浆度可以有效提高纸张的孔径、透气度、孔隙率从而获得更高的上胶量以制备出介电性能更加优异的介质基板材料。随玻璃棉打浆度由21°SR增加至46°SR,玻璃纤维纸的透气度由382mm/s降低至55mm/s,平均孔径由8.21µm降低至2.20µm。当所用玻璃棉打浆度为21°SR时,抄造的玻璃纤维纸孔隙率为89.7%,上胶量高达89.17%。此时PTFE基复合材料具有最优异的介电特性,相对介电常数为2.246,介电损耗为1.26‰。

芳纶1313纤维纸基复合材料及其研究进展

高性能芳纶1313纤维纸基复合材料是航空航天、船舶、电子、绝缘等领域的重要材料,目前在国内还没有厂家正式投产,在国际上也被美国杜邦公司和日本帝人公司垄断生产。重点论述了芳纶1313纤维纸基复合材料的纤维组成、性能以及应用前景,并评述了国内外芳纶1313纤维和芳纶1313纤维纸的研究进展。近年来国内该材料的发展较为迅速,该课题组成功实施产业化项目后,有望打破杜邦公司的垄断地位。

增强剂对碳纤维纸性能影响的研究

研究了三聚氰胺甲醛树脂(MF)、聚酰胺环氧氯丙烷(PAE)、聚乙烯醇(PVA)和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)4种增强剂以浆内添加和表面涂覆两种方式对碳纤维纸强度、透气度和导电性能的影响,同时分析了压榨对碳纤维纸性能的影响。结果表明,增强剂在提高碳纤维纸物理指数的同时降低了其导电性和透气性。浆内添加MF对碳纤维纸抗张指数的提升最为明显,但电阻和透气度的降低幅度也最大;表面涂覆CPAM,对碳纤维纸抗张指数影响显著,最大值较其他增强剂增大了近2倍,表明CPAM的表面涂覆可以进一步增加碳纤维纸强度;压榨可以明显提高碳纤维纸的抗张指数,在增强剂用量较低的时,抗张指数的提升幅度被强化,可使抗张指数提前达到最高值;减弱了增强剂对碳纤维纸电阻的影响。

质子交换膜燃料电池用炭纤维纸的制备和表征

采用干法成型技术制备聚丙烯腈(PAN)基炭纤维纸坯体,将其经树脂浸渍、热压、炭化、石墨化处理后制备成轻量化炭纤维纸。利用扫描电子显微镜(SEM)观察炭纤维纸及坯体的显微结构,利用X射线衍射仪测试不同温度处理后的石墨化度,并利用四探针法测试炭纤维纸的导电性能,透气性采用压差法进行测试。结果表明:石墨化温度是影响炭纤维纸电阻率的关键因素,而密度对电阻率的影响较小;透气性随厚度和体积密度的增加而降低;制备的炭纤维纸厚度为0.11mm、密度为0.65g/cm3,将其经2000℃石墨化处理后,采用Pt载量0.5mg/cm2的Core112CCM为膜电极,在H2与空气的流量比为1.2-5、温度60℃、常压条件下进行单体电池性能测试,电流密度为500mA/cm2时输出电压为0.6V,电池输出性能较好。

中间相沥青粒子对PEMFC用碳纤维纸性能的影响

以酚醛树脂和中间相沥青为粘合剂,通过浸渍、模压、碳化过程将一种廉价的国产碳纤维纸原纸改性成为一种质子交换膜燃料电池扩散层使用的碳纤维纸,大大降低了其成本。表征了所得碳纤维纸的主要性能——厚度、密度、孔隙率、透气性、电阻率和拉伸强度。结果表明,中间相沥青粒子不仅能够提高碳纤维纸的导电性和强度,而且不会像石墨粉一样引起孔隙率的极大降低。当中间相沥青粒子含量为15%时,所得碳纤维纸的性能基本满足质子交换膜燃料电池扩散层的使用要求。

聚芳酰胺纤维纸的研制开发

主要研究了聚芳酰胺纤维纸的生产工艺,包括打浆工艺、热洗工艺、抄造工艺、热压工艺等。

热压对聚酰亚胺纤维纸性能的影响

以聚酰亚胺短切纤维为主要纤维原料抄造聚酰亚胺纤维原纸,将原纸用聚酰亚胺树脂溶液浸渍后在不同的工艺条件下进行热压,探讨了热压温度和热压压力对聚酰亚胺纤维纸性能的影响。实验结果表明,当热压压力为12 MPa、热压温度为220℃时,纸张有较好的度性能和电气性能。

活性炭纤维纸的制备、结构及性能研究

采用湿法造纸工艺制备活性炭纤维纸 (ACFP) ,探讨了分散剂、活性炭纤维与纸浆纤维配比对活性炭纤维纸的透气度、抗张强度、比表面积和微孔体积的影响。结果表明 ,分散剂可增加ACFP的抗张强度而对透气度影响较小 ,随活性炭纤维含量的增加 ,ACFP的透气度增加而抗张强度下降 ,ACFP具有与活性炭纤维类似的孔径大小和孔径分布 ,二者的氮气吸附等温线均为I型等温线 ,吸附机理均为微孔填充 ,ACFP的形态结构为无序随机排列。

用于燃料电池碳纤维纸的研究进展

介绍了用于燃料电池碳纤维纸的国内外研究情况并说明了其生产的工艺流程,分析了用于燃料电池碳纤维纸的特点,指出了国内研制碳纤维存在的问题及其发展前景。

高性能印制电路板用聚芳酰胺纤维纸的研究进展

综述了高性能印制电路板(PCB)用聚芳酰胺纤维纸的性能特点,通过对其发展背景及市场需求的论述,讨论了相关制备技术的发展趋势,并介绍了本课题组的研究进展。

用于燃料电池的碳纤维纸的制备与表征

根据湿法造纸原理,用丙烯腈基碳纤维作为原料,然后经憎水和碳化处理,制得高性能碳纤维纸。同时介绍了碳纤维纸表征原理及方法。制得碳纤维纸性能指标如下:电阻率14.58mΩ.cm;空隙率73%;疏水性能非常好。

玻璃纤维纸的增强研究

研究了不同物理、化学方法对玻璃纤维进行表面处理,同时采用加酸、加打浆过的植物纤维和加增强剂对玻璃纤维纸进行增强。结果表明,热处理对玻璃纤维进行表面处理效果最好;加打浆过的植物纤维和加增强剂对玻璃纤维纸有明显的增强作用。

湿法抄造硅酸铝纤维纸工艺的探讨

以硅酸铝纤维为原料,采用湿法抄纸工艺抄造硅酸铝纤维纸。研究了硅酸铝纤维的打浆和除渣工艺,比较了胶黏剂对硅酸铝纤维纸强度和耐温性能的影响,探讨了不同温度下紧度对硅酸铝纤维纸导热系数的影响。结果表明,采用水玻璃作胶黏剂,不仅能够满足成纸强度的要求,而且可以满足成纸耐高温的要求。在400、800和1200℃温度下使用的纸张,紧度分别控制为280～300kg/m3、320～350kg/m3、350～400kg/m3时,硅酸铝纤维纸的导热系数最低。

CVD法制备质子交换膜燃料电池用炭纤维纸

采用干法成型技术制备聚丙烯腈(PAN)基炭纤维纸坯体,用化学气相沉积(CVD)法将其制备成炭纸,并在2000℃进行石墨化处理。利用扫描电子显微镜(SEM)和偏光显微分析(PLM)观察炭纸及坯体的显微结构,利用X射线衍射仪测试炭纸的石墨化度,并利用四探针法测试炭纸的导电性能。研究结果表明:采用干法成型技术制备的炭纸坯体是由炭纤维随机堆积构成的网络结构,孔隙分布较均匀;采用CVD工艺所制备的热解炭具有粗糙层结构特征;炭纸中纤维由热解炭紧密连接;炭纸的平均石墨化度高达82.2%,大于日本Toray炭纸和加拿大Ballard炭纸的石墨化度。CVD法沉积的热解炭改善了炭纸的导电性能,其体电阻率为33.3m?.cm,低于Toray炭纸和Ballard炭纸的体电阻率(分别为45.2和135.9m?.cm);其面电阻率为6.0m?.cm,低于Toray炭纸和Ballard炭纸的面电阻率(分别为6.4和16.3m?.cm)。