一种碳纤维分散液的制备方法及其应用

本发明涉及碳材料分散液制备，尤其涉及一种碳纤维分散液的制备方法及其应用。背景技术：1、清洁能源代替传统化石能源已经成为发展的趋势，尤其是氢燃料电池的开发和利用成为当下研究的焦点。质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种最有应用前景的燃料电池，反应的唯一产物是水，具有“零碳排放”的特点。膜电极是pemfc中电化学反应核心场所，主要由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜构成。目前，气体扩散层主要采用碳纸为基材层，在其表面上涂覆微孔层后形成电化学复合材料体系。碳纤维是一种具有高抗拉强度、质轻、耐高温、导电性好、耐腐蚀的惰性纤维材料，其碳含量高于95％，表面的石墨层紧密有序排列，导致碳纤维表面光滑且无官能团。目前，碳纸的成产和加工主要是依赖湿法成形，即，将碳纤维分散在水系分散剂中，然后通过化学剂复合和高温处理制得碳纸，分散碳纤维的过程中，碳纤维极易发生聚集，导致分散不均匀，进而影响碳纤维材料的性能。2、目前，碳纤维的分散方法主要包括超声分散、添加表面活性剂、以及碳纤维化学改性。超声处理是一种提高碳纤维分散性的有效方法，但需要大量的能量，噪音污染大，并且碳纤维会在短时间内重新聚集。过多的表面活性剂加入会降低碳纤维成纸后的导电性和机械性能。化学处理能够改善碳纤维的分散性，例如，通过聚多巴胺表面修饰，碳纤维的分散性得到增强，这主要是由于引入了胺基和酚羟基，增加了碳纤维的亲水性。另外，可以采用己二酸改性环氧树脂钾对碳纤维进行改性，提高了碳纤维的分散性能，分散系数提高了1.72倍。但是这些方法通常工艺繁琐，化学合成成本高，并且化学处理对碳纤维具有不可逆的损害作用。3、有鉴于此，有必要设计一种改进的碳纤维分散液的制备方法及其应用，以解决上述问题。技术实现思路1、本发明的目的在于提供一种碳纤维分散液的制备方法及其应用。2、为实现上述发明目的，一方面，本发明提供了一种碳纤维分散液的制备方法，包括如下步骤：3、s1、将纤维素分散在氢氧化钠-尿素体系中，得到纤维素悬浮液；所述氢氧化钠-尿素体系由水、氢氧化钠及尿素配置得到，所述纤维素悬浮液中所述纤维素的质量百分数为0.1-3.0％；4、s2、将碳纤维加入步骤s1中制得的所述纤维素悬浮液，制得碳纤维分散液；所述碳纤维分散液中所述碳纤维的质量百分数为0.1-0.5％。5、作为本发明的一种实施方式，在步骤s1中，所述纤维素的分散过程在搅拌的条件下进行，搅拌时间为20-40min，温度为-12～-10℃。6、作为本发明的一种实施方式，在步骤s2中，所述碳纤维加入所述纤维素悬浮液后，搅拌20-30min。7、作为本发明的一种实施方式，在步骤s1中，所述氢氧化钠-尿素体系的配置方法如下：按照7:12:81的质量比将氢氧化钠、尿素和水混合均匀，搅拌并降温至-12～-10℃，即得到澄清的氢氧化钠-尿素体系。8、作为本发明的一种实施方式，在步骤s1中，所述纤维素为棉浆纤维、溶解浆、阔叶木纤维、针叶木纤维和竹浆纤维中的一种。9、作为本发明的一种实施方式，在步骤s2中，所述碳纤维的直径为1-10mm。10、特别地，采用本发明提出的制备方法制得的碳纤维分散液能够应用在制造导电性材料、导热性材料及抗静电材料领域。11、本发明的有益效果是：12、本发明提供的碳纤维分散液的制备方法，通过先将纤维素分散在氢氧化钠-尿素体系中得到纤维素悬浮液，再将上述纤维素悬浮液作为碳纤维的分散体系来制备碳纤维分散液。上述过程，可利用溶解部分的纤维素增大氢氧化钠-尿素体系的粘度，当利用上述具备一定粘度的纤维素/氢氧化钠-尿素体系来分散碳纤维时，即可利用体系的粘度特性，限制碳纤维发生自由移动，从而降低碳纤维絮聚成团的可能；另外，溶解有纤维素的氢氧化钠-尿素体系可以在碳纤维表面形成一层光滑的膜，该膜的形成可减小碳纤维之间的摩擦和纠缠作用，不仅利于碳纤维的分散，且可以有效避免分散后的碳纤维再次聚集，提升了碳纤维分散液的稳定性，而未溶解部分的纤维素能够在体系中形成网络结构，通过空间位阻限制碳纤维聚集，提高碳纤维的分散效果，在上述作用下可有效提高碳纤维的分散效果，制得分散性优异的碳纤维分散液。通过上述方式，可在不影响碳纤维自身性能的前提下，利用简易的制备方法制得稳定性高、分散性好的碳纤维分散液，有效解决了现有技术中采用化学处理方法分散碳纤维时易对碳纤维性能造成破坏的缺陷。技术特征：1.一种碳纤维分散液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：2.根据权利要求1所述的碳纤维分散液的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，所述纤维素的分散过程在搅拌的条件下进行，搅拌时间为20-40min，温度为-12～-10℃。3.根据权利要求1所述的碳纤维分散液的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述碳纤维加入所述纤维素悬浮液后，搅拌20-30min。4.根据权利要求1所述的碳纤维分散液的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，所述氢氧化钠-尿素体系的配置方法如下：按照7:12:81的质量比将氢氧化钠、尿素和水混合均匀，搅拌并降温至-12～-10℃，即得到澄清的氢氧化钠-尿素体系。5.根据权利要求1所述的碳纤维分散液的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，所述纤维素为棉浆纤维、溶解浆、阔叶木纤维、针叶木纤维和竹浆纤维中的一种。6.根据权利要求1所述的碳纤维分散液的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述碳纤维的直径为1-10mm。7.一种利用权利要求1-6中任一权利要求所述的制备方法制得的碳纤维分散液在制造导电性材料、导热性材料及抗静电材料中的应用。技术总结本发明提供了一种碳纤维分散液的制备方法及其应用，该方法通过先将纤维素分散在氢氧化钠‑尿素体系中得到纤维素悬浮液，再将上述纤维素悬浮液作为碳纤维的分散体系来制备碳纤维分散液。上述过程，可利用溶解部分的纤维素增大氢氧化钠‑尿素体系的粘度，当利用上述具备一定粘度的纤维素/氢氧化钠‑尿素体系来分散碳纤维时，即可利用体系的粘度特性，限制碳纤维发生自由移动，从而降低碳纤维絮聚成团的可能；另外，纤维素还可对碳纤维产生限制作用，避免已分散的碳纤维再次聚集，利于碳纤维的分散，在上述作用下可有效提高碳纤维的分散效果，制得分散性优异的碳纤维分散液。技术研发人员：孙倩玉,王康,张乐昕,李婷婷,卢澄宇,毛晰丙,谢齐航,苑田忠,郭大亮受保护的技术使用者：浙江科技大学技术研发日：技术公布日：2024/8/15