在碳纸的制备过程中,浸渍树脂是非常关键的一步,它可填充碳纤维间的空隙,提高纤维间的结合力,对于保证气体扩散层支撑层的导电性、机械强度以及耐腐蚀性有着关键影响,传统醇溶性酚醛树脂因为有良好的浸润性和成膜性,以及与碳纤维优异的结合力而被广泛应用,不过醇溶性酚醛树脂在生产以及使用过程中会释放挥发性有机物(VOCs),对环境和人体健康造成潜在危害。随着环保法规越来越严格以及可持续发展理念的推广,开发环境友好的替代材料成为必然趋势,水性酚醛树脂作为一种环境友好型树脂,有低VOCs排放、安全无毒、不易燃易爆等优点,被认为是替代醇溶性酚醛树脂的理想选择。

然而,水性酚醛树脂在实际应用中面临着技术挑战,比如高表面张力和粘度特性致使其在浸润碳纤维方面存在缺陷,影响碳纤维纸浸渍树脂溶液的均匀性。此外碳纤维纸中的碳纤维由于有一定的石墨化程度而表现出疏水性,会加剧水性酚醛树脂溶液在碳纤维纸上分布不均匀的问题,针对水性树脂的浸润性缺陷，可以在浸渍树脂溶液前对碳纤维纸进行等离子体亲水处理。该处理技术旨在精准调控碳纤维表面亲疏水性,显著提升其对水性酚醛树脂的亲和力与润湿性,从而有效促进树脂溶液在碳纤维纸内部的均匀渗透与分布。同时,在树脂溶液中引入鳞片石墨,以协同提升碳纸的导电性能。

等离子体处理

等离子体(plasma是由大量自由电子、离子及中性粒子组成的宏观准电中性电离气体态,作为区别于固态、液态和气态的物质第四态,其动力学行为主要受电磁力支配。低温等离子体是一种典型的非平衡态等离子体,其电子温度远高于重粒子温度,体系整体可维持在接近室温状态.该技术凭借其独特的低温特性(避免热损伤)、高能量效率、丰富的活性粒子(如自由基、激发态分子以及高度可控的工艺参数(如功率、气压、气体组分等),在材料改性领域展现出广泛的应用潜力与传统高温固相、化学掺杂或湿化学刻蚀方法相比,低温非平衡等离子体通过在近表层瞬时产生高活性自由基和可控离子轰击,在避免整体热损伤的前提下实现快速亲水改性。

等离子体诱导孔隙结构精细化与树脂均匀分布

碳纤维纸的孔隙结构以及树脂分布的均匀程度,会对气体扩散层的性能产生直接的决定性作用。参照图1可看出,醇性酚醛树脂体系有较低的表面张力以及出色的润湿性,在碳纤维表面形成了连续且均匀的包覆层如图1(a),纤维间隙填充得较为致密,孔隙分布也比较合理。与之形成明显反差的是,水性酚醛树脂体系由于表面张力较高,并且与具有一定石墨化程度的碳纤维亲和性较弱,出现了十分突出的浸润缺陷:树脂局部团聚以及纤维裸露区域同时存在如图1(b),致使孔隙分布杂乱,给后续气体扩散层的气体传质以及导电性埋下了隐患。

图1 采用不同酚醛树脂体系的碳纸SEM图(a:醇性酚醛，b:水性酚醛）

为了突破水性树脂的浸润难题,本研究创新性地引入了等离子体亲水预处理。从图2可以看到,未经过预处理的样品呈现出较大的树脂分布缺陷:表面存在十分突出的树脂团聚体,同时还伴有局部区域树脂覆盖不足,甚至出现纤维裸露的情况,形成了空洞,大量树脂团聚在碳纤维纸表面,会使树脂在垂直方向上呈现出强烈的梯度分布——表面过度富集,而内部渗透不足,碳纸表面孔隙分布杂乱,这无疑会削弱反应气体的有效扩散。

图2 等离子体预处理前后石墨化碳纸SEM图 (a:原纸预处理,b:原纸未预处理)

相比之下,经等离子体亲水预处理的样品的形貌特征得到显著改善如图2(a)。水性树脂溶液在表面铺展更均匀,且浸入碳纸内部,有效填充了纤维间的空隙,将大孔转化为中小孔。这种均匀的浸渍状态,在后续经固化、碳化、石墨化工艺处理后,可促成贯穿碳纸内部、更连续且均匀的三维导电网络结构的形成。

综上所述,等离子体处理通过精准调控碳纤维纸表面性质,根本性缓解了水性树脂的浸润缺陷,实现树脂分布均匀化、孔隙结构精细化两大协同效应,为后续性能提升奠定结构基础。