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科学材料站&台湾碳能:你必须要知道的6款碳能生碳纸(基材)!

阅读次数:    2021-08-12

作者1:Z博士,科学材料站Discovery of Materials材料工程师团队

作者2:台湾碳能科技股份有限公司

通讯作者:Z博士,contact@scimaterials.cn

文末附科学材料站招聘信息


1. 碳纸基材简介

碳纸基材是一种没有微孔层和疏水层的碳纤维纸基材,俗称‘生碳纸 (raw carbon paper)’。生碳纸可以作为一种原材料,用于进一步加工成为疏水碳纸(对生碳纸进行PTFE处理)、疏水微孔层碳纸(先对生碳纸进行PTFE处理成为疏水碳纸,其次在疏水碳纸表面用PTFE和微孔炭黑/石墨的混料进行涂布、烘干)。

生碳纸的亲水性有别于亲水碳纸,亲水碳纸一般指对生碳布经过亲水处理(如使用HNO3,H2SO4等)以使其表面携带亲水的基团,因此有必要对它们在概念上进行严格的区分。生碳纸仅具有一定的亲水性,其亲水性一般强于生碳布。不同厂家、型号的生碳纸又表现出不同程度的亲疏水性。针对这一点,科学材料站将在后面的文章中会展示相关图片以及视频。

在这里,科学材料站(SCI Materials Hub)鼓励和主张科研工作者在今后的科研工作中明确使用‘生碳纸(Raw carbon paper)’、‘亲水碳纸(Hydrophilic carbon paper)’、‘疏水碳纸(Hydrophobic carbon paper with 5wt% PTFE)’、‘疏水微孔层碳纸(Carbon paper with MPL)’等专业术语,以免混淆概念。在之后的文章中,我们会重点分析这四种碳纸的区别。此外,我们已将科学材料站官网上原有的亲水碳纸全部更正为生碳纸(基材),避免误导大众。

碳纸和碳布在燃料电池中有着广泛的应用。两者都是碳纤维基多孔材料:碳纸是无纺织物,而碳布是机织物,因此不需要粘合剂。据报道(Electrochimica Acta 52 (2007) 3965–3975),在干燥的聚合物电解质燃料电池条件下,碳纸的效果比碳布要好,原因是碳纸的结构比碳布更曲折,阻止了产物水向干燥气流中流失,从而提高了膜水化水平并降低了欧姆损失。

此外,通过对生碳纸进行亲水处理、疏水处理、疏水微孔层等处理,碳纸可以满足众多应用,包括其它类型燃料电池,电解池、超级电容器、电池、催化、材料合成等。因此,加深对生碳纸的基本认知有助于更好的利用该材料。

在这里,科学材料站(www.scimaterials.cn)对碳能全系列的生碳纸(基材)做了系统的简介,并且对台湾碳能科技股份有限公司进行了采访和邀请其对本文进行完善。科学材料站自2021年5月与台湾碳能建立正式合作关系,在全球范围内代理和推广碳能的全系列材料。


2. 科学材料站-碳能碳纸基材系列参数对比

表1:科学材料站-碳能生碳纸系列

产品型号

GDS090S

GDS180S

GDS180SHT

GDS210

GDS250

GDS310

测试方式

产品代码

122001

122002

122003

122004

122005

122006

--

厚度(mm)

0.09

0.18

0.18

0.21

0.25

0.31

Teclock SM-114

基本重量(g/m2

50

50

50

50

65

80

ASTM-D646

透气度

<50

<10

<10

<10

<10

<10

Gurley

孔隙率(%)

68

77

77

77

77

77

压汞孔隙率计

平面电阻(mΩ·cm2

<6

<7

<5

<6

<6

<5

ASTM C-611

抗拉强度

MD (N/cm)

>15

>25

>25

>24

>24

>20

ASTM D-828

XD (N/cm)

>10

>18

>18

>20

>22

>10

弯曲模量

MD (Mpa)

--

3,300

--

4700

4000

3500

ASTM D-790

XD (Mpa)

--

1,500

--

1600

1500

2000

有无疏水层

--

有无微孔层

--

数据整理:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn


2.1 厚度 (Thickness)

生碳纸较生碳布而言,厚度略低,一般在0.09-0.4mm之间。科学材料站中最薄的生碳纸有:CeTech GDS090S (厚度0.09mm)和Toray TGP-H-030 5wt% PTFE (含PTFE的疏水碳纸,厚度0.11mm),最厚的生碳纸有:Spectracarb 2050A-1535 (厚度0.38mm),Spectracarb 2050A-1550 (厚度0.38mm), AvCarb MGL370 (厚度0.37mm),Toray TGP-H-120 5wt% PTFE (含PTFE的疏水碳纸,厚度0.37mm)等。此外,科学材料站中的Sigracet生碳纸系列主要厚度集中在(0.19-0.3mm), Freudenberg生碳纸系列厚度集中在0.15-0.21mm之间。

相比之下,碳能生碳纸系列在中等厚度(0.31mm)到较薄厚度(0.09mm)的更具优势,可以提供更广的厚度分布,更多的厚度选择(多达5种厚度型号:0.09mm, 0.18mm, 0.21mm, 0.25mm, 0.31mm),因此可以满足众多应用。这是科学材料站材料工程师团队目前所能接触到的单一品牌中最多的厚度系列。


碳能采访1:请问GDS180S和GDS180SHT基本参数基本上一致,他们的区别是什么?制作工艺有什么区别?为什么要设置这两种型号?

厂家答疑:主要差別在於熱處理溫度;製作工藝上在石墨化溫度不同;對產品參數影響是電阻,較早開發產品型號GDS180S上市後針對客戶反饋進行改善,因原產品GDS180仍有客戶購買,故以GDS180SHT區別。


碳能采访2:请问贵公司(碳能)的生碳纸材料较其它公司有什么优势?

厂家答疑:可針對客戶需求客製開發


图1. 碳能GDS生碳纸系列厚度测量

数据来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

图1为科学材料站工程师对碳能GDS生碳纸系列进行的厚度初步测量,由于碳纸厚度测量具有一定的误差,因此在该测试中,我们仅将千分尺设定到碳能官方厚度参数,以检测碳纸是否会从千分尺上滑落。经测试,在官方厚度设定下,所有生碳纸均无法从千分尺上滑落。当用手将碳纸从千分尺上抽出时,生碳纸与千分尺之间均表现出不同程度的摩擦力,或无法抽出。

需要指出的是:对于厚度测量,由于使用的工具不同(碳能使用的是TECLOCK手持式测厚仪SM-114),测量结果会有所不同。


碳能采访3:较薄的碳纸与较厚的碳纸在应用上有什么区别和侧重点?为什么会有这种区别?

厂家答疑:產品開發歷程GDS180、GDS210、GDS310、GDS250 如上順序,不同厚度產品依客戶需求選擇相對應產品,後續才往較薄款碳紙開發,主要是客戶薄型化開發需求。


2.2 基本重量 (Basic weight)

基本重量(即每平方米克重,g/m2)是生碳纸的重要指标之一。一般而言,在相同透气度和孔隙率的情况下,厚度越厚,基本重量越大。

在碳能的6款生碳纸中,GDS090S/GDS180S/GDS180SHT/GDS210有着相同的基本重量(50g/m2),而GDS250和GDS310在此基础上分别增重了15和30g/m2


碳能采访4:不同的基本重量对碳纸有什么影响?

GDS180S來看 基重50g/m2密度約0.27,GDS090密度約0.55其透氣與孔隙與GDS210有所差異,而GDS250密度約0.26,GDS310密度約0.26與GDS210相近,孔隙與透氣參數較為相近。產品密度高則孔隙率低及透氣性差


2.3 透气度、孔隙率&透光度

2.3.1 透气度(Air permeability)

透气度是指通过织物特定区域的空气流量,反映了空气通过织物的难易程度。人们普遍认为,织物的透气性取决于其气孔率,而气孔率反过来又影响织物的开口度。

碳纸或其它织物材料的透气性主要受几个因素影响:织物结构类型、机织物设计、每厘米经纱和纬纱的数量、纱线捻度、纱线尺寸和纱线结构类型。


2.3.2 孔隙率(Porosity)

在这里,汞孔隙率测定法被用于测定生碳纸的孔隙率,这是一种通过向浸入汞中的样品施加受控压力来测量材料孔隙率的方法。由于汞的高接触角,汞需要外部压力才能渗透到材料的孔隙中。侵入孔隙所需的压力量与孔隙的大小成反比。孔隙越大,穿透孔隙所需的压力越小。水银孔隙率计根据仪器使用Washburn方程生成的压力与侵入数据生成体积和孔径分布。

碳能GDS的6种生碳纸中,除了GDS090S的孔隙率为68%,其余5种型号的孔隙率均为77%。


2.3.3 透光度

为了更形象地展示碳能6种生碳纸纤维的疏密程度,科学材料站进行了非正式的简单透光性测试(该测试是将生碳纸迎着强光源进行拍摄),以便让广大科研工作者对这些生碳纸有更加直观的印象。


图2. 碳能GDS生碳纸系列透光度测试

数据来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

从该图种可以看出,GDS090S的透光度最高,白色部分为强光透过的地方。其次,GDS180S和GDS180SHT具有相似的透光度,GDS210和GDS250具有相似的透光度。值得注意的是,GDS310的透光度最低,强光几乎无法透过碳纸,这可能是由于GDS310具有较密的纤维排布和更大的厚度。


碳能采访5:透气度和孔隙率对碳纸性能有什么影响?

厂家答疑:碳紙用於燃料電池氣體擴散層,因為要通入氫氣及氧氣,其必須具有高透氣性的功能,透氣度和孔隙率兩項參數可用來衡量產品透氣性。


2.4 平面电阻

图3. 碳纸平面电阻测试

图片来源:Electrochemistry Communications 97 (2018) 96–99

上图显示的是通过使用传统的压力设置来测定东丽碳纸的平面电阻,其中碳纸被压在两个镀金铜板之间。报道称(Energy Conversion and Management 154 (2017) 191–202),碳纸的平面电阻受到PTFE含量,MPL和湿度等的影响,未经PTFE和MPL处理的生碳纸通常具有较低的平面电阻,在这里碳能GDS生碳纸系列的平面电阻均小于7 mΩ·cm2

相对于生碳纸的导电性,随着PTFE负载量的增加,尽管固体分数增加,进而降低了碳纸的孔隙率,但电导率降低。这种现象在碳纸热导率上也同样适用(J Power Sources 2014;248:632–41)。我们将在后面的文章中进一步讨论有关碳纸平面电阻 (Through-plane resistance)和面内电阻 (In-plane resistance)的问题。


2.5 抗拉强度 & 弯曲模量

抗拉强度和弯曲模量是生碳纸材料的两个重要指标,较大的抗拉强度和弯曲模量有利于碳纸在更加艰难的条件下使用和运输。

图4. 碳能CeTech GDS250抗拉强度MD&XD方向图示

数据来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

拉伸强度指的是试样断裂前所能承受的最大应力,测试样品于静址状态下承受荷重时的抗拉能力。MD指的是Machine Direction(机械方向,即纵向抗拉强度);XD指垂直机械方向,即横向抗拉强度。


台湾碳能:

強度用於評估後續生產或客戶使用上使否合適便利,強度太低則不利後續生產或客戶使用。

彎曲模量: 產品在彎曲過程中承受的最大彎曲應力,彎曲模量越高表示產品抗折強度高不易捲狀生產。用於評估後續生產或客戶使用上使否合適便利。

產品能否捲狀生產彎曲模量也是評估參數之一,碳能目前產品捲狀生產與否跟原材料及產品平整性問題為最主要考量,故部分產品僅能片狀生產。


图5. 碳能GDS生碳纸系列实物图拍摄

数据来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn


3. 版权、责任声明

a.该文由科学材料站(SCI Materials Hub)及台湾碳能共同原创,我们保留对该文的所有权,如需转载请联系科学材料站(contact@scimaterials.cn

b.该文是一般性的科普宣传文章,不是实验指导文章!如需选择合适的材料,请结合具体实验、文献,科学材料站和碳能不对本文中的材料在具体实验中的使用效果做任何保证!

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