质子交换膜燃料电池是一种高效绿色的能源转换装置,气体扩散层是其中的重要构件。碳纸是一种常见的气体扩散层基底材料,其结构与性能影响着质子交换膜燃料电池的性能。本文对碳纤维进行了两亲改性,进一步制备碳纸,研究了表面处理对碳纸性能的影响。本文使用PAN基碳纤维为原料,利用氢氧化钠溶液对碳纤维进行清洗,之后利用铬酸溶液在室温下对碳纤维进行氧化处理,产生亲水性官能团,在此基础上,在保留部分亲水性官能团的同时,对碳纤维进一步反应引入亲油性官能团,制备出一种两亲性碳纤维。利用上述几种碳纤维经历分散、抄纸、浸渍树脂、固化成型、碳化、石墨化等工艺流程,制备出质子交换膜燃料电池用碳纸。利用冷场扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱仪(XPS)分析了表面处理对碳纤维表面形貌及官能团的影响。利用差热扫描量热仪(DSC)分析了实验所用酚醛树脂的热性能;激光共焦扫描成像拉曼光谱仪分析了碳纸的石墨化程度;台式扫描电镜分析了碳纸的表面形貌;万能拉伸试验机分析了碳纸的力学性能;四探针电阻测试仪测试了碳纸的导电性。研究发现:(1)以铬酸溶液为氧化剂,在室温下对碱清洗后的碳纤维氧化处理10 min,引入亲水性官能团;进一步与辛醇反应引入亲油性官能团,由于部分亲水性官能团没有参与反应,得到一种同时拥有亲水和亲油基团的两亲性碳纤维。(2)氧化处理的碳纤维及两亲改性的碳纤维的表面都有亲水性官能团,在水中的分散性都能够满足制备碳纸工艺的要求。(3)两亲碳纤维提高了碳纤维与树脂的界面粘结能力,利于电子在碳纸中的传输,其电阻率降低了,达到10.5 mΩ·cm。(4)经过石墨化处理,采用两亲碳纤维制备的碳纸电阻率可低至1.5mΩ·cm。