本发明属于材料，尤其涉及一种碳纤维表面处理的方法、改性碳纤维、碳纸及其制备方法和燃料电池。
背景技术：
1、碳纸在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的作用，是燃料电池不可或缺的关键材料。碳纤维是制备碳纸的主要原材料，一般由聚丙烯腈或粘胶纤维作为原料，经高温氧化碳化而成。由于其经过高温碳化，表面惰性明显，官能团不足，在使用前一般要经过表面处理，在其表面涂附一层表面活性剂以增加碳纤维与其他材料结合时的表面结合性能。
2、目前碳纤维表面处理的方法主要有：氧化法，包括气相氧化法和液相氧化法。气相氧化法使用空气或二氧化碳作为氧化剂，在高温下进行反应；液相氧化法则使用硝酸或硫酸等氧化剂进行处理，或在电解过程中进行氧化，以在纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽，提高表面粗糙度并引入极性或反应性官能团；表面涂层法，通过在碳纤维表面沉积涂层，可以减弱表面缺陷，缓和界面应力，增强碳纤维与基体材料间的偶联作用；等离子体改性，等离子体撞击碳纤维表面，引起表层氧化和刻蚀，改善粗糙度并引入极性基团，从而增强碳纤维与基体间的结合强度。
3、对于不同应用场景，碳纤维表面处理方法也不尽相同。碳纸作为氢燃料电池气体扩散层基底材料使用，而在制备碳纤维纸的过程中，主要依靠短切纤维相互搭接成网络结构形成多孔材料，纤维之间的连接主要依靠树脂粘合剂，材料力学性能主要依靠其最薄弱处性能体现，而碳纸在纤维搭接处性能直接决定其力学性能。有效的树脂/纤维界面连接不但可以提高碳纸的力学性能；而减少无效的树脂聚集则可以有效提高碳纸的透气量和孔隙率，为燃料电池反应提供更加充分传质、排水通道。
4、现有常规的表面处理方法几乎都是均一无差别的处理，虽然纤维表面有效官能团得到改善，截面结合强度有所增加，但在碳纸制备过程中，粘合剂会无差别吸附于碳纤维表面而非纤维搭接点，一方面，过多的粘合剂可能无法提高碳纸的力学性能；另一方面，过多的粘合剂也会占据一部分孔隙体积，以至于影响碳纸的综合性能。总之，在非纤维搭接点的“无效”粘合剂造成了碳纸性能的下降。
5、有鉴于此，特提出本发明。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种碳纤维表面处理的方法、改性碳纤维、碳纸及其制备方法和燃料电池，以解决上述问题。
2、为实现以上目的，本发明特采用以下技术方案：
3、一种碳纤维表面处理的方法，包括：
4、将碳纤维进行开纤处理，然后采用非接触周期性方式进行等离子体表面处理，然后短切；
5、所述等离子体表面处理的气源为四氟化碳；
6、所述短切之后的碳纤维满足以下条件：(纤维短切长度/纤维运行速度)/4<等离子处理间隔周期<(纤维短切长度/纤维运行速度)/2。
7、优选地，所述碳纤维包括聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维、木质素基碳纤维中的一种或多种；
8、和/或，
9、所述碳纤维的直径为2-8μm。
10、优选地，所述开纤处理包括：
11、先采用气流吹扫，然后将所述碳纤维上下压紧。
12、优选地，所述等离子体表面处理的功率为50-200w；
13、和/或，
14、所述非接触周期性方式中，周期由处理时间与间隔时间组成，所述处理时间与所述间隔时间的比例为(0.5-2)：1。
15、优选地，所述短切之后的碳纤维的长径比为(200-1000)：1。
16、本申请还提供一种改性碳纤维，使用所述的碳纤维表面处理的方法制得。
17、本申请还提供一种碳纸，其原料包括所述的改性碳纤维。
18、本申请还提供一种所述的碳纸的制备方法，包括：
19、将所述改性碳纤维采用湿法进行疏解、抄纸得到基础碳纸，然后对所述基础碳纸进行喷胶、干燥、热压固化处理和碳化处理得到所述碳纸。
20、优选地，所述碳纸的制备方法满足以下条件中的至少一个：
21、a.进行所述疏解、所述抄纸的过程中加入表面活性剂，所述表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠、聚氧乙烯胺、聚乙烯亚胺、聚氧乙烯烷基酚、聚乙烯醇、聚氧乙烯、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素中的一种或多种；
22、b.所述喷胶时施加的粘合剂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、双马来酰胺、乙烯基酯、聚酰亚胺中的一种或多种；
23、c.以所述干燥之后的重量计算，所述喷胶时施加的粘合剂的用量为所述基础碳纸的质量的25％-75％；
24、d.所述碳化处理的温度不低于1600℃，且在保护气氛下进行。
25、本申请还提供一种燃料电池，包括所述的碳纸。
26、本发明的有益效果：
27、本申请提供的碳纤维表面处理的方法，当碳纤维连续通过等离子表面处理装置时，一方面高能离子对纤维表面进行刻蚀，增加纤维表面粗糙度；另一方面四氟化碳高能粒子处理碳纤维表面，氟碳官能团显著增加，可有效提高纤维表面能。这样处理后碳纤维表面疏水性显著提高。等离子表面处理采用非连续、周期性方式处理，即一段时间内等离子对碳纤维进行处理，另一段时间停止等离子处理；这样连续通过的碳纤维表面就会形成周期性疏水区域及非疏水区域。同时，经过短切后纤维应满足如下条件：(纤维短切长度/纤维运行速度)/4<等离子处理间隔周期<(纤维短切长度/纤维运行速度)/2，保证每段短切纤维表面至少有2段非疏水区及2段疏水区。
28、采用本申请提供的碳纤维表面处理的方法，首先，在不改变粘合剂用量的前提下，可以有效提高制备碳纸的力学性能，进一步在进行膜电极装备过程中提高膜电极的稳定性及寿命，有效增加燃料电池的发电性能。其次，在不改变粘合剂用量的前提下，可以有效提高碳纸的透气性，进一步在进行发电过程中，可以有效提高反应气体传导、产物水的排放，也可有效增加燃料电池的发电性能。
1.一种碳纤维表面处理的方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的碳纤维表面处理的方法，其特征在于，所述碳纤维包括聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维、木质素基碳纤维中的一种或多种；
3.根据权利要求1所述的碳纤维表面处理的方法，其特征在于，所述开纤处理包括：先采用气流吹扫，然后将所述碳纤维上下压紧。
4.根据权利要求1所述的碳纤维表面处理的方法，其特征在于，所述等离子体表面处理的功率为50-200w；
5.根据权利要求1-4任一项所述的碳纤维表面处理的方法，其特征在于，所述短切之后的碳纤维的长径比为(200-1000)：1。
6.一种改性碳纤维，其特征在于，使用权利要求1-5任一项所述的碳纤维表面处理的方法制得。
7.一种碳纸，其特征在于，其原料包括权利要求6所述的改性碳纤维。
8.一种权利要求7所述的碳纸的制备方法，其特征在于，包括：
9.根据权利要求8所述的碳纸的制备方法，其特征在于，满足以下条件中的至少一个：
10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求7所述的碳纸。
