CN101974207B - 一种基于纳米石墨片的高导电率复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于纳米石墨片的高导电率复合材料，材料配方质量比为：纳米石墨片10至60％，环氧树脂及其固化剂DDS 90至40％。本发明还提供了该材料的制备方法。在导电组分石墨含量相同的情况下，本发明提供的复合材料具有更高的导电率；在导电性相同的情况下，本发明提供的复合材料需要石墨更少。本发明提供的复合材料具有更低的密度，特别适用于空间技术领域。该材料主要用于制造质子交换膜燃料电池双极板及其它电极，还可用于抗静电和电磁屏蔽领域。

Description

一种基于纳米石墨片的高导电率复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种导电复合材料及其制备方法，具体涉及一种基于纳米石墨片的高导电率复合材料及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种比较成熟的、利用氢气与氧气反应产生电能的燃料电池。1997年我国将“燃料电池技术”列为国家“九五”重大科技攻关项目，其中质子交换膜燃料电池为主要的科研项目，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电装置。而其中的主要元件——双极板不但决定电池的性能，还决定着电池的成本和重量。目前，传统的金属双极板和石墨双极板由于高重量和高成本逐渐被石墨与聚合物形成的复合材料双极板代替。
目前，制造双极板的聚合物基复合材料均是采用石墨微粉与固体聚合物通过球磨、粉碎等方法制备而成。石墨微粉形状接近球形，颗粒尺寸较大。石墨微粉的这种形状和尺寸不利于提高复合材料的导电性能，所以只有在用量很高时(质量含量80～90％)，复合材料的导电性能才能满足实际要求(导电率高于100S/cm)。由于石墨的密度高于通常的聚合物(前者密度2.3g/cm3，后者密度1.0g/cm3左右)，因此，复合材料中石墨含量高也就意味着复合材料的密度大。
将普通石墨通过一定方法剥离成厚度为几十纳米、直径为几十微米的薄片，有助于提高石墨/聚合物复合材料的导电性能，因为导电粒子具有更小的尺寸和更大的长径比。因此，用这种纳米石墨片与聚合物复合制备导电复合材料，当复合材料导电性能要求相同时，石墨用量将低于用微米量级的粒状石墨制备复合材料时的石墨用量。从而可以降低复合材料的密度。有关研究表明，纳米石墨片与液体环氧复合、固化后，复合材料的逾渗阈值远远低于尺寸为微米量级的粒状石墨粒子与液体环氧复合固化后形成的复合材料，即纳米复合材料在更低的石墨含量时实现了从绝缘体向导电体的转变。然而在已有研究中，复合材料的制备是通过纳米石墨片与液体环氧直接混合实现的。这种制备方法决定了制备的复合材料中纳米石墨片的含量不可能太高，质量百分比低于10％。因为随着纳米石墨片的加入，复合体系的粘度急剧增加，当粘度增加到一定程度时，纳米石墨片便难以进一步加入。这样，复合材料中纳米石墨片的含量低也就决定了复合材料的导电性能低，导电率低于0.03S/cm。为了进一步提高复合材料的导电性能，必须提高复合材料中纳米石墨片的含量，也就有必要提出一种纳米石墨片/聚合物高填充复合材料的制备方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有双极板材料、纳米石墨片/聚合物复合材料存在的不足和缺陷，提供一种密度低、导电性高的石墨/聚合物复合材料，以及该复合材料的制备方法。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种基于纳米石墨片的高导电率复合材料，以纳米石墨片为导电组分，以环氧树脂及固化剂为基体，复合材料中纳米石墨片的质量含量为10至60％。
本发明的复合材料配方中各组分的质量百分含量为：
环氧树脂及其固化剂DDS：40至90％；纳米石墨片：10至60％。环氧树脂与固化剂DDS的质量比为7∶3，其中DDS为(4，4′-二胺基-二苯基砜)。
环氧树脂固化前室温下为液体；纳米石墨片为疏松块状固体。
本发明还提供了所述的复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按质量百分比量取环氧树脂、固化剂、纳米石墨片，并量取适当体积的溶剂丙酮，丙酮的用量以能够将纳米石墨片、环氧树脂及固化剂分散在丙酮内为准；
(2)用超声辐照将环氧树脂、固化剂、纳米石墨片分散在丙酮溶剂中；
(3)将上述混合物置于60至100℃的真空烘箱中，抽真空处理2至4小时，通过真空和加热处理除去上述混合物中的溶剂；
(4)将上述已除去溶剂的混合物装于模具中，模压成型，成型温度为130℃，成型压力为5至40Mpa，成型时间为180min。
(5)将上述模压成型的材料在烘箱中进行后固化，固化条件为：在130℃、160℃、200℃下分别固化180min。
本发明中，采用了DDS作为固化剂，原因如下：为了制备纳米石墨片含量极高的复合材料，必须采用溶剂。纳米石墨片在聚合物中分散后，作为工艺助剂的溶剂必须除去，否则会影响材料的性能。不仅如此，除去溶剂的过程还必须在混合物固化成型前完成，否则难以去除完全，且可能在材料表面形成裂纹。为了加速溶剂的去除过程，在真空处理的过程中加热是有益的。这样，则不能选择环氧树脂固化常用的低温固化剂，而要选择DDS这种高温固化剂，否则，在去除溶剂的过程中会发生混合物的固化，形成形状不规则、疏松的没有价值的物质。由于同样的原因，以DDS为固化剂时，在去除溶剂的过程中，温度不能太高，否则会导致混合物提前固化，产生相同结果；且温度越高，处理时间应越短。适宜的处理温度为60至100℃，时间为2至4小时。
本发明提出的基于纳米石墨片的高导电率复合材料具有以下特性：
(1)复合材料中纳米石墨片的质量百分含量为10至60％；
(2)复合材料的常温体积导电率为10至118S/cm；
(3)复合材料的密度为1.2至1.3g/cm3；
该导电复合材料主要用于制造质子交换膜燃料电池双极板及其它电极。与微粉石墨填充的复合材料相比，在石墨含量相同的情况下，本发明的导电复合材料具有更高的导电性能；在导电性能要求相同的情况下，本发明制备的复合材料中石墨用量更低。从而，在导电性能要求相同的条件下，本发明制备的复合材料具有更低的密度；即使是在石墨含量相同的情况下，本发明制备的复合材料也具有更低的密度(这可能是由于经膨胀而得的纳米石墨片的密度低于石墨的密度)。其低密度特性特别适合于空间技术领域的应用。
具体实施方式
实施例1：
材料成分：纳米石墨片60克，环氧树脂及其固化剂DDS 40克；在超声作用下，将上述组分分散在10毫升丙酮中，然后在100℃的真空烘箱中真空处理2小时以除去溶剂，将混合物装入模具中模压成型，成型温度为130℃，成型压力为40Mpa，成型时间为180min。将上述模压成型的材料在烘箱中进行后固化，固化条件为：在130℃、160℃、200℃下分别固化180min。
所制备基于纳米石墨片的高导电率复合材料的性能如下：
导电率：118S/cm；密度：1.3g/cm3。
实施例2：
材料成分：纳米石墨片40克，环氧树脂及其固化剂DDS 60克；在超声作用下，将上述组分分散在15毫升丙酮中，然后在80℃的真空烘箱中真空处理3小时以除去溶剂，将混合物装入模具中模压成型，成型温度为130℃，成型压力为30Mpa，成型时间为180min。将上述模压成型的材料在烘箱中进行后固化，固化条件为：在130℃、160℃、200℃下分别固化180min。
所制备基于纳米石墨片的高导电率复合材料的性能如下：
导电率：38.5S/cm；密度：1.26g/cm3。
实施例3：
材料成分：纳米石墨片20克，环氧树脂及其固化剂DDS 80克；在超声作用下，将上述组分分散在20毫升丙酮中，然后在60℃的真空烘箱中真空处理4小时以除去溶剂，将混合物装入模具中模压成型，成型温度为130℃，成型压力为20Mpa，成型时间为180min。将上述模压成型的材料在烘箱中进行后固化，固化条件为：在130℃、160℃、200℃下分别固化180min。
所制备基于纳米石墨片的高导电率复合材料的性能如下：
导电率：5.05S/cm；密度：1.23g/cm3。

Claims (2)

1.基于纳米石墨片的高导电率复合材料的制备方法，所述的基于纳米石墨片的高导电率复合材料中纳米石墨片的质量含量为10至60%，其特征在于包括如下步骤：
（1）称取纳米石墨片、环氧树脂及固化剂，并量取适当体积的溶剂丙酮，丙酮的用量以能够将纳米石墨片、环氧树脂及固化剂分散在丙酮内为准；
（2）在超声辐照下将上述纳米石墨片、环氧树脂、固化剂分散在丙酮溶剂中；
（3）通过真空和加热处理除去上述混合物中的丙酮溶剂；
（4）将上述已除去丙酮溶剂的混合物装于模具中，模压成型，成型温度为130℃，成型压力为5至40Mpa，成型时间为180min；
（5）将上述模压成型的材料在烘箱中进行后固化，固化条件为：在130℃、160℃、200℃下分别固化180min，即制得所述的复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，采用在60至100℃的真空烘箱中，抽真空处理2至4小时。
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