CN106189228A - 一种改性石墨基复合材料双极板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改性石墨基复合材料双极板的制备方法,属于导电双极板制备技术领域。本发明采用鳞片石墨为原料,与重铬酸钾,浓磷酸,高氯酸反应,经微波加热制得膨胀石墨,再用热稳定性好、耐蚀性高的热塑性聚酰亚胺树脂与碳填料球磨共混,制得复合料粉,最后将膨胀石墨与复合料粉加热共混,热塑性聚酰亚胺树脂在高温下逐渐融化,覆盖占据膨胀石墨的空隙,填充到膨胀石墨中,再经模压、固化、脱模后制得改性石墨基复合材料双极板。本发明的有益效果是:本发明制备步骤简单,加工性能好,无炭黑脱落现象发生,所得产品导电性能好,耐冲击强度高,有效解决了压缩变形大,反复使用后易断裂的问题。

Description

一种改性石墨基复合材料双极板的制备方法
技术领域
本发明涉及一种改性石墨基复合材料双极板的制备方法,属于导电双极板制备技术领域。
背景技术
导电塑料是将树脂和导电物质混合,用塑料的加工方式进行加工的功能型高分子材料。主要应用于电子、集成电路包装、电磁波屏蔽等领域。双极板是钒电池电堆的重要部件,用于集流和分隔正负极溶液,对其要求是具有较高的导电性、良好的机械强度、优异的耐腐蚀性以及较低的成本。导电塑料双极板均采用常规的高温混炼进行原材料的混合,再通过热压成型的制备工艺。目前导电塑料双极板大多选择二元复合体系,由于炭黑填充到树脂中的份数较大,复合体系的熔体粘度增大,加工性能变差,材料力学性能特别是冲击强度明显降低;填充炭黑含量一般为50~90%,这种相对较高的炭黑含量会导致炭黑的局部集中,使得材料的导电性能不稳定,进行多次放电后,炭黑脱落导致表面有微小孔洞,造成电池正负极窜液及电池失效;组装多组电池时,为保证整体密封性并且降低材料之间的接触电阻,需很大的压紧力,导致其压缩变形大,反复使用后易断裂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题:针对目前导电塑料双极板,由于炭黑填量大,加工性能变差,冲击强度降低,压缩变形大,反复使用后易断裂的问题,提供了一种采用鳞片石墨为原料,与重铬酸钾,浓磷酸,高氯酸反应,经微波加热制得膨胀石墨,再用热稳定性好、耐蚀性高的热塑性聚酰亚胺树脂与碳填料球磨共混,制得复合料粉,最后将膨胀石墨与复合料粉加热共混,热塑性聚酰亚胺树脂在高温下逐渐融化,覆盖占据膨胀石墨的空隙,填充到膨胀石墨中,再经模压、固化、脱模后制得改性石墨基复合材料双极板的方法。本发明制备步骤简单,加工性能好,无炭黑脱落现象发生,所得产品导电性能好,耐冲击强度高,有效解决了压缩变形大,反复使用后易断裂的问题。
为解决上述技术问题,本发明采用如下所述的技术方案是:
(1)分别称取80~120g鳞片石墨,120~180g重铬酸钾,加入反应釜中,继续添加20~28mL质量分数为85%浓磷酸,90~130mL质量浓度70%高氯酸,在60~65℃恒温水浴下,以300~400r/min搅拌20~30min,静置1~2h,冷却至室温,加入500~800mL去离子水,减压抽滤,将滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性,转入80~90℃干燥箱中干燥至恒重,再将其用400W微波处理8~12s,得膨胀石墨,备用;
(2)称取40~50g热塑性聚酰亚胺树脂,加入粉碎机中粉碎,过200目筛,将过筛后的热塑性聚酰亚胺树脂与1.0~1.2g碳纤维,0.5~0.6g多壁碳纳米管,5~7g乙炔黑,8~10g炭黑,装入球磨机中,加入交联剂六次甲基四胺,球磨4~5h,得复合料粉;
(3)称取60~75g步骤(1)备用的膨胀石墨与50~55g上述复合料粉,加入密炼机中混合均匀,以10℃/min速率程序升温至270~280℃,保持温度2~3h,随后冷却至130~150℃,出料,得混合料;
(4)将上述所得混合料装入模具中,并置于热压机上,用8~10MPa压力预压2~3min,以10MPa/min速率增大压力至80~90MPa,在120~130℃下,保持压力10~15min,随后减压至常压,将模具移入马弗炉中,在230~240℃下固化2~3h,冷却至室温,取出模压板,得改性石墨基复合材料双极板。
本发明制得的改性石墨基复合材料双极板冲击强度为3.6~3.8KJ·m-2,电阻率为0.41~0.47Ω·mm2/m,断裂伸长率为6~8%,硬度92~101H,拉伸强度为32.6~36.8MPa,耐弯曲疲劳次数为1085~1270次。
本发明与其他方法相比,有益技术效果是:
(1)本发明制备步骤简单,加工性能好,无炭黑脱落现象发生;
(2)所得产品导电性能好,耐冲击强度高,压缩变形小,反复使用后不易断裂。
具体实施方式
首先分别称取80~120g鳞片石墨,120~180g重铬酸钾,加入反应釜中,继续添加20~28mL质量分数为85%浓磷酸,90~130mL质量浓度70%高氯酸,在60~65℃恒温水浴下,以300~400r/min搅拌20~30min,静置1~2h,冷却至室温,加入500~800mL去离子水,减压抽滤,将滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性,转入80~90℃干燥箱中干燥至恒重,再将其用400W微波处理8~12s,得膨胀石墨,备用;然后称取40~50g热塑性聚酰亚胺树脂,加入粉碎机中粉碎,过200目筛,将过筛后的热塑性聚酰亚胺树脂与1.0~1.2g碳纤维,0.5~0.6g多壁碳纳米管,5~7g乙炔黑,8~10g炭黑,装入球磨机中,加入交联剂六次甲基四胺,球磨4~5h,得复合料粉;再称取60~75g备用的膨胀石墨与50~55g上述复合料粉,加入密炼机中混合均匀,以10℃/min速率程序升温至270~280℃,保持温度2~3h,随后冷却至130~150℃,出料,得混合料;最后将上述所得混合料装入模具中,并置于热压机上,用8~10MPa压力预压2~3min,以10MPa/min速率增大压力至80~90MPa,在120~130℃下,保持压力10~15min,随后减压至常压,将模具移入马弗炉中,在230~240℃下固化2~3h,冷却至室温,取出模压板,得改性石墨基复合材料双极板。
实例1
首先分别称取80g鳞片石墨,120g重铬酸钾,加入反应釜中,继续添加20mL质量分数为85%浓磷酸,90mL质量浓度70%高氯酸,在60℃恒温水浴下,以300r/min搅拌20min,静置1h,冷却至室温,加入500mL去离子水,减压抽滤,将滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性,转入80℃干燥箱中干燥至恒重,再将其用400W微波处理8s,得膨胀石墨,备用;然后称取40g热塑性聚酰亚胺树脂,加入粉碎机中粉碎,过200目筛,将过筛后的热塑性聚酰亚胺树脂与1.0g碳纤维,0.5g多壁碳纳米管,5g乙炔黑,8g炭黑,装入球磨机中,加入交联剂六次甲基四胺,球磨4h,得复合料粉;再称取60g备用的膨胀石墨与50g上述复合料粉,加入密炼机中混合均匀,以10℃/min速率程序升温至270℃,保持温度2h,随后冷却至130℃,出料,得混合料;最后将上述所得混合料装入模具中,并置于热压机上,用8MPa压力预压2min,以10MPa/min速率增大压力至80MPa,在120℃下,保持压力10min,随后减压至常压,将模具移入马弗炉中,在230℃下固化2h,冷却至室温,取出模压板,得改性石墨基复合材料双极板。
本发明制备步骤简单,加工性能好,无炭黑脱落现象发生;所得产品导电性能好,耐冲击强度高,压缩变形小,反复使用后不易断裂;制得的改性石墨基复合材料双极板冲击强度为3.6KJ·m-2,电阻率为0.41Ω·mm2/m,断裂伸长率为6%,硬度92H,拉伸强度为32.6MPa,耐弯曲疲劳次数为1085次。
实例2
首先分别称取100g鳞片石墨,150g重铬酸钾,加入反应釜中,继续添加24mL质量分数为85%浓磷酸,110mL质量浓度70%高氯酸,在63℃恒温水浴下,以350r/min搅拌25min,静置2h,冷却至室温,加入650mL去离子水,减压抽滤,将滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性,转入85℃干燥箱中干燥至恒重,再将其用400W微波处理10s,得膨胀石墨,备用;然后称取45g热塑性聚酰亚胺树脂,加入粉碎机中粉碎,过200目筛,将过筛后的热塑性聚酰亚胺树脂与1.1g碳纤维,0.6g多壁碳纳米管,6g乙炔黑,9g炭黑,装入球磨机中,加入交联剂六次甲基四胺,球磨5h,得复合料粉;再称取68g备用的膨胀石墨与53g上述复合料粉,加入密炼机中混合均匀,以10℃/min速率程序升温至275℃,保持温度3h,随后冷却至140℃,出料,得混合料;最后将上述所得混合料装入模具中,并置于热压机上,用9MPa压力预压3min,以10MPa/min速率增大压力至85MPa,在125℃下,保持压力13min,随后减压至常压,将模具移入马弗炉中,在235℃下固化3h,冷却至室温,取出模压板,得改性石墨基复合材料双极板。
本发明制备步骤简单,加工性能好,无炭黑脱落现象发生;所得产品导电性能好,耐冲击强度高,压缩变形小,反复使用后不易断裂;制得的改性石墨基复合材料双极板冲击强度为3.7KJ·m-2,电阻率为0.44Ω·mm2/m,断裂伸长率为7%,硬度96H,拉伸强度为34.7MPa,耐弯曲疲劳次数为1175次。
实例3
首先分别称取120g鳞片石墨,180g重铬酸钾,加入反应釜中,继续添加28mL质量分数为85%浓磷酸,130mL质量浓度70%高氯酸,在65℃恒温水浴下,以400r/min搅拌30min,静置2h,冷却至室温,加入800mL去离子水,减压抽滤,将滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性,转入90℃干燥箱中干燥至恒重,再将其用400W微波处理12s,得膨胀石墨,备用;然后称取50g热塑性聚酰亚胺树脂,加入粉碎机中粉碎,过200目筛,将过筛后的热塑性聚酰亚胺树脂与1.2g碳纤维,0.6g多壁碳纳米管,7g乙炔黑,10g炭黑,装入球磨机中,加入交联剂六次甲基四胺,球磨5h,得复合料粉;再称取75g备用的膨胀石墨与55g上述复合料粉,加入密炼机中混合均匀,以10℃/min速率程序升温至280℃,保持温度3h,随后冷却至150℃,出料,得混合料;最后将上述所得混合料装入模具中,并置于热压机上,用10MPa压力预压3min,以10MPa/min速率增大压力至90MPa,在130℃下,保持压力15min,随后减压至常压,将模具移入马弗炉中,在240℃下固化3h,冷却至室温,取出模压板,得改性石墨基复合材料双极板。
本发明制备步骤简单,加工性能好,无炭黑脱落现象发生;所得产品导电性能好,耐冲击强度高,压缩变形小,反复使用后不易断裂;制得的改性石墨基复合材料双极板冲击强度为3.8KJ·m-2,电阻率为0.47Ω·mm2/m,断裂伸长率为8%,硬度101H,拉伸强度为36.8MPa,耐弯曲疲劳次数为1270次。

Claims (1)

1.一种改性石墨基复合材料双极板的制备方法,其特征在于具体制备步骤为:
(1)分别称取80~120g鳞片石墨,120~180g重铬酸钾,加入反应釜中,继续添加20~28mL质量分数为85%浓磷酸,90~130mL质量浓度70%高氯酸,在60~65℃恒温水浴下,以300~400r/min搅拌20~30min,静置1~2h,冷却至室温,加入500~800mL去离子水,减压抽滤,将滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性,转入80~90℃干燥箱中干燥至恒重,再将其用400W微波处理8~12s,得膨胀石墨,备用;
(2)称取40~50g热塑性聚酰亚胺树脂,加入粉碎机中粉碎,过200目筛,将过筛后的热塑性聚酰亚胺树脂与1.0~1.2g碳纤维,0.5~0.6g多壁碳纳米管,5~7g乙炔黑,8~10g炭黑,装入球磨机中,加入交联剂六次甲基四胺,球磨4~5h,得复合料粉;
(3)称取60~75g步骤(1)备用的膨胀石墨与50~55g上述复合料粉,加入密炼机中混合均匀,以10℃/min速率程序升温至270~280℃,保持温度2~3h,随后冷却至130~150℃,出料,得混合料;
(4)将上述所得混合料装入模具中,并置于热压机上,用8~10MPa压力预压2~3min,以10MPa/min速率增大压力至80~90MPa,在120~130℃下,保持压力10~15min,随后减压至常压,将模具移入马弗炉中,在230~240℃下固化2~3h,冷却至室温,取出模压板,得改性石墨基复合材料双极板。
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