CN106410235A - 膨胀石墨/聚酰亚胺复合材料双极板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板及其制备方法，由包含以下重量百分含量组分组成：膨胀石墨(EG)含量为30‑70wt%，聚酰亚胺(PI)含量为30‑70wt%，其中EG为主导电填料，PI为粘结剂，采用干法混合工艺和模压成型工艺制备而成；相较于金属双极板具有低密度、低成本、耐腐蚀、轻量化等优异特性，成型工艺简单、易于加工，环保节能，平面电导率和抗弯强度分别可达175.25S·cm‑1和68.54Mpa，荷电效果明显。

Description

膨胀石墨/聚酰亚胺复合材料双极板及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料领域，具体涉及膨胀石墨/聚酰亚胺复合材料双极板及其制备方法。
背景技术
聚酰亚胺（polyimide，PI）胶粘剂作为一种新型耐高温胶粘剂，广泛应用在飞机制造、航空及军事领域。随着航天、军事技术的蓬勃发展，对PI胶粘剂的粘接性能、抗静电、耐高温等性能的要求也逐渐提高，而现有的PI胶粘剂已难以满足航空航天工业发展的需要。因此，对PI胶粘剂进行改性，研制出具有高性能和多功能的 PI复合胶粘剂具有极其重要的意义和研究价值。
石墨烯（Graphene，G）具有优良的物理和化学特性，是一种良好的复合材料的增强材料。将石墨烯及其衍生物纳米片填充到聚酰亚胺材料中制备复合材料，能很大程度提升聚酰亚胺复合材料的性能（力学、热力学、电学等性能），以满足随着高新科技的发展带来产品制造对材料性能的要求。石墨烯（GNS）具有诸多奇妙的特性，无论在结构复合材料领域，还是在功能复合材料研究领域，石墨烯都是一种新奇的理想增强体。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、环境友好、启动迅速、工作噪声小的特点，被认为是最有竞争力的传统能源转换装置的替代者。双极板作为PEMFC的重要部件，占据了总成本的30％-40％，总重量的70％-80％，因而成为PEMFC低成本、轻量化的主要制约因素之一。目前研究报道和应用最多的金属双极板，如CN104051743A公开一种金属双极板，包括钛基片及其表面改性层构成；CN104795573A一种燃料电池用金属双极板，由两块厚度相同的金属板冲压形成氢极板和氧极板，但是他们均存在耐腐蚀性差、密度过高、加工工艺复杂等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中金属双极板耐腐蚀性差、密度过高、工艺复杂等缺陷，提供低密度、易加工、低成本、耐腐蚀、轻量化且导电性好的膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板，工艺简单且环保节能。
为实现上述目的，本发明的膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板，由包含以下重量百分含量组分组成：膨胀石墨(EG)含量为30-70wt%，聚酰亚胺(PI)含量为30-70wt%，其中EG为主导电填料，PI为粘结剂，采用干法混合工艺和模压成型工艺制备而成。具体地，该方法包括如下步骤：
（1）干法混合工艺：按照上述原料配比称取原料，采用静电发生器给置于不同容器中的EG和PI分别施加相反电荷，然后将PI加入到EG中，使用三维运动混合机进行混合10-30min。
（2）预压固化工艺：将上述混料在100-120℃预热0.5-1h，然后恒温加压至60-80MPa，模压10-30min后升温至210-230℃，恒温固化2-4h后冷却开模得预压板。
（3）热模压成型工艺：将3-5块上述预压板层叠平铺，在100-120℃预热0.5-1h，然后恒温加压至60-80MPa，模压10-30min后升温至210-230℃，再降压至30-40MPa，恒温固化2-4h后冷却开模，即：制得膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板。
所述的聚酰亚胺(PI)为热塑性聚酰亚胺粉料或颗粒。
优选的，所述的膨胀石墨(EG)可采用石墨烯、球形石墨(SG)或其混合物替代。
本发明具有如下优点：
1、本发明制备的产品相较于金属双极板具有低密度、低成本、耐腐蚀、轻量化等优异特性；2、采用干法混合工艺和模压成型工艺，易于加工且环保节能；3、本发明制备的膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板平面电导率和抗弯强度分别175.25S·cm-1和68.54Mpa，荷电效果明显。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板，由包含以下重量百分含量组分组成：膨胀石墨(EG)含量为30wt%，热塑性聚酰亚胺(PI) 粉料含量为70wt%，其中EG为主导电填料，PI为粘结剂，采用干法混合工艺和模压成型工艺制备而成。具体地，该方法包括如下步骤：
（1）干法混合工艺：按照上述原料配比称取原料，采用静电发生器给置于不同容器中的EG和PI分别施加相反电荷，然后将PI加入到EG中，使用三维运动混合机进行混合10min；
（2）预压固化工艺：将上述混料在100℃预热0.5h，然后恒温加压至60MPa，模压10min后升温至210℃，恒温固化2h后冷却开模得厚度为2mm的预压板；
（3）热模压成型工艺：将3块上述预压板层叠平铺，在100℃预热0.5h，然后恒温加压至60MPa，模压10min后升温至210℃，再降压至30MPa，恒温固化2h后冷却开模，即：制得膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板。
实施例2
膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板，由包含以下重量百分含量组分组成：石墨烯含量为70wt%，聚酰亚胺(PI) 颗粒含量为30wt%，其中石墨烯为主导电填料，PI为粘结剂，采用干法混合工艺和模压成型工艺制备而成。具体地，该方法包括如下步骤：
（1）干法混合工艺：按照上述原料配比称取原料，采用静电发生器给置于不同容器中的石墨烯和PI分别施加相反电荷，然后将PI加入到石墨烯中，使用三维运动混合机进行混合30min；
（2）预压固化工艺：将上述混料在120℃预热1h，然后恒温加压至80MPa，模压30min后升温至230℃，恒温固化4h后冷却开模得厚度为4mm的预压板；
（3）热模压成型工艺：将5块上述预压板层叠平铺，在120℃预热1h，然后恒温加压至80MPa，模压30min后升温至230℃，再降压至40MPa，恒温固化4h后冷却开模，即：制得石墨烯/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板。
实施例3
膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板，由包含以下重量百分含量组分组成：球形石墨(SG)含量为50wt%，聚酰亚胺(PI)含量为50wt%，其中球形石墨(SG)为主导电填料，PI为粘结剂，采用干法混合工艺和模压成型工艺制备而成。具体地，该方法包括如下步骤：
（1）干法混合工艺：按照上述原料配比称取原料，采用静电发生器给置于不同容器中的SG和PI分别施加相反电荷，然后将PI加入到SG中，使用三维运动混合机进行混合20min；
（2）预压固化工艺：将上述混料在110℃预热0.5h，然后恒温加压至80MPa，模压10min后升温至210℃，恒温固化3h后冷却开模得厚度为3mm的预压板；
（3）热模压成型工艺：将4块上述预压板层叠平铺，在110℃预热0.5h，然后恒温加压至80MPa，模压10min后升温至210℃，再降压至40MPa，恒温固化3h后冷却开模，即：制得球形石墨(SG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板。
实施例4
膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板，由包含以下重量百分含量组分组成：膨胀石墨(EG)含量为60wt%，聚酰亚胺(PI) 颗粒含量为40wt%，其中EG为主导电填料，PI为粘结剂，采用干法混合工艺和模压成型工艺制备而成。具体地，该方法包括如下步骤：
（1）干法混合工艺：按照上述原料配比称取原料，采用静电发生器给置于不同容器中的EG和PI分别施加相反电荷，然后将PI加入到EG中，使用三维运动混合机进行混合15min；
（2）预压固化工艺：将上述混料在110℃预热0.5h，然后恒温加压至70MPa，模压15min后升温至220℃，恒温固化3h后冷却开模得厚度为3mm的预压板；
（3）热模压成型工艺：将3块上述预压板层叠平铺，在110℃预热1h，然后恒温加压至70MPa，模压15min后升温至220℃，再降压至35MPa，恒温固化3h后冷却开模，即：制得膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板。
经测试，上述实施例中膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板、石墨烯/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板、球形石墨(SG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板的平面电导率和抗弯强度均分别175.25S·cm-1和68.54Mpa，荷电效果明显；进一步证明，相较于金属双极板具有低密度、低成本、耐腐蚀、轻量化等优异特性，且成型工艺简单易于加工、环保节能，是理想的双极板材料。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板，其特征在于，由包含以下重量百分含量组分组成：膨胀石墨(EG)含量为30-70wt%，聚酰亚胺(PI)含量为30-70wt%，其中EG为主导电填料，PI为粘结剂，采用干法混合工艺和模压成型工艺制备而成。
2.如权利要求1所述的膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板，其特征在于，所述的聚酰亚胺(PI)为热塑性聚酰亚胺粉料或颗粒。
3.如权利要求1所述的膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板，其特征在于，所述的膨胀石墨(EG)可采用石墨烯、球形石墨(SG)或其混合物替代。
4.如权利要求1-3所述的膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）干法混合工艺：按照上述原料配比称取原料，采用静电发生器给置于不同容器中的EG和PI分别施加相反电荷，然后将PI加入到EG中，使用三维运动混合机进行混合10-30min；
（2）预压固化工艺：将上述混料在100-120℃预热0.5-1h，然后恒温加压至60-80MPa，模压10-30min后升温至210-230℃，恒温固化2-4h后冷却开模得厚度为2-4mm的预压板；
（3）热模压成型工艺：将3-5块上述预压板层叠平铺，在100-120℃预热0.5-1h，然后恒温加压至60-80MPa，模压10-30min后升温至210-230℃，再降压至30-40MPa，恒温固化2-4h后冷却开模，即：制得膨胀石墨(EG)/聚酰亚胺(PI)复合材料双极板。
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