JP2002294079A - 熱硬化性樹脂成形材料及び成形品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 黒鉛基材を多量に含有する熱硬化性樹脂成形
材料において困難であった導電性と成形性の両立を得ん
としてなされたものであり、黒鉛を直鎖飽和脂肪酸で表
面処理することにより、導電性を損なうことなく成形性
を向上させる成形材料を提供する。 【解決手段】 成形材料全体に対して、熱硬化性樹脂５
〜２５重量％と、基材として黒鉛７５〜９５重量％を含
有し、前記黒鉛が炭素数１０〜３２である直鎖飽和脂肪
酸により表面処理を施されたものであることを特徴とす
る熱硬化性樹脂成形材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、黒鉛基材の含有割
合が多く、かつ成形性に優れた熱硬化性樹脂成形材料及
びその成型品に関するものである。本発明の成形材料
は、導電性を損なうことなく成形性に優れた燃料電池用
セパレーターの成形に好適に用いられる。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池用セパレーターは、燃料電池の
各セルの間に挟んで燃料ガスや空気を遮断するだけでな
く、燃料ガスや空気を送り込むための流路が作り込まれ
ており、複雑な形状をしている。セパレーターの製造手
法としては等方性カーボンなどの焼成黒鉛材に溝を切削
加工し流路を作り込む方法があるが、複雑な流路を切削
しなければならず工数とコストがかかる。

【０００３】更に本発明での製造手法でもある熱硬化性
樹脂、黒鉛、機械的強度の補強材等を混練し成形する方
法もある。このように樹脂を結合材として用いる方法で
は、前記炭素素材に２次加工を施す方法に比べ加工費を
大幅に低減できる利点があるが、導電性が劣るという欠
点があった。そのため黒鉛粒度・形状を最適化すること
により黒鉛の充填量もしくは黒鉛同士の結合を増やし、
導電性を高める手法がとられているが、黒鉛粒度・形状
を調整するために、黒鉛の粉砕、分級が必要となり工程
が複雑になるだけでなく、黒鉛充填量の増加、成形材料
中での黒鉛同士の接触により成形材料の流動性を低下さ
せるといった問題点があり、燃料電池用セパレーターの
ような大型かつ薄肉で複雑な形状を有した成形体を得る
ことは極めて難しく、導電性と成形性は相反するもので
あった。

【０００４】こうした問題を解決すべく成形材料に揮発
性有機溶媒を混和しペースト化したり、樹脂の粘度、不
揮発分を調整したりして成形体を得る手法もとられてい
る。これらの手法は成形材料の流動性を向上させる点で
は効果的ではあるが、硬化時に気泡が生じガス不透過性
に悪影響を与えたり、硬化不足により形状保持が困難に
なったりすることがあるため、予熱工程や硬化時間の延
長が必要になり、成形加工性、生産性が悪いという問題
があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、黒鉛基材を
多量に含有する熱硬化性樹脂成形材料において導電性と
成形性の両立を得んとしてなされたものであり、黒鉛を
直鎖飽和脂肪酸で表面処理することにより、導電性を損
なうことなく成形性を向上させる成形材料を提供するも
のである。

【０００６】

【課題を解決する手段】本発明は（１）成形材料全体に
対して、熱硬化性樹脂５〜２５重量％と、基材として黒
鉛７５〜９５重量％を含有し、前記黒鉛が炭素数１０〜
３２である直鎖飽和脂肪酸により表面処理を施されたも
のであることを特徴とする熱硬化性樹脂成形材料、
（２）直鎖飽和脂肪酸が、黒鉛１００重量部に対して
０．５〜５．０重量部であることを特徴とする第（１）
項記載の熱硬化性樹脂成形材料、（３）第（１）項また
は第（２）項記載の熱硬化性樹脂成形材料を成形してな
ることを特徴とする燃料電池用セパレーター成形品、で
ある。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。本発明において使用する熱硬化性樹脂としては特
に限定しないが、常温で固体であるものが好ましい。樹
脂が常温で液状であると、加圧ロールにおいては混練性
が低下し、均一な分散が得られにくいことがある。使用
できる熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキ
シ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、不飽和ポリエルテル
樹脂等が挙げられるが、特に耐熱性のよいフェノール樹
脂、エポキシ樹脂が好ましく、フェノール樹脂では、成
形時にアンモニアが発生せず成形品中に残存しないとい
う点でレゾール型フェノール樹脂が好ましい。

【０００８】これらの熱硬化性樹脂を、成形材料全体に
対して５〜２５重量％配合する。５重量％未満では流動
性が低下するため成形性や成型品の強度及び成形加工性
に問題を生じることがあり、２５重量％を越えると成形
品を燃料電池用セパレーターとして用いる場合では実用
的な導電性を得られないことがある。成形性と各種特性
とのバランスを考慮すると、より好ましくは１０〜２０
重量％である。

【０００９】本発明においては、炭素数が１０〜３２の
直鎖飽和脂肪酸（以下、処理剤と記載）で表面処理され
た黒鉛を単独及び併用して使用することを特徴とする。
処理剤は黒鉛粒子の全体を被覆することが好ましいが、
一部分の被覆であっても有効である。黒鉛基材を多量に
含有した成形材料の成形性を阻害する要因の一つとなっ
ているのは、黒鉛粒子同士の接触による流動性の低下で
あるが、表面処理を施された黒鉛を使用すると、成形時
に被覆された処理剤が軟化点以上に加熱された時、処理
被覆は樹脂中に移行すると同時に黒鉛粒子を押し流す働
きを有する。黒鉛粒子同士の接触は処理剤により緩和さ
れた状態で流動するため、良好な成形性が得られる。ま
た、処理剤は加熱成形時には樹脂中に移行し樹脂と相溶
するため、成形後においては黒鉛粒子同士の接触を妨げ
ることはなく、良好な導電性を保つことができる。

【００１０】本発明において用いられる処理剤の炭素数
が１０より小さいと、揮発性が高いため成形時にフクレ
が生じやすく、また融点が低いため、成形品の熱時機械
的強度を低下させることがあり、また、高級脂肪酸に比
べ刺激臭があり液状であるため、取り扱いが難しくなる
ことがある。炭素数が３２より大きいと成形時における
処理剤の軟化が乏しく、材料の流動性が充分でないこと
がある。これらの処理剤としてはステアリン酸、パルミ
チン酸、モンタン酸、メリシン酸等が挙げられるが、炭
素数が大きいほど樹脂との相溶性が低くなるため、より
良好な導電性を得るためには炭素数が１４〜２８である
ことが好ましい。

【００１１】処理剤量は黒鉛１００重量部に対して０．
５〜５．０重量部であることが好ましい。０．５重量部
より少ないと黒鉛粒子同士の接触を緩和して流動する効
果が乏しくなり、良好な成形性が得られないことがあ
る。５．０重量部より多いと成形時に樹脂と相溶せずに
黒鉛粒子表面に処理剤が残るため、黒鉛粒子の接触を妨
げ成形品の導電性に劣ることがある。実用的な導電性と
成形性の両立を図るためには、黒鉛１００重量部に対し
て１．０〜３．０重量部であることがより好ましい。

【００１２】処理剤による黒鉛の表面処理は、処理剤の
融点または軟化点を超えた温度で、処理剤と黒鉛を溶融
混合する方法、融点または軟化点を超えた温度の処理剤
を黒鉛に噴霧する方法等がある。また、溶剤に溶解した
処理剤を黒鉛と混合した後、溶剤を乾燥揮散させる方
法、溶剤に溶解した処理剤を黒鉛に噴霧した後、溶剤を
乾燥揮散させる方法も有効である。また、物理的に被覆
させる方法も有効であり、例えば処理剤と黒鉛を回転ボ
ールミルで攪拌混合することで、ミルとの摩擦作用によ
り処理剤で黒鉛を被覆することも出来る。

【００１３】本発明の成形材料においては、以上のよう
に処理剤で表面処理を施された黒鉛を使用することを特
徴とする。使用する黒鉛の種類は特に限定しないが、天
然鱗状黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、土壌黒鉛等があり、
成形品を燃料電池用セパレータ材料として用いる場合
は、取り扱いの容易さ等の点から天然鱗状黒鉛及び／又
は人造黒鉛が好ましい。配合量は成形材料全体に対して
７５〜９５重量％であることが好ましく、成形品の導電
性、強度、外観等を考慮すると、更に好ましくは８０〜
９０重量％である。黒鉛の配合量が７５重量％未満だと
十分な導電性が得られず、９５重量％を超えると結着剤
としての樹脂が不足することから、必要とされる強度等
を有した成形体を得ることが難しくなる。また、使用す
る黒鉛の粒子径についても特に限定しないが、粒子径は
成形材料の流動性や成形品の導電性に顕著に影響するた
め、成形品の特性に併せて選択すればよい。

【００１４】次に、本発明の熱硬化性樹脂成形材料を製
造する方法についてその一例を詳しく説明する。微粉砕
した熱硬化性樹脂、処理剤により表面処理を施した人造
黒鉛、及び必要に応じて離型剤をヘンシェルミキサーに
て均一に混合する。この混合組成物はこのままでも成形
加工でき高導電性を有しているが、更に均一な導電性と
実用的な機械的強度、気体不透過性を付与すると同時に
成形性を高めるために加熱ロールで成形材料化し破砕す
る。必要により顆粒状にすることもできる。また、導電
性、成形加工性を損なわない範囲で、黒鉛の代わりにカ
ーボンブラック、炭素繊維等の導電性の充填材を一部使
用することも可能である。但し、加熱混練する際は、混
合組成物の温度が処理剤の融点もしくは軟化点より高く
なり過ぎると加熱混練中に被覆された処理剤と樹脂との
相溶が生じ、処理効果が低減することを配慮しなければ
ならない。

【００１５】本発明の成形材料を燃料電池用セパレータ
に成形すると、良好な成形性と導電性を有する成形品を
得ることができる。この成形材料を燃料電池用セパレー
タに成形する場合は、圧縮成形法を用い、一般的な条件
で成形することができる。例えば、金型温度１３０〜２
００℃、成形圧力２００〜８００ｋｇ／ｃｍ² 、硬化時
間５分で、２００×２００×２ｍｍの溝付き成形品を得
ることができる。

【００１６】

【実施例】以下本発明を実施例により詳しく説明する。
しかし本発明はこれらの実施例によって限定されるもの
ではない。また、実施例及び比較例に記載されている
「部」及び「％」は、すべて「重量部」及び「重量％」
を示す。

【００１７】＜フェノール樹脂の製造＞フェノール
（Ｐ）１００ｋｇ、８７％パラホルムアルデヒド（Ｆ）
６２ｋｇ（Ｆ／Ｐモル比１．７０）、酢酸亜鉛０．５ｋ
ｇを還流コンデンサー撹拌機、加熱装置、真空脱水装
置、スタティックミキサー付きレジン循環装置を備えた
３００リッター反応釜内に入れ、還流反応を３時間行っ
た。この時点のフェノール反応率は９２％であった。そ
の後、脱水を行いながら１１５℃迄加熱し、更に１１５
℃、真空度１００Ｔｏｒｒを１時間維持して反応を進め
た後、冷却バット上に取り出し、フェノール換算での数
平均分子量が７００のレゾール型フェノール樹脂Ａ（固
形）１０５ｋｇを得た。

【００１８】＜実施例１＞ステアリン酸２重量部をアセ
トン１００重量部中で溶解混合した後、人造黒鉛１００
重量部を投入し７０℃で温めながら攪拌混合した。この
混合物中のアセトンを乾燥揮散させ、表面処理黒鉛Ｂを
得た。得られた黒鉛Ｂを成形材料全体に対して８８重量
％、フェノール樹脂Ａ１２重量％をヘンシェルミキサー
にて混合し、得られた組成物を８０℃の加熱ロールで２
分溶融混練した後取り出し、顆粒状に粉砕して成形材料
を得た。この成形材料を金型温度１８５℃、成形圧力５
００ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間３分で圧縮成形し２００×
２００×２ｍｍの溝付き成形品を得た。成形品は、片面
に長さ１５０ｍｍ、幅１．０ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝
を１ｍｍ間隔で７５本、反対面にはこれと同様の溝を直
交方向に有したものである。得られた成形品の特性を表
１下段に示す。

【００１９】＜実施例２＞処理剤をパルチミン酸３重量
部とした以外は実施例１と同じ方法で表面処理黒鉛Ｃを
得た。得られた黒鉛Ｃを成形材料全体に対して８７重量
％、フェノール樹脂Ａ１３重量％をヘンシェルミキサー
にて混合し、得られた組成物を８０℃の加熱ロールで２
分溶融混練した後取り出し、顆粒状に粉砕して成形材料
を得た。この成形材料を用い、実施例１と同じ方法で成
形品を得た。

【００２０】＜比較例１＞成形材料全体に対して、フェ
ノール樹脂Ａ１２重量％、処理を行っていない人造黒鉛
８６重量％、ステアリン酸を２重量％をヘンシェルミキ
サーにて混合し、得られた組成物を８０℃の加熱ロール
で２分溶融混練した後取り出し、顆粒状に粉砕して成形
材料を得た。この成形材料を用い、実施例１と同じ方法
で成形品を得た。

【００２１】＜比較例２＞処理剤をカプリル酸３重量部
とした以外は実施例１と同じ方法で表面処理黒鉛Ｄを得
た。得られた黒鉛Ｄを成形材料全体に対して８７重量
％、フェノール樹脂Ａ１３重量％をヘンシェルミキサー
にて混合し、得られた組成物を８０℃の加熱ロールで２
分溶融混練した後取り出し、顆粒状に粉砕して成形材料
を得た。この成形材料を用い、実施例１と同じ方法で成
形品を得た。

【００２２】＜比較例３＞処理剤をステアリン酸７重量
部とした以外は実施例１と同じ方法で表面処理黒鉛Ｅを
得た。得られた黒鉛Ｅを成形材料全体に対して９０重量
％、フェノール樹脂Ａ１０重量％をヘンシェルミキサー
にて混合し、得られた組成物を８０℃の加熱ロールで２
分溶融混練した後取り出し、顆粒状に粉砕して成形材料
を得た。この成形材料を用い、実施例１と同じ方法で成
形品を得た。

【００２３】

【表１】

【００２４】（測定方法） １．体積固有抵抗：ＪＩＳ Ｋ ７１９４により測定し
た。 ２．成形性：充填性及び外観が良好なものを○、外観に
フクレ・溝凸部の割れが生じるものを△、未充填部やフ
クレ、溝凸部の割れがあるものを×とした。

【００２５】実施例１，２はいずれも、熱硬化性樹脂と
炭素数１０〜３２である適量の処理剤によって処理され
た黒鉛とを前記請求項の範囲で配合しており、体積固有
抵抗が損なわれることなく良好な導電性を保持している
成型品を得ることができた。これに対し、比較例１は表
面処理を行っていない黒鉛を用いたため、成形性が劣る
ものとなった。比較例２では炭素数が８のカプリル酸に
よって表面処理を施された人造黒鉛を配合したが、成形
品にフクレ、ボイドが発生し、それに伴う導電性の低下
が生じた。比較例３は過剰量のステアリン酸で処理され
た人造黒鉛を使用した結果、成形性は良好であったが、
導電性の低下を生じた。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、成形材料全体に対して、熱硬
化性樹脂５〜２５重量％と、基材として黒鉛７５〜９５
重量％を含有し、前記黒鉛が炭素数１０〜３２である直
鎖飽和脂肪酸により表面処理を施されたものであること
を特徴とする熱硬化性樹脂成形材料であり、成形品の導
電性を損なうことなく成形性を向上させることができ
る。従って本発明によれば、結合材として樹脂を用い燃
料電池用セパレーターを成形する方法において、導電性
を向上させる目的で黒鉛の充填量もしくは黒鉛同士の結
合を増やすことに伴う成形材料の流動性の低下という従
来の問題を克服することができ、燃料電池用セパレータ
ー成形品として実用的な導電性と成形性を両立すること
ができる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成形材料全体に対して、熱硬化性樹脂５
   〜２５重量％と、基材として黒鉛７５〜９５重量％を含
   有し、前記黒鉛が炭素数１０〜３２である直鎖飽和脂肪
   酸により表面処理を施されたものであることを特徴とす
   る熱硬化性樹脂成形材料。
2. 【請求項２】 直鎖飽和脂肪酸が、黒鉛１００重量部に
   対して０．５〜５．０重量部であることを特徴とする請
   求項１記載の熱硬化性樹脂成形材料。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の熱硬化性樹脂成形
   材料を成形してなることを特徴とする燃料電池用セパレ
   ーター成形品。