氢燃料电池用橡胶密封材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于密封材料技术领域，具体涉及一种氢燃料电池用橡胶密封材料及其制备方法和应用。所述的橡胶密封材料按重量份数计，原料组分为：FKM三元共聚物100份；填充补强剂10～20份；流动助剂1～3份；内脱模剂1～3份；过氧化物硫化剂3～5份；促进剂2～4份。通过氟橡胶配合和混炼，制备得橡胶密封材料。相比于其它氟橡胶，具有较低的压缩永久变形率，优异的耐油、耐溶剂和耐磷酸特性，物理机械性能好，可在燃料电池环境中能长期稳定的使用。

Rubber Sealing Materials for Hydrogen Fuel Cells and Their Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
氢燃料电池用橡胶密封材料及其制备方法和应用
本专利技术属于密封材料
，具体涉及一种氢燃料电池用橡胶密封材料及其制备方法和应用。
技术介绍
基于能源结构安全和环境保护压力，发展节能环保的新能源汽车已成为迫切需求。与传统燃油汽车相比，以氢燃料电池为动力的新能源汽车在能源来源、尾气排放等方面具有明显优势，但诸如安全性、氢燃料的贮存技术等问题仍困扰着氢燃料电池发展，而氢燃料电池用密封垫圈对于氢燃料的贮存和安全性的重要性是显而易见的。由于密封垫圈特殊的使用环境，要求橡胶材料需要同时满足耐高温(≥200℃)、耐气体(氢气等)、耐介质(甲醇、三乙二醇和磷酸)和优异的压缩永久变形性能。此外，对于其使用寿命和可靠性的要求也很高。氟橡胶(FKM)是主链或侧链上的碳原子上接有电负性极强的氟原子的一种合成弹性体。由于C-F键能大，C-C链的稳定性很强,使它具有其他橡胶不可比拟的优异性能,如耐高温性、耐油性、耐化学药品性,良好的物理性能及耐候性、电绝缘性和抗辐射性等,广泛地应用于航天、航空、石油、汽车及国防尖端工业中。此外，氟橡胶对气体的溶解度比较大，但扩散速度却比较小，所以总体表现出来的透气性也小。因此，氟橡胶是最适宜作为氢燃料电池密封圈的橡胶材料。目前，氢燃料电池系统中使用的密封件均被国外先进零部件供应商所垄断，国内厂家在这方面刚刚开始起步，仍处于摸索阶段。因此，研发出能在氢燃料电池系统中使用的密封圈橡胶材料意义重大。并且在本领域中，对于氟橡胶材料的认识为，其含氟越高，其耐油等性能越好，在不同的环境中，对氟橡胶的性能要求也是不同的。在氢燃料电池，中如磷酸燃料电池，是以磷酸为电解质，反应温度高等环境复杂并严苛，当与反应介质接触时，更注重氟橡胶材料的综合性能。最终使得到的橡胶密封材料达到耐高温(≥200℃)、耐气体(氢气等)、耐介质(甲醇、三乙二醇和磷酸)和优异的压缩永久变形性能等优异效果，符合氢燃料电池密封圈的需求。
技术实现思路
针对传统氟橡胶材料物理机械性能、耐介质(甲醇、三乙二醇和磷酸)性能较差、加工性能不好等问题，本专利技术研发出一种物理机械性能、耐高温(≥200℃)、耐气体(氢气等)、耐介质(甲醇、三乙二醇和磷酸)性能和压缩永久变形性能优异，加工性能良好，能够满足使用寿命和可靠性要求的新型氢燃料电池用氟橡胶密封圈材料。为了解决上述问题，本申请采用的技术方案如下：一种氢燃料电池用橡胶密封材料，按重量份数计，具体原料组分为：进一步，所述FKM三元共聚物为高氟含量(含氟量70％左右)的FKM三元共聚物，优选为：DAIELG912，大金公司生产。进一步，所述填充补强剂为中粒子热裂法炭黑N990或硫酸钡；进一步，所述流动助剂为WS280；进一步，所述内脱模剂为HT290；进一步，所述过氧化物硫化剂为2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷，50％含量，载体为白炭黑；市售品，白炭黑载体的作用为：便于硫化剂的吸附以及在橡胶中的分散。进一步，所述促进剂为三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)，优选TAIC-70。氟橡胶材料生产：包括氟橡胶配合和混炼氟橡胶材料混炼：将一半的氟橡胶生胶投入密炼机混炼1min；加入助剂等小料、炭黑，混炼约3min，成团，密炼温度为50℃；加入另一半氟橡胶生胶，混炼约3min温度为80℃；清扫后，继续混炼约2min，温度为100℃，结束，倒出胶料；然后投入开炼机，加入硫化剂，翻料机翻料5min，薄通3次，出片，制得混炼胶。氟橡胶材料硫化：在混炼胶停放16h以上后，用平板硫化机硫化试样，硫化条件为180℃×5min，硫化压力为15MPa；二段硫化在老化箱内进行，硫化条件为230℃×24h。氟胶混炼过程中生热大，加入全部的氟胶升温速度更快，不利于原料的分散和橡胶的充分混炼。通过本专利技术的混炼方法，可以使助剂和补强填充剂更好的分散在氟橡胶基材中。本专利技术选择特殊的氟橡胶生胶，制备得氢燃料电池用橡胶密封材料，该材料使用场合为氢燃料电池反应容器的壳体密封，在接触化学介质(磷酸电解质和三乙二醇)时，具有优异的稳定性。与现有技术相比，本申请达到的效果为：(1)生胶和硫化体系：氟橡胶硫化大体可分为3种：胺类(3#硫化剂)硫化、双酚类硫化(双酚AF+BPP硫化体系)和有机过氧化物(双2,5+TAIC)硫化。胺类硫化体系氟橡胶加工性能、耐热老化性能及压缩永久变形性能比其他硫化体系氟橡胶差，但其易于分散，对胶料有增塑作用，尤其对金属有较好的粘合性能。双酚硫化体系氟橡胶加工工艺性好，硫化产品也无缩边等现象，压缩永久变形优良，综合性能大大优于胺类硫化体系氟橡胶。所以，双酚体系是目前用来硫化氟橡胶最为常用的一种硫化体系。而本申请采用有机过氧化物硫化体系氟橡胶，由于含氟量较高，其硫化胶具有更优越的耐高温水蒸气、耐燃料油、耐化学药品等性能。并且本专利技术选择DAIELG912高氟含量(含氟量70％以上)的FKM三元共聚物，采用有机过氧化物硫化体系进行硫化，相比于其它氟橡胶体系，更有利于应用到氢燃料电池系统的严苛环境中使用。(2)补强体系：氟橡胶价格昂贵，通过加入合理有效的填充补强剂可降低成本，但氟橡胶导热性差，混炼生热大，特别是填料用量较大的胶料生热更甚，使混炼温度上升较高，易导致粘辊或焦烧。所以本专利技术综合考虑氟橡胶材料的物理机械性能、工艺性能以及密封圈材料的压缩永久变形性能，选择中粒子热裂法炭黑N990或硫酸钡作为填充补强剂和特定的氟橡胶配合使用。(3)助剂：氟橡胶的门尼粘度较高，分子链刚性大，不利于配合剂的分散，胶料流动性较差。此外，氟橡胶混炼时易粘辊，硫化时易黏模，加之该密封圈产品为薄制品，出模易撕坏，因此，需要加入适量的流动助剂和内脱模剂来改善氟橡胶的混炼和硫化工艺性能。(4)本专利技术选择DAIELG912为氟橡胶生胶，在其它助剂配合下，使制备的密封材料具有较低的压缩永久变形率，密封可靠，在180℃压缩率为25％的环境下压缩70小时的压缩永久变形率为16％，相比于其它氟橡胶，具有优异的耐油、耐溶剂和耐磷酸，耐高温的特性，物理机械性能好，可在燃料电池环境中能长期稳定的使用。具体实施方式实施例1一种氢燃料电池用橡胶密封材料，按重量份数计，具体原料组分为：氢燃料电池用橡胶密封材料的制备方法为：混炼：将一半的氟橡胶生胶投入密炼机混炼1min；加入填充补强剂N990、流动助剂WS280、内脱模剂HT290，促进剂TAIC，混炼3min，成团，密炼温度为50℃；加入另一半质量氟橡胶生胶，混炼3min温度为80℃；清扫后，继续混炼2min，温度为100℃，结束，倒出胶料；然后投入开炼机，加入硫化剂，翻料机翻料5min，薄通3次，出片，制得混炼胶。氟橡胶材料硫化：在混炼胶停放16h以上后，用平板硫化机硫化试样，硫化条件为180℃×5min，硫化压力为15MPa；二段硫化在老化箱内进行，硫化条件为230℃×24h，得橡胶密封材料。对比例1与实施例1相比，区别在于：将FKM三元共聚物：DAIELG912替换成DAIELG801，其余组分和制备方法不变，制备得橡胶密封材料。对比例2与实施例1相比，区别在于：将实施例1的FKM三元共聚物DAIELG912替换成DAIELG952，其余组分和制备方法不变，制备得橡胶密封材料。对比例3与实施例1相比，区别在于：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氢燃料电池用橡胶密封材料，其特征在于：所述的橡胶密封材料按重量份数计，原料组分为：

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池用橡胶密封材料，其特征在于：所述的橡胶密封材料按重量份数计，原料组分为：所述的FKM三元共聚物为DAIELG912。2.根据权利要求1所述氢燃料电池用橡胶密封材料，其特征在于：所述的填充补强剂为中粒子热裂法炭黑N990或硫酸钡。3.根据权利要求1所述氢燃料电池用橡胶密封材料，其特征在于：所述的流动助剂为WS280。4.根据权利要求1所述氢燃料电池用橡胶密封材料，其特征在于：所述的内脱模剂为HT290。5.根据权利要求1所述氢燃料电池用橡胶密封材料，其特征在于：所述的过氧化物硫化剂为2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷，载体为白炭黑，有效成分的质量含量为50％。6.根据权利要求1所述氢燃料电池用橡胶密封材料，其特征在于：所述的促进剂为三烯丙基异氰脲酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：戚淦超，吴兴才，丁岩辉，朱玉宏，
申请(专利权)人：常州朗博密封科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32