本发明专利技术涉及一种碳素/树脂复合材料及其用途。所述碳素/树脂复合材料主要由先经加压预固化制备预成品，然后再经过常压高温固化制得；以所用原料的总重量为100wt％计算基准，碳素材料占70wt％～90wt％，所述碳素材料是：由天然石墨、膨胀石墨和炭黑组成的混合物。本发明专利技术提供的碳素/树脂复合材料可作为质子交换膜燃料电池的双极板。本发明专利技术克服了传统模压法加工周期长和注塑法产品性能差的缺点，更适合于规模化生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种碳素/树脂复合材料及其用途，具体地说，涉及一种包含石墨、膨胀石墨、炭黑和树脂的复合材料及其用途。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、无污染、可室温快速启动、寿命长和功率密度高等特点，在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的驱动电源，并被认为是继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统。对它的研究已成为电化学和能源科学领域里的一个热点，许多发达国家和公司对其发展予以高度重视，并投巨资发展这一技术。 双极板是质子交换膜燃料电池的重要组件，也是影响电池性能，尤其是影响电池功率密度和制造成本的一个重要因素。根据制备材料的不同，往往将双极板分为石墨双极板，金属双极板和复合材料双极板。普通石墨材料是较早开发和利用的双极板材料,其制成的双极板质量轻、耐腐蚀性能好、导电性较强，但石墨本身性脆，给产品组装造成了一定的困难，且制造过程中易产生15%左右气孔。同时，石墨板材制造和流场加工工艺比较复杂，导致制造成本昂贵。金属双极板具有良好的导电性、导热性、机械加工性、致密性等，满足批量生产的要求，但是金属材料密度高、易腐蚀，在工作中被溶解后产生的金属离子扩散到质子交换膜层，就会增加被腐蚀双极板的电阻，降低了燃料电池的输出功率和使用寿命。复合材料双极板，特别是树脂基碳素复合材料双极板是质子交换膜电池双极板的发展方向。目前，树脂基碳素复合材料质子交换膜燃料电池双极板普遍使用一种到两种填充材料，其电学和力学性能都较低；个别材料中采用多组分填料作为原料，但是所用填料价格昂贵，不易取得。性能方面，复合板面临着强度和电导率之间不可避免的矛盾难点，即提高强度，需要增加树脂含量，这必然会导致复合板电性能的下降，反之则力学强度不足。现有复合材料质子交换膜燃料电池双极板的加工工艺难以同时满足加工周期短和产品性能优良的要求。因此，克服这些问题之间相互制约的矛盾是提高复合板性能的关键。最大的问题在于传统模压法加工周期长，注塑法产品性能差，目前常用的加工方法都不适合于规模化生产。US. Pat. No. 4, 301, 222 (Emannelson et al)揭不了一种将纯石墨粉和炭化热固性酚醛树脂各50%混合注塑成的双极板，然后再进行后处理工艺使其完全石墨化。所得石墨板在机械强度、重量减轻等方面性能优于纯石墨板，但其缺点是石墨化在2000°C以上条件完成，加工成本很高。CN 1440574A(Z 伊克巴尔等)提供了一种用于燃料电池双极板的纳米复合材料。在所述的纳米复合材料材料中使用了纳米管状纤维，该材料价格昂贵且来源较少，并且所用纳米管状纤维在3000°C下进行退火处理，提高了加工成本，不适合产品的批量生产。CN 101101994A(沈春晖等)公开了一种膨胀石墨基复合材料双极板及其制备方法，所述的双极板主要由经热塑性树脂预处理的膨胀石墨和碳布或碳纸模压而成。虽然所制得的双极板具有较佳的力学和电学性能，但碳布或碳纸需经过200°C下1-2小时处理，需要对膨胀石墨进行模压成板，再与碳布或碳纸一同模压制成双极板，且在保压下自然冷却至室温，其制备工艺复杂，加工周期长，不适合产品的批量生产。CN 101132067A(李爱菊等)也公开了一种燃料电池双极板复合材料及其制备工艺，其主要采用经表面预处理的碳纳米管增强酚醛树脂/石墨基燃料电池双极板。该工艺的主要缺陷是，碳纳米管处理工艺较为复杂，需在亚铁离子、双氧水、固定PH值和特定波长紫外光下处理I小时至5小时，模压压力要求高(需IOMPa 40MPa)，工艺周期长(保压时间40min 120min),不适合于规模化生产。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的问题，本专利技术在大量的实验研究基础上，提供一种包含石墨、膨胀石墨、炭黑和树脂的复合材料。本专利技术所提供的复合材料具有较佳的力学和电学 性能，可作为质子交换膜燃料电池双极板的应用。本专利技术的一个目的在于，提供一种新颖的碳素/树脂复合材料，所述的碳素/树脂复合材料由包括如下步骤的制备方法制得(I)将由碳素材料和“树脂基体”(术语“树脂基体”是指包含热固性树脂和固化剂的混合物)组成的原料加压固化成型，得到预成品；和(2)在常压(I大气压)条件下，将由步骤(I)得到的预成品经热固化，得到目标物(本专利技术所述的碳素/树脂复合材料)；其中，以所用原材料的总重量为IOOwt %为计算基准，碳素材料占70wt % 90wt%,所述碳素材料是由石墨、膨胀石墨和炭黑组成的混合物；在步骤(I)中，最低压力为能保证熔融态热固性树脂充满模具内腔的压力，最高压力不高于使碳素材料结构遭破坏的临界压力；最低温度高于所用热固性树脂固化温度，最高温度不高于以能使熔融热固性树脂在I分钟停止流动的温度；最短时间为所用热固性树脂完全熔融浸溃碳素填料的时间(较佳的最短时间是所用热固性树脂停止流动的时间)；所制得的碳素/树脂复合材料的电导率为150S/cm 250S/cm(23°C )，弯曲强度为 30MPa 45MPa(23°C )，密度为 I. 45g/cm3 I. 70g/cm3(23°C )。本专利技术另一个目的在于，揭示上述碳素/树脂复合材料的一种用途，及所述的碳素/树脂复合材料作为质子交换膜燃料电池的双极板的应用。与现有技术相比，本专利技术所提供的碳素/树脂复合材料的突出优点在于，原料价廉、制备周期短、且适合于规模化生产。简而言之，本专利技术所提供的碳素/树脂复合材料更具商用价值。具体实施例方式在本专利技术中，所用石墨(天然石墨或人造石墨)、膨胀石墨和炭黑均是常用、廉价及易得的导电填充材料。所用天然石墨优选具有鳞片状结构的天然石墨,其厚度为O. 02mm O. 05mm,鳞片长径比为I 4 ;所用人造石墨优选具有球形结构的人造石墨。本专利技术的专利技术人发现本专利技术所提供的碳素/树脂复合材料的弯曲强度随所用的石墨的粒径减小而增大，及以粒径不同的“混合石墨”(术语“混合石墨”是指由两种或两种以上不同粒径的石墨混合而成的石墨)替代单一粒径的石墨，所得的碳素/树脂复合材料的电导率和弯曲强度更佳。所用膨胀石墨可由可膨胀石墨经电化学法、化学氧化法、微波法、爆炸法或气象扩散法等方法制得，其为多孔疏松的蠕虫状结构。本专利技术对所用膨胀石墨的膨胀体积没有特殊要求。所用炭黑是纳米级别的圆球状结构，其可以是导电槽黑、导电炉黑、超导电炉黑、特导电炉黑或乙炔炭黑。所用炭黑可以是经过表面处理的，也可以是未经过表面处理的，炭黑也可以经过石墨化处理，对炭黑的粒径无要求。上述石墨、膨胀石墨和炭黑此三者在结构学上可以有效地配合构成良好的三维导 电网络和较低的孔隙率，膨胀石墨表面有活性基团，增强了与树脂的结合力，提高了制品的力学性能。膨胀石墨粒子本身的高次构造和炭黑粒子的坚硬高次凝聚构造使导电性填充粒子间形成多个电子网络。并且随着石墨粒径的增大，填充粒子间接触增大，电导率提高。同时，天然鳞片石墨的鳞片状结构在外界压力下发生取向，有利于形成导电网络，并且取向的天然鳞片石墨可以提高双极板的阻气性；人造石墨是多层结构，结构复杂，不同粒径石墨和多种碳素材料组合使用可以有效改善其空隙率高的缺点。石墨和膨胀石墨同时作为导电性填充剂使用时，所得的复合材料的弯曲强度会降低(相比于本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种碳素/树脂复合材料，其特征在于，所述的碳素/树脂复合材料由包括如下步骤的制备方法制得：(1)将由碳素材料和“树脂基体”组成的原料加压固化成型，得到预成品；和(2)在常压条件下，将由步骤(1)得到的预成品经热固化，得到目标物；其中，以所用原材料的总重量为100wt％为计算基准，碳素材料占70wt％～90wt％，所述碳素材料是由石墨、膨胀石墨和炭黑组成的混合物；所述“树脂基体”是包含热固性树脂和固化剂的混合物；在步骤(1)中，最低压力为能保证熔融态热固性树脂充满模具内腔的压力，最高压力不高于使碳素材料结构遭破坏的临界压力；最低温度高于所用热固性树脂的固化温度，最高温度不高于以能使熔融热固性树脂在1分钟停止流动的温度；最短时间为所用热固性树脂完全熔融浸渍碳素填料所需的时间；在步骤(2)中，温度不高于所用热固性树脂固化温度20℃；所制得的碳素/树脂复合材料的电导率为150S/cm～250S/cm(23℃)，弯曲强度为30MPa～45MPa(23℃)，密度为1.45g/cm3～1.70g/cm3(23℃)。
【技术特征摘要】
1.一种碳素/树脂复合材料，其特征在于，所述的碳素/树脂复合材料由包括如下步骤的制备方法制得 (1)将由碳素材料和“树脂基体”组成的原料加压固化成型，得到预成品；和 (2)在常压条件下，将由步骤(I)得到的预成品经热固化，得到目标物； 其中，以所用原材料的总重量为IOOwt%为计算基准，碳素材料占70wt% 90wt%，所述碳素材料是由石墨、膨胀石墨和炭黑组成的混合物；所述“树脂基体”是包含热固性树脂和固化剂的混合物； 在步骤(I)中，最低压力为能保证熔融态热固性树脂充满模具内腔的压力，最高压力不高于使碳素材料结构遭破坏的临界压力；最低温度高于所用热固性树脂的固化温度，最高温度不高于以能使熔融热固性树脂在I分钟停止流动的温度；最短时间为所用热固性树脂完全熔融浸溃碳素填料所需的时间； 在步骤(2)中，温度不高于所用热固性树脂固化温度20°C ； 所制得的碳素/树脂复合材料的电导率为150S/cm 250S/cm(23°C )，弯曲强度为30MPa 45MPa(23°C )，密度为 I. 45g/cm3 I. 70g/cm3(23°C )。2.如权利要求I所述的碳素/树脂复合材料，其特征在于，其中以所述原料的总重量为IOOwt %计，石墨占40wt % 70wt %,膨胀石墨占3wt % IOwt %,炭黑占5wt % 25wt %，“树脂基体”占IOwt % 30wt%。3.如权利要求I或2所述的碳素/树脂复合材料，其特征在于，其中...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴国章，张昆，江建第，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：
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