[發明專利]一種基于納米石墨片的高導電率復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201010513378.3
• 申請日: 2010-10-20
• 公開（公告）號: CN101974207A
• 公開（公告）日: 2011-02-16
• 發明（設計）人: 賀江平;陳星運;唐明靜;賀傳蘭;劉濤;余鳳湄;舒遠杰
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院化工材料研究所
• 主分類號: C08L63/00
• 分類號: C08L63/00;C08K13/04;C08K7/00;C08K3/04;C08K5/41;H01B1/24;B29C43/58;H01M4/96
• 代理公司: 四川省成都市天策商標專利事務所 51213
• 代理人: 劉興亮

技術領域

本發明涉及一種導電復合材料及其制備方法，具體涉及一種基于納米石墨片的高導電率復合材料及其制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池是一種比較成熟的、利用氫氣與氧氣反應產生電能的燃料電池。1997年我國將“燃料電池技術”列為國家“九五”重大科技攻關項目，其中質子交換膜燃料電池為主要的科研項目，被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發電裝置。而其中的主要元件——雙極板不但決定電池的性能，還決定著電池的成本和重量。目前，傳統的金屬雙極板和石墨雙極板由于高重量和高成本逐漸被石墨與聚合物形成的復合材料雙極板代替。

目前，制造雙極板的聚合物基復合材料均是采用石墨微粉與固體聚合物通過球磨、粉碎等方法制備而成。石墨微粉形狀接近球形，顆粒尺寸較大。石墨微粉的這種形狀和尺寸不利于提高復合材料的導電性能，所以只有在用量很高時(質量含量80～90％)，復合材料的導電性能才能滿足實際要求(導電率高于100S/cm)。由于石墨的密度高于通常的聚合物(前者密度2.3g/cm³，后者密度1.0g/cm³左右)，因此，復合材料中石墨含量高也就意味著復合材料的密度大。

將普通石墨通過一定方法剝離成厚度為幾十納米、直徑為幾十微米的薄片，有助于提高石墨/聚合物復合材料的導電性能，因為導電粒子具有更小的尺寸和更大的長徑比。因此，用這種納米石墨片與聚合物復合制備導電復合材料，當復合材料導電性能要求相同時，石墨用量將低于用微米量級的粒狀石墨制備復合材料時的石墨用量。從而可以降低復合材料的密度。有關研究表明，納米石墨片與液體環氧復合、固化后，復合材料的逾滲閾值遠遠低于尺寸為微米量級的粒狀石墨粒子與液體環氧復合固化后形成的復合材料，即納米復合材料在更低的石墨含量時實現了從絕緣體向導電體的轉變。然而在已有研究中，復合材料的制備是通過納米石墨片與液體環氧直接混合實現的。這種制備方法決定了制備的復合材料中納米石墨片的含量不可能太高，質量百分比低于10％。因為隨著納米石墨片的加入，復合體系的粘度急劇增加，當粘度增加到一定程度時，納米石墨片便難以進一步加入。這樣，復合材料中納米石墨片的含量低也就決定了復合材料的導電性能低，導電率低于0.03S/cm。為了進一步提高復合材料的導電性能，必須提高復合材料中納米石墨片的含量，也就有必要提出一種納米石墨片/聚合物高填充復合材料的制備方法。

發明內容

本發明的目的是克服現有雙極板材料、納米石墨片/聚合物復合材料存在的不足和缺陷，提供一種密度低、導電性高的石墨/聚合物復合材料，以及該復合材料的制備方法。

本發明的技術方案如下：

本發明提供了一種基于納米石墨片的高導電率復合材料，以納米石墨片為導電組分，以環氧樹脂及固化劑為基體，復合材料中納米石墨片的質量含量為10至60％。

本發明的復合材料配方中各組分的質量百分含量為：

環氧樹脂及其固化劑DDS：40至90％；納米石墨片：10至60％。環氧樹脂與固化劑DDS的質量比為7∶3，其中DDS為(4，4′-二胺基-二苯基砜)。

環氧樹脂固化前室溫下為液體；納米石墨片為疏松塊狀固體。

本發明還提供了所述的復合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)按質量百分比量取環氧樹脂、固化劑、納米石墨片，并量取適當體積的溶劑丙酮，丙酮的用量以能夠將納米石墨片、環氧樹脂及固化劑分散在丙酮內為準；

(2)用超聲輻照將環氧樹脂、固化劑、納米石墨片分散在丙酮溶劑中；

(3)將上述混合物置于60至100℃的真空烘箱中，抽真空處理2至4小時，通過真空和加熱處理除去上述混合物中的溶劑；

(4)將上述已除去溶劑的混合物裝于模具中，模壓成型，成型溫度為130℃，成型壓力為5至40Mpa，成型時間為180min。

(5)將上述模壓成型的材料在烘箱中進行后固化，固化條件為：在130℃、160℃、200℃下分別固化180min。