本發(fā)明涉及一種改性石墨基復(fù)合材料雙極板的制備方法，屬于導(dǎo)電雙極板制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
導(dǎo)電塑料是將樹脂和導(dǎo)電物質(zhì)混合，用塑料的加工方式進(jìn)行加工的功能型高分子材料。主要應(yīng)用于電子、集成電路包裝、電磁波屏蔽等領(lǐng)域。雙極板是釩電池電堆的重要部件，用于集流和分隔正負(fù)極溶液，對其要求是具有較高的導(dǎo)電性、良好的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性以及較低的成本。導(dǎo)電塑料雙極板均采用常規(guī)的高溫混煉進(jìn)行原材料的混合，再通過熱壓成型的制備工藝。目前導(dǎo)電塑料雙極板大多選擇二元復(fù)合體系，由于炭黑填充到樹脂中的份數(shù)較大，復(fù)合體系的熔體粘度增大，加工性能變差，材料力學(xué)性能特別是沖擊強(qiáng)度明顯降低；填充炭黑含量一般為50～90%，這種相對較高的炭黑含量會導(dǎo)致炭黑的局部集中，使得材料的導(dǎo)電性能不穩(wěn)定，進(jìn)行多次放電后，炭黑脫落導(dǎo)致表面有微小孔洞，造成電池正負(fù)極竄液及電池失效；組裝多組電池時，為保證整體密封性并且降低材料之間的接觸電阻，需很大的壓緊力，導(dǎo)致其壓縮變形大，反復(fù)使用后易斷裂。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題：針對目前導(dǎo)電塑料雙極板，由于炭黑填量大，加工性能變差，沖擊強(qiáng)度降低，壓縮變形大，反復(fù)使用后易斷裂的問題，提供了一種采用鱗片石墨為原料，與重鉻酸鉀，濃磷酸，高氯酸反應(yīng)，經(jīng)微波加熱制得膨脹石墨，再用熱穩(wěn)定性好、耐蝕性高的熱塑性聚酰亞胺樹脂與碳填料球磨共混，制得復(fù)合料粉，最后將膨脹石墨與復(fù)合料粉加熱共混，熱塑性聚酰亞胺樹脂在高溫下逐漸融化，覆蓋占據(jù)膨脹石墨的空隙，填充到膨脹石墨中，再經(jīng)模壓、固化、脫模后制得改性石墨基復(fù)合材料雙極板的方法。本發(fā)明制備步驟簡單，加工性能好，無炭黑脫落現(xiàn)象發(fā)生，所得產(chǎn)品導(dǎo)電性能好，耐沖擊強(qiáng)度高，有效解決了壓縮變形大，反復(fù)使用后易斷裂的問題。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下所述的技術(shù)方案是：
（1）分別稱取80～120g鱗片石墨，120～180g重鉻酸鉀，加入反應(yīng)釜中，繼續(xù)添加20～28mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%濃磷酸，90～130mL質(zhì)量濃度70%高氯酸，在60～65℃恒溫水浴下，以300～400r/min攪拌20～30min，靜置1～2h，冷卻至室溫，加入500～800mL去離子水，減壓抽濾，將濾餅用去離子水洗滌至洗滌液呈中性，轉(zhuǎn)入80～90℃干燥箱中干燥至恒重，再將其用400W微波處理8～12s，得膨脹石墨，備用；
（2）稱取40～50g熱塑性聚酰亞胺樹脂，加入粉碎機(jī)中粉碎，過200目篩，將過篩后的熱塑性聚酰亞胺樹脂與1.0～1.2g碳纖維，0.5～0.6g多壁碳納米管，5～7g乙炔黑，8～10g炭黑，裝入球磨機(jī)中，加入交聯(lián)劑六次甲基四胺，球磨4～5h，得復(fù)合料粉；
（3）稱取60～75g步驟（1）備用的膨脹石墨與50～55g上述復(fù)合料粉，加入密煉機(jī)中混合均勻，以10℃/min速率程序升溫至270～280℃，保持溫度2～3h，隨后冷卻至130～150℃，出料，得混合料；
（4）將上述所得混合料裝入模具中，并置于熱壓機(jī)上，用8～10MPa壓力預(yù)壓2～3min，以10MPa/min速率增大壓力至80～90MPa，在120～130℃下，保持壓力10～15min，隨后減壓至常壓，將模具移入馬弗爐中，在230～240℃下固化2～3h，冷卻至室溫，取出模壓板，得改性石墨基復(fù)合材料雙極板。
本發(fā)明制得的改性石墨基復(fù)合材料雙極板沖擊強(qiáng)度為3.6～3.8KJ·m-2，電阻率為0.41～0.47Ω·mm2/m，斷裂伸長率為6～8%，硬度92～101H，拉伸強(qiáng)度為32.6～36.8MPa，耐彎曲疲勞次數(shù)為1085～1270次。
本發(fā)明與其他方法相比，有益技術(shù)效果是：
（1）本發(fā)明制備步驟簡單，加工性能好，無炭黑脫落現(xiàn)象發(fā)生；
（2）所得產(chǎn)品導(dǎo)電性能好，耐沖擊強(qiáng)度高，壓縮變形小，反復(fù)使用后不易斷裂。
具體實施方式
首先分別稱取80～120g鱗片石墨，120～180g重鉻酸鉀，加入反應(yīng)釜中，繼續(xù)添加20～28mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%濃磷酸，90～130mL質(zhì)量濃度70%高氯酸，在60～65℃恒溫水浴下，以300～400r/min攪拌20～30min，靜置1～2h，冷卻至室溫，加入500～800mL去離子水，減壓抽濾，將濾餅用去離子水洗滌至洗滌液呈中性，轉(zhuǎn)入80～90℃干燥箱中干燥至恒重，再將其用400W微波處理8～12s，得膨脹石墨，備用；然后稱取40～50g熱塑性聚酰亞胺樹脂，加入粉碎機(jī)中粉碎，過200目篩，將過篩后的熱塑性聚酰亞胺樹脂與1.0～1.2g碳纖維，0.5～0.6g多壁碳納米管，5～7g乙炔黑，8～10g炭黑，裝入球磨機(jī)中，加入交聯(lián)劑六次甲基四胺，球磨4～5h，得復(fù)合料粉；再稱取60～75g備用的膨脹石墨與50～55g上述復(fù)合料粉，加入密煉機(jī)中混合均勻，以10℃/min速率程序升溫至270～280℃，保持溫度2～3h，隨后冷卻至130～150℃，出料，得混合料；最后將上述所得混合料裝入模具中，并置于熱壓機(jī)上，用8～10MPa壓力預(yù)壓2～3min，以10MPa/min速率增大壓力至80～90MPa，在120～130℃下，保持壓力10～15min，隨后減壓至常壓，將模具移入馬弗爐中，在230～240℃下固化2～3h，冷卻至室溫，取出模壓板，得改性石墨基復(fù)合材料雙極板。
實例1
首先分別稱取80g鱗片石墨，120g重鉻酸鉀，加入反應(yīng)釜中，繼續(xù)添加20mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%濃磷酸，90mL質(zhì)量濃度70%高氯酸，在60℃恒溫水浴下，以300r/min攪拌20min，靜置1h，冷卻至室溫，加入500mL去離子水，減壓抽濾，將濾餅用去離子水洗滌至洗滌液呈中性，轉(zhuǎn)入80℃干燥箱中干燥至恒重，再將其用400W微波處理8s，得膨脹石墨，備用；然后稱取40g熱塑性聚酰亞胺樹脂，加入粉碎機(jī)中粉碎，過200目篩，將過篩后的熱塑性聚酰亞胺樹脂與1.0g碳纖維，0.5g多壁碳納米管，5g乙炔黑，8g炭黑，裝入球磨機(jī)中，加入交聯(lián)劑六次甲基四胺，球磨4h，得復(fù)合料粉；再稱取60g備用的膨脹石墨與50g上述復(fù)合料粉，加入密煉機(jī)中混合均勻，以10℃/min速率程序升溫至270℃，保持溫度2h，隨后冷卻至130℃，出料，得混合料；最后將上述所得混合料裝入模具中，并置于熱壓機(jī)上，用8MPa壓力預(yù)壓2min，以10MPa/min速率增大壓力至80MPa，在120℃下，保持壓力10min，隨后減壓至常壓，將模具移入馬弗爐中，在230℃下固化2h，冷卻至室溫，取出模壓板，得改性石墨基復(fù)合材料雙極板。
本發(fā)明制備步驟簡單，加工性能好，無炭黑脫落現(xiàn)象發(fā)生；所得產(chǎn)品導(dǎo)電性能好，耐沖擊強(qiáng)度高，壓縮變形小，反復(fù)使用后不易斷裂；制得的改性石墨基復(fù)合材料雙極板沖擊強(qiáng)度為3.6KJ·m-2，電阻率為0.41Ω·mm2/m，斷裂伸長率為6%，硬度92H，拉伸強(qiáng)度為32.6MPa，耐彎曲疲勞次數(shù)為1085次。
實例2
首先分別稱取100g鱗片石墨，150g重鉻酸鉀，加入反應(yīng)釜中，繼續(xù)添加24mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%濃磷酸，110mL質(zhì)量濃度70%高氯酸，在63℃恒溫水浴下，以350r/min攪拌25min，靜置2h，冷卻至室溫，加入650mL去離子水，減壓抽濾，將濾餅用去離子水洗滌至洗滌液呈中性，轉(zhuǎn)入85℃干燥箱中干燥至恒重，再將其用400W微波處理10s，得膨脹石墨，備用；然后稱取45g熱塑性聚酰亞胺樹脂，加入粉碎機(jī)中粉碎，過200目篩，將過篩后的熱塑性聚酰亞胺樹脂與1.1g碳纖維，0.6g多壁碳納米管，6g乙炔黑，9g炭黑，裝入球磨機(jī)中，加入交聯(lián)劑六次甲基四胺，球磨5h，得復(fù)合料粉；再稱取68g備用的膨脹石墨與53g上述復(fù)合料粉，加入密煉機(jī)中混合均勻，以10℃/min速率程序升溫至275℃，保持溫度3h，隨后冷卻至140℃，出料，得混合料；最后將上述所得混合料裝入模具中，并置于熱壓機(jī)上，用9MPa壓力預(yù)壓3min，以10MPa/min速率增大壓力至85MPa，在125℃下，保持壓力13min，隨后減壓至常壓，將模具移入馬弗爐中，在235℃下固化3h，冷卻至室溫，取出模壓板，得改性石墨基復(fù)合材料雙極板。
本發(fā)明制備步驟簡單，加工性能好，無炭黑脫落現(xiàn)象發(fā)生；所得產(chǎn)品導(dǎo)電性能好，耐沖擊強(qiáng)度高，壓縮變形小，反復(fù)使用后不易斷裂；制得的改性石墨基復(fù)合材料雙極板沖擊強(qiáng)度為3.7KJ·m-2，電阻率為0.44Ω·mm2/m，斷裂伸長率為7%，硬度96H，拉伸強(qiáng)度為34.7MPa，耐彎曲疲勞次數(shù)為1175次。
實例3
首先分別稱取120g鱗片石墨，180g重鉻酸鉀，加入反應(yīng)釜中，繼續(xù)添加28mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%濃磷酸，130mL質(zhì)量濃度70%高氯酸，在65℃恒溫水浴下，以400r/min攪拌30min，靜置2h，冷卻至室溫，加入800mL去離子水，減壓抽濾，將濾餅用去離子水洗滌至洗滌液呈中性，轉(zhuǎn)入90℃干燥箱中干燥至恒重，再將其用400W微波處理12s，得膨脹石墨，備用；然后稱取50g熱塑性聚酰亞胺樹脂，加入粉碎機(jī)中粉碎，過200目篩，將過篩后的熱塑性聚酰亞胺樹脂與1.2g碳纖維，0.6g多壁碳納米管，7g乙炔黑，10g炭黑，裝入球磨機(jī)中，加入交聯(lián)劑六次甲基四胺，球磨5h，得復(fù)合料粉；再稱取75g備用的膨脹石墨與55g上述復(fù)合料粉，加入密煉機(jī)中混合均勻，以10℃/min速率程序升溫至280℃，保持溫度3h，隨后冷卻至150℃，出料，得混合料；最后將上述所得混合料裝入模具中，并置于熱壓機(jī)上，用10MPa壓力預(yù)壓3min，以10MPa/min速率增大壓力至90MPa，在130℃下，保持壓力15min，隨后減壓至常壓，將模具移入馬弗爐中，在240℃下固化3h，冷卻至室溫，取出模壓板，得改性石墨基復(fù)合材料雙極板。
本發(fā)明制備步驟簡單，加工性能好，無炭黑脫落現(xiàn)象發(fā)生；所得產(chǎn)品導(dǎo)電性能好，耐沖擊強(qiáng)度高，壓縮變形小，反復(fù)使用后不易斷裂；制得的改性石墨基復(fù)合材料雙極板沖擊強(qiáng)度為3.8KJ·m-2，電阻率為0.47Ω·mm2/m，斷裂伸長率為8%，硬度101H，拉伸強(qiáng)度為36.8MPa，耐彎曲疲勞次數(shù)為1270次。