本發(fā)明屬于高分子材料領(lǐng)域，具體涉及膨脹石墨/聚酰亞胺復(fù)合材料雙極板及其制備方法。
背景技術(shù)：
聚酰亞胺（polyimide，PI）膠粘劑作為一種新型耐高溫膠粘劑，廣泛應(yīng)用在飛機(jī)制造、航空及軍事領(lǐng)域。隨著航天、軍事技術(shù)的蓬勃發(fā)展，對PI膠粘劑的粘接性能、抗靜電、耐高溫等性能的要求也逐漸提高，而現(xiàn)有的PI膠粘劑已難以滿足航空航天工業(yè)發(fā)展的需要。因此，對PI膠粘劑進(jìn)行改性，研制出具有高性能和多功能的 PI復(fù)合膠粘劑具有極其重要的意義和研究價(jià)值。
石墨烯（Graphene，G）具有優(yōu)良的物理和化學(xué)特性，是一種良好的復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。將石墨烯及其衍生物納米片填充到聚酰亞胺材料中制備復(fù)合材料，能很大程度提升聚酰亞胺復(fù)合材料的性能（力學(xué)、熱力學(xué)、電學(xué)等性能），以滿足隨著高新科技的發(fā)展帶來產(chǎn)品制造對材料性能的要求。石墨烯（GNS）具有諸多奇妙的特性，無論在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料領(lǐng)域，還是在功能復(fù)合材料研究領(lǐng)域，石墨烯都是一種新奇的理想增強(qiáng)體。
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、啟動(dòng)迅速、工作噪聲小的特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有競爭力的傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換裝置的替代者。雙極板作為PEMFC的重要部件，占據(jù)了總成本的30％-40％，總重量的70％-80％，因而成為PEMFC低成本、輕量化的主要制約因素之一。目前研究報(bào)道和應(yīng)用最多的金屬雙極板，如CN104051743A公開一種金屬雙極板，包括鈦基片及其表面改性層構(gòu)成；CN104795573A一種燃料電池用金屬雙極板，由兩塊厚度相同的金屬板沖壓形成氫極板和氧極板，但是他們均存在耐腐蝕性差、密度過高、加工工藝復(fù)雜等問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中金屬雙極板耐腐蝕性差、密度過高、工藝復(fù)雜等缺陷，提供低密度、易加工、低成本、耐腐蝕、輕量化且導(dǎo)電性好的膨脹石墨(EG)/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板，工藝簡單且環(huán)保節(jié)能。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的膨脹石墨(EG)/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板，由包含以下重量百分含量組分組成：膨脹石墨(EG)含量為30-70wt%，聚酰亞胺(PI)含量為30-70wt%，其中EG為主導(dǎo)電填料，PI為粘結(jié)劑，采用干法混合工藝和模壓成型工藝制備而成。具體地，該方法包括如下步驟：
（1）干法混合工藝：按照上述原料配比稱取原料，采用靜電發(fā)生器給置于不同容器中的EG和PI分別施加相反電荷，然后將PI加入到EG中，使用三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)進(jìn)行混合10-30min。
（2）預(yù)壓固化工藝：將上述混料在100-120℃預(yù)熱0.5-1h，然后恒溫加壓至60-80MPa，模壓10-30min后升溫至210-230℃，恒溫固化2-4h后冷卻開模得預(yù)壓板。
（3）熱模壓成型工藝：將3-5塊上述預(yù)壓板層疊平鋪，在100-120℃預(yù)熱0.5-1h，然后恒溫加壓至60-80MPa，模壓10-30min后升溫至210-230℃，再降壓至30-40MPa，恒溫固化2-4h后冷卻開模，即：制得膨脹石墨(EG)/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板。
所述的聚酰亞胺(PI)為熱塑性聚酰亞胺粉料或顆粒。
優(yōu)選的，所述的膨脹石墨(EG)可采用石墨烯、球形石墨(SG)或其混合物替代。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1、本發(fā)明制備的產(chǎn)品相較于金屬雙極板具有低密度、低成本、耐腐蝕、輕量化等優(yōu)異特性；2、采用干法混合工藝和模壓成型工藝，易于加工且環(huán)保節(jié)能；3、本發(fā)明制備的膨脹石墨(EG)/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板平面電導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度分別175.25S·cm-1和68.54Mpa，荷電效果明顯。
具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1
膨脹石墨(EG)/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板，由包含以下重量百分含量組分組成：膨脹石墨(EG)含量為30wt%，熱塑性聚酰亞胺(PI) 粉料含量為70wt%，其中EG為主導(dǎo)電填料，PI為粘結(jié)劑，采用干法混合工藝和模壓成型工藝制備而成。具體地，該方法包括如下步驟：
（1）干法混合工藝：按照上述原料配比稱取原料，采用靜電發(fā)生器給置于不同容器中的EG和PI分別施加相反電荷，然后將PI加入到EG中，使用三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)進(jìn)行混合10min；
（2）預(yù)壓固化工藝：將上述混料在100℃預(yù)熱0.5h，然后恒溫加壓至60MPa，模壓10min后升溫至210℃，恒溫固化2h后冷卻開模得厚度為2mm的預(yù)壓板；
（3）熱模壓成型工藝：將3塊上述預(yù)壓板層疊平鋪，在100℃預(yù)熱0.5h，然后恒溫加壓至60MPa，模壓10min后升溫至210℃，再降壓至30MPa，恒溫固化2h后冷卻開模，即：制得膨脹石墨(EG)/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板。
實(shí)施例2
膨脹石墨(EG)/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板，由包含以下重量百分含量組分組成：石墨烯含量為70wt%，聚酰亞胺(PI) 顆粒含量為30wt%，其中石墨烯為主導(dǎo)電填料，PI為粘結(jié)劑，采用干法混合工藝和模壓成型工藝制備而成。具體地，該方法包括如下步驟：
（1）干法混合工藝：按照上述原料配比稱取原料，采用靜電發(fā)生器給置于不同容器中的石墨烯和PI分別施加相反電荷，然后將PI加入到石墨烯中，使用三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)進(jìn)行混合30min；
（2）預(yù)壓固化工藝：將上述混料在120℃預(yù)熱1h，然后恒溫加壓至80MPa，模壓30min后升溫至230℃，恒溫固化4h后冷卻開模得厚度為4mm的預(yù)壓板；
（3）熱模壓成型工藝：將5塊上述預(yù)壓板層疊平鋪，在120℃預(yù)熱1h，然后恒溫加壓至80MPa，模壓30min后升溫至230℃，再降壓至40MPa，恒溫固化4h后冷卻開模，即：制得石墨烯/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板。
實(shí)施例3
膨脹石墨(EG)/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板，由包含以下重量百分含量組分組成：球形石墨(SG)含量為50wt%，聚酰亞胺(PI)含量為50wt%，其中球形石墨(SG)為主導(dǎo)電填料，PI為粘結(jié)劑，采用干法混合工藝和模壓成型工藝制備而成。具體地，該方法包括如下步驟：
（1）干法混合工藝：按照上述原料配比稱取原料，采用靜電發(fā)生器給置于不同容器中的SG和PI分別施加相反電荷，然后將PI加入到SG中，使用三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)進(jìn)行混合20min；
（2）預(yù)壓固化工藝：將上述混料在110℃預(yù)熱0.5h，然后恒溫加壓至80MPa，模壓10min后升溫至210℃，恒溫固化3h后冷卻開模得厚度為3mm的預(yù)壓板；
（3）熱模壓成型工藝：將4塊上述預(yù)壓板層疊平鋪，在110℃預(yù)熱0.5h，然后恒溫加壓至80MPa，模壓10min后升溫至210℃，再降壓至40MPa，恒溫固化3h后冷卻開模，即：制得球形石墨(SG)/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板。
實(shí)施例4
膨脹石墨(EG)/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板，由包含以下重量百分含量組分組成：膨脹石墨(EG)含量為60wt%，聚酰亞胺(PI) 顆粒含量為40wt%，其中EG為主導(dǎo)電填料，PI為粘結(jié)劑，采用干法混合工藝和模壓成型工藝制備而成。具體地，該方法包括如下步驟：
（1）干法混合工藝：按照上述原料配比稱取原料，采用靜電發(fā)生器給置于不同容器中的EG和PI分別施加相反電荷，然后將PI加入到EG中，使用三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)進(jìn)行混合15min；
（2）預(yù)壓固化工藝：將上述混料在110℃預(yù)熱0.5h，然后恒溫加壓至70MPa，模壓15min后升溫至220℃，恒溫固化3h后冷卻開模得厚度為3mm的預(yù)壓板；
（3）熱模壓成型工藝：將3塊上述預(yù)壓板層疊平鋪，在110℃預(yù)熱1h，然后恒溫加壓至70MPa，模壓15min后升溫至220℃，再降壓至35MPa，恒溫固化3h后冷卻開模，即：制得膨脹石墨(EG)/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板。
經(jīng)測試，上述實(shí)施例中膨脹石墨(EG)/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板、石墨烯/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板、球形石墨(SG)/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料雙極板的平面電導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度均分別175.25S·cm-1和68.54Mpa，荷電效果明顯；進(jìn)一步證明，相較于金屬雙極板具有低密度、低成本、耐腐蝕、輕量化等優(yōu)異特性，且成型工藝簡單易于加工、環(huán)保節(jié)能，是理想的雙極板材料。
雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施例對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進(jìn)，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。