[发明专利]传导性的热固性模塑组合物及其制造方法

说明书

本申请系1997年10月14日提交的美国专利临时申请系列号60／021，920的部分继续申请，其全部内容并入本文作为参考。

发明背景

本发明一般而言系涉及热固性复合材料，而具体而言系涉及由具有高导热性和高导电性的热固性复合材料制造结构体的方法。此外，本发明涉及制造这类结构体的起始原料以及制造这类起始原料的方法。

具有良好导热和导电性能并具有薄壁结构和足够耐开裂加工性能的结构体对于诸如燃料电池双极板之类的要求具有传导性能的应用而言是十分有用的。

本领域长期关心的主要问题是由双极板渗漏到燃料电池环境中去的离子。这种离子的渗漏作用之所以成为问题，是因为它会使燃料电池中用于隔离堆叠双极板的膜失效。离子的渗漏会由于燃料电池的充电作用、腐蚀作用和酸性环境而加速。由于离子的渗漏，包含高导电性和导热性金属在内的那些已知的结构体，在燃料电池应用中作为双极板使用已被充分证明是无效的。即使是含有相当量的可离子化杂质(即可离子化的传导性金属)的已知结构体，当其用作燃料电池的双极板时也会产生离子渗漏。

与此类结构体制造有关的另一个问题是高的造价。为致力于解决离子渗漏问题而又要保持制成的结构体具有导热性和导电性，某些常见的结构体都采用了稀有的、昂贵的材料，例如碳-碳复合材料或其它稀有材料。但是，这些稀有材料需要长的制造时间和较高的原材料成本和人力加工成本，这些成本通常会转嫁到购买燃料电池的客户头上。

与此类结构体有关的又一个问题是其加工性能下降。例如，碳-碳基双极板通常是采用机加工方法制成双极板的，然后在燃料电池的组装过程中采用费时费力的手工操作以确保脆的、易碎的碳-碳薄双极板不致于开裂或破碎。

与此类结构体有关的再一个问题是与不具备足够抗开裂韧性的薄壁结构体有关的潜在性开裂问题。例如，以碳-碳复合材料制作的双极板一般都相当脆，因而在燃料电池环境中会产生开裂和／或破碎。

还有一个与此类结构体有关的问题是，由于不能在结构体中掺入足够多的传导性物质而导致热导率和电导率的下降。例如，已知的掺有传导性物质的模塑组合物，通常的特征是其电阻率(即电导率的倒数)都不低于0．005Ω-cm。

因此，需要一种具有良好热导率和电导率并具有薄壁结构和足够抗开裂加工性能的更优良的新型结构体，这种结构体具有低的离子渗漏性、低的制造成本以及良好的可加工性能。此外，还需要某些制造这类结构体的具有低的制造和加工成本的更好的新方法。再则，还需要一类制造这种结构体的新的、更好的起始原料，以及制造这类起始原料的、新的更好的方法。

发明概述

根据本发明，现已发现，热固性树脂体系可用价格低廉的填料充分填充以制造一种模塑组合物，该组合物可制成具有优良电导率和热导率、低的离子渗漏性、低的制造成本、增强加工性能并增强抗开裂性能的结构体。同时还开发了若干种制造这种模塑组合物以提高用该模塑组合物制成的结构体的电导率和热导率的方法。

因此，本发明的第一方面是开发了包含约10～约30wt％的低粘度热固性粘合树脂体系和约70～约90wt％填料的热固性模塑组合物。

本发明的第二方面是还开发了制造热固性模塑组合物的若干种方法，所述方法包括将低粘度热固性粘合树脂体系与填料在下述选定的条件下进行混合，这些条件包括保持填料的完整性并使该传导性填料受到粘合树脂体系的充分润湿。

本发明的第三方面是还开发了由上述热固性模塑组合物制造的导电性和导热性的结构体。

本发明的第四方面是开发了由上述热固性模塑组合物制造结构体的若干方法，这些方法包括将上述热固性模塑组合物模塑成所需的形状，然后使该所需的形状受到某些条件的作用，这些条件足以使上述的热塑性模塑组合物得以基本上固化以形成结构体。

本发明具有如下若干优越性。本发明所提供的结构体能提高薄壁结构体抗开裂性能，能提高加工性能，同时具有低的离子渗漏性、低的制造成本，并提高其电导率和热导率。再则，本发明的模塑组合物在腐蚀性的燃料电池环境中是不活泼的，因而有利于降低离子渗漏性。此外，本发明的模塑组合物包含具有足够低粘度的热固性树脂，这有利于提高该模塑组合物在中等温度和压力条件下的加工性能，从而有利于制成薄壁结构体以便于在燃料电池中应用。还有，本发明制造模塑组合物的方法能选择性地提高由该模塑组合物制成的结构体的热导率(即热导率不低于3(w／m)K)和电导率(即电阻率不高于0．01Ω-cm)，因而有利于将这种结构体(即作为双极板)应用于燃料电池中。