[发明专利]一种质子交换膜燃料电池用氟硅橡胶密封材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池用氟硅橡胶密封材料及其制备方法。 

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种将燃料与氧化剂通过化学反应直接产生电力的一种装置。其具有高的能源转化效率且噪音低，不排放任何有毒有害气体等优点。

质子交换膜燃料电池中作为燃料的氢气，是一种无色、无味、易燃易爆的小分子气体，即使一个很小的缝隙也非常容易导致泄漏，并且能在很广的混合范围内因小火花而引发爆炸燃烧，所以要求电池单元间具有良好的气体密封性。一台大功率燃料电池电堆有数百个密封面，分为一次性密封面和活动性密封面。一次性密封主要采用树脂胶结技术，活动密封主要采用橡胶弹性体。在集成块的最后封装过程中，都是采用活动密封，其中大量使用橡胶弹性体密封，这样有利于燃料电池以后的维护和检修。因而，选择合适的密封材料就显得至关重要。

氟硅橡胶是一种主链含有硅氧结构、侧链含有氟烷基结构的特种合成橡胶，这种橡胶的特殊结构使其既拥有硅橡胶优异的高低温性能，有具有氟橡胶优异的耐高温、耐化学介质与耐油的性能。 

发明内容

本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池用氟硅橡胶密封材料及其制备方法，该密封材料具有密封可靠、成本较低的特点。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池用氟硅橡胶密封材料，其特征在于它由氟硅橡胶生胶、氟硅助剂、气相法白炭黑、2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷和三氧化二铁制备而成，各原料所占质量份为：氟硅橡胶生胶：100份，氟硅助剂：5~10份，气相法白炭黑：45份，2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷 ：1~2份，三氧化二铁：5份。

上述一种质子交换膜燃料电池用氟硅橡胶密封材料的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：

1）首先制备氟硅助剂：以三氟丙基硅氧烷单体、羟基氟硅油、甲基乙烯基硅氧烷单体为原料（物料聚合前都要进行脱水处理），在锂硅醇盐（碱性助剂）的催化下聚合反应制得氟硅助剂；

各原料所占质量份为：三氟丙基硅氧烷单体：100份，羟基氟硅油：50~80份，甲基乙烯基硅氧烷单体：5~10份，锂硅醇盐：0.7~1份；

2）将制备的氟硅助剂添加到氟硅橡胶生胶（即氟硅生胶）中，同时添加气相法白炭黑、2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷和三氧化二铁在开炼机上混合均匀（40℃下混炼40~60分钟），用压出机压出成型（压出温度小于40℃），再在硫化条件下硫化即可得到质子交换膜燃料电池用氟硅橡胶密封材料(氟硅橡胶密封件)；

各原料所占质量份为：氟硅橡胶生胶：100份，氟硅助剂：5~10份，气相法白炭黑：45份，2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷 ：1~2份，三氧化二铁：5份。

步骤1）中催化下聚合反应为：将三氟丙基硅氧烷单体、羟基氟硅油、甲基乙烯基硅氧烷单体和锂硅醇盐加入干燥的不锈钢聚合反应釜中，在70±3℃的温度和在真空度为-0.01~-0.02MPa的条件下搅拌脱水3小时，需要持续通入干燥氮气；然后把温度升到125±3℃进行聚合反应，聚合过程也要持续通干燥氮气，聚合25分钟冷却到60~70℃，得到聚合产物；加入等体积的乙酸乙酯搅拌溶解（所述等体积为：乙酸乙酯与聚合产物等体积），然后水洗到中性，最后蒸去溶剂，得到氟硅助剂。

步骤2）中所述硫化条件：一段硫化在150℃~165℃硫化20 min，压力5~6MPa；二段硫化为从室温用1.5h升温到200℃，再保温4~6h，即可得到质子交换膜燃料电池用氟硅橡胶密封材料(氟硅橡胶密封件)。

硅橡胶具有弹性好、工作温度范围大、成本低廉等一系列优点。而硅橡胶价格便宜、易加工，而且每个燃料电池堆由数百个电池单元所组成，这些单元之间需要数百个橡胶垫片来密封，硅橡胶由于具有良好地可压缩性，其厚度可做到0.3~1.5毫米之间，以减小电池组装的累积误差。普通硅橡胶的耐溶剂性能较差，在燃料电池环境中容易浸出小离子可能对催化剂造成污染。而在硅橡胶侧链引入氟烷基聚合而成的氟硅橡胶则可以大大改善硅橡胶的耐溶剂性能。

所述的氟硅橡胶主链结构中的Si—O—Si键角(130°~ 160°)比sp³杂化中的氧原子的通常键角(109°)大得多，这就赋予氟硅橡胶分子链特有的热稳定性和低温柔顺性，温度适用范围极广，在-50℃~250℃之间保持良好的弹性。

所述的氟硅橡胶由于氟烷基的引入而具有了优异的耐油、耐溶剂和耐化学药品的特性。