氧化胺涂料组合物.pdf

提供一种水性涂料组合物，它包括碳颗粒、一种或多种高度氟化的聚合物和一种或多种氧化胺表面活性剂，较好是式(I)的氧化胺表面活性剂，其中，n为9－19。该涂料组合物可有利地用于电化学电池用气体扩散层的制造方法，它包括如下步骤：a)用所述水性涂料组合物涂覆多孔导电基片；b)将所述多孔导电基片加热至足以分解所述氧化胺表面活性剂的温度。另外提供有利地不含表面活性剂的电化学电池用气体扩散层。

1.  一种水性涂料组合物，它包括碳颗粒、一种或多种高度氟化的聚合物和一种或多种氧化胺表面活性剂。

2.  如权利要求1所述的组合物，其特征在于所述氧化胺表面活性剂的分解温度小于200℃。

3.  如权利要求1所述的组合物，其特征在于所述氧化胺表面活性剂是式II的烷基二甲基胺氧化物：
                    R₃N→O                    (II)
其中，各个R各自选自具有1-20个碳原子的烷基，它可包括醚氧原子，它可被醇基团取代，它可被其它基团所取代。

4.  如权利要求3所述的组合物，其特征在于所述氧化胺表面活性剂的分解温度小于200℃。

5.  如权利要求1所述的组合物，其特征在于所述氧化胺表面活性剂是式I的烷基二甲基胺氧化物：

其中，n为9-19，并且它可任选地被取代。

6.  如权利要求5所述的组合物，其特征在于所述氧化胺表面活性剂的分解温度小于200℃。

7.  如权利要求5所述的组合物，其特征在于n为11-15。

8.  如权利要求7所述的组合物，它包括：
1-50重量％碳颗粒；

0.  1-15重量％高度氟化的聚合物；和

0.  1-15重量％氧化胺表面活性剂。

9.  如权利要求1所述的组合物，其特征在于所述高度氟化的聚合物具有一烧结温度，所述氧化胺表面活性剂的分解温度比所述烧结温度低至少5℃。

10.  一种电化学电池用气体扩散层的制造方法，它包括如下步骤：
a)用权利要求1所述的水性涂料组合物涂覆多孔导电基片；
b)将所述多孔导电基片加热至足以分解所述氧化胺表面活性剂的温度。

11.  如权利要求10所述的方法，其特征在于所述多孔导电基片包括碳纤维。

12.  如权利要求10所述的方法，其特征在于所述高度氟化的聚合物具有一烧结温度，所述氧化胺表面活性剂的分解温度比所述烧结温度低至少5℃。

13.  如权利要求10所述的方法，其特征在于所述加热多孔导电基片的步骤包括将所述多孔导电基片加热至足以烧结所述高度氟化聚合物的温度。

14.  如权利要求12所述的方法，其特征在于所述加热多孔导电基片的步骤包括将所述多孔导电基片加热至足以烧结所述高度氟化聚合物的温度。

15.  一种用权利要求10所述方法制得的电化学电池用气体扩散层。

16.  如权利要求15所述的电化学电池用气体扩散层，它基本不含表面活性剂。

17.  一种电化学电池用膜电极组件，它包括权利要求15所述的气体扩散层。

18.  一种电化学电池用膜电极组件，它包括权利要求16所述的气体扩散层。

氧化胺涂料组合物
本发明是根据DOE给予的合作协议DE-FC02-99EE50582得到政府支持的。政府对本发明具有当然的权益。
发明的领域
本发明涉及一种水性涂料组合物，用于制造电化学电池(例如燃料电池)的气体扩散层，这种气体扩散层可有利地不含表面活性剂残余物。所述涂料组合物包括碳颗粒、一种或多种高度氟化的聚合物和一种或多种氧化胺表面活性剂。
发明的背景
美国专利6,127,059描述了在用含炭黑的氟树脂涂覆用于电化学电池的气体扩散层时使用Triton^TMX100(一种烷氧基化的醇)作为表面活性剂。
发明的概述
简单地说，本发明提供一种水性涂料组合物，它包括碳颗粒、一种或多种高度氟化的聚合物和一种或多种氧化胺表面活性剂。所述表面活性剂较好是式I的氧化胺表面活性剂：

其中，n为9-19。
本发明的另一方面提供一种用于电化学电池的气体扩散层的制造方法，它包括：a)用本发明水性涂料组合物涂覆多孔导电基片；b)将所述多孔导电基片加热至足以分解氧化胺表面活性剂的温度。
本发明的另一方面提供一种用本发明方法制得的用于电化学电池的气体扩散层，它较好不含表面活性剂。
本发明提供一种包括分解的氧化胺表面活性剂的涂料组合物、及其使用方法、以及由此提供的无表面活性剂的气体扩散层，这是现有技术未提到的。
在本申请中，
术语“载体”是指一种在分散液中载带颗粒的流体，它较好包括水或醇；
术语“高度氟化的”是指氟含量为40重量％或更高，较好为50重量％或更高，更好为60重量％或更高。
术语“取代的”是指用常规的取代基取代一化学物质，所述取代基不会影响所需的产品和方法，例如，取代基可以是烷基、烷氧基、芳基、苯基、卤素(氟、氯、溴、碘)、氰基、硝基等。
本发明的一个优点是提供一种含有短命的有效表面活性剂的涂料组合物及其使用方法，因此可提供无表面活性剂的气体扩散层。
较好实例的详细描述
本发明提供一种水性涂料组合物，它包括碳颗粒、一种或多种高度氟化的聚合物和一种或多种氧化胺表面活性剂。
燃料电池是电化学电池，它通过催化化合燃料(如氢)和氧化剂(如氧)产生有用的电流。较好的燃料电池在靠近催化反应点位处含有称为气体扩散层或扩散体/集电器的层。这些层必须是导电性的，还必须能透过反应剂和产物流。较好的气体扩散层在靠近催化剂的表面上涂覆一层碳颗粒和氟聚合物。
所述涂料组合物可使用任何合适的水性载体。所述载体包括水，并还可包括醇，较好仅包括水或醇。所述载体最好仅包括水。
可使用任何合适的氧化胺表面活性剂。合适的氧化胺可具有通式II：
                 R₃N→O    (II)
其中各个R各自选自具有1-20个碳原子的烷基，它可任选地包括醚和醇基团，并可以被取代。较好的氧化胺表面活性剂是式I氧化胺：

其中n为9-19，较好为11-15。更好的是，n为11或13。式I氧化胺是任选取代的。合适的氧化胺表面活性剂可包括以商品名Genaminox^、Admox^、Ammonyx^和Ninox^出售的商品。氧化胺表面活性剂的分解温度较好小于200℃、更好小于180℃、最好小于160℃。所述水性涂料组合物较好包括0.1-15重量％、更好为0.1-10重量％、最好1-5重量％的氧化胺表面活性剂。
可使用任何合适的碳颗粒。应理解本文中术语“碳颗粒”是指平均粒径较好为1-100nm的初级颗粒、平均粒径较好为0.01-1微米的初级颗粒的初级团聚体、平均粒径较好为0.1-10微米的初级颗粒的次级团聚体、平均粒径较好超过10微米的团聚体的团聚物。更好的是，术语“碳颗粒”是指初级颗粒或初级团聚体。通常使用的是炭黑，例如Vulcan XC-72(Cabot Corp.，Special Blacks Division，Billerica，MA)、Shawinigan Black，C55级(Chevron Phillips Chemical Company，LP，Acetylene Black Unit，Baytown，TX)或Ketjenblack EC300J(Akzo NobelChemicals Inc.，Chicago，IL)。也可使用石墨颗粒，但是通常具有更大的粒径。所述水性涂料组合物通常包括1-50重量％、较好1-20重量％、更好5-15重量％的碳颗粒。当使用较小粒径的颗粒时，水性涂料组合物通常含有较少重量百分含量的碳颗粒。通过加入通常具有较大粒径的石墨颗粒可达到最高重量百分含量的碳颗粒。
可使用任何合适的高度氟化的聚合物。所述高度氟化的聚合物通常是全氟化的聚合物，例如聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯与六氟丙烯共聚物(FEP)、全氟丙烯酸烷酯、六氟丙烯共聚物、四氟乙烯/六氟丙烯/偏氟乙烯三聚物等。所述水性涂料组合物较好包括0.1-15重量％、更好0.1-10重量％、最好1-5重量％高度氟化的聚合物。
在本发明方法中，用于电化学电池地气体扩散层是用下列步骤制得的：a)用上述水性涂料组合物涂覆多孔导电基片，和b)将该多孔导电基片加热至足以分解氧化胺表面活性剂的温度。
可使用任何合适的多孔导电基片。通常，多孔导电基片是一种碳纤维结构物。碳纤维结构物较好选自织造的和非织造的碳纤维结构物。适用于本发明的碳纤维结构物可包括：Toray^TM碳纸、SpectraCarb^TM碳纸、AFN^TM非织造碳布、Zoltek^TM碳布等。可在涂覆前对所述多孔基片进行处理。所述处理通常包括能提高或赋予疏水性的处理，例如用含氟聚合物(如PTFE)进行处理。其它常用的处理可提高或赋予亲水性。
可采用任何合适的涂覆方法。较好的方法包括手工和机械方法，包括手工刷涂、切口杆件涂覆、金属丝缠绕杆涂覆、流体承载涂覆、狭缝进料刮刀涂覆和三辊涂覆。涂覆可进行一次或进行多次。
可采用任何合适的方法进行加热步骤。较好的是，加热的温度和时间足以分解所有的表面活性剂。更好的是，加热的温度和时间足以分解并除去所有表面活性剂和表面活性剂的分解产物。另外，加热的温度和时间较好是足以烧结所述含氟聚合物。在一个实例中，分解温度比所述高度氟化的聚合物的烧结温度至少低5℃。采用这种方法可在将含氟聚合物烧结在基片上以前基本除去表面活性剂。更好的是，分解温度至少比烧结温度低10℃。最好的是，分解温度比烧结温度至少低20℃。
本发明可有利地提供基本不含表面活性剂的用于电化学电池的气体扩散层。本发明气体扩散层通常基本不含表面活性剂和表面活性剂的分解产物。
通常采用任何合适的方法将形成的气体扩散层装入隔膜电极组件中用于电化学电池(例如氢燃料电池)。许多所述方法是本领域已知的。
本发明用于制造电化学电池(如氢燃料电池)用的气体扩散层。
在不偏离本发明原理和范围的情况下本发明的各种变化和改进对本领域的普通技术人员而言是显而易见的，应理解本发明不限于上述说明性的实例。