[发明专利]一种高强度的复合质子交换膜的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜的制备方法，尤其涉及一种高强度的复合质子交换膜的制造方法。

背景技术

质子交换膜具有广泛的应用领域：如氯碱行业、燃料电池、电解工业等等。目前世界上绝大多数都是使用的杜邦的Nafion系列，其成膜工艺为挤膜法，在世界质子交换膜领域杜邦垄断了数年。杜邦的挤膜法是将全氟磺酸树脂热熔后通过螺杆挤压机挤出薄膜。挤膜法容易存在鱼眼、针孔且强度低等缺陷，并且由于是单向挤压容易出现膜的各向异性；并且挤膜法对设备的要求非常高，设备造价高昂。

在申请号为200680044207.2的中国专利中，公开了一种溶液铸膜法，通过铸膜液在低于溶剂沸点10～30℃的加热温度下缓慢蒸发结晶的方法进行铸膜，在溶质结晶过程中，铸膜盘及其中的铸膜液处于一个静态封闭的空间，在顶部加热装置的辐射加热下，溶剂缓慢蒸发减少而溶质浓度缓慢增大，进而缓慢结晶成膜。然而该溶液铸膜法制备出的薄膜强度较低，且大量使用昂贵的树脂，原料成本高，使用单面辐射制膜效率低、制备出的薄膜厚薄不均。

本发明使用双面辐射的方法制备了新型的复合质子交换膜，制出的膜电导率高、拉伸强度大且成本低廉。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高强度的复合质子交换膜的制造方法。

本发明提供一种高强度的复合质子交换膜的制备方法，其主要步骤包括：将四氟乙烯增强网布置于平板玻璃制成的容器中，其后在该容器中倒入质子交换树脂制成的溶液，使用双面辐射的方法对其进行加热结晶，挥发溶剂后，树脂与四氟乙烯增强网布结合，并一起沉积在平板玻璃上，而生成一种高强度的复合质子交换膜。

由于四氟乙烯增强网布非常容易起皱，而网布一旦起皱树脂与网布的结合就非常困难，而且制备出的复合膜也十分不平整。本发明使用两片平板玻璃模具对压四氟乙烯增强网布，然后取出其中一片的方法克服了在制备复合质子交换膜过程中的这种缺陷。

双面辐射使用微波或者远红外线辐射，上下两面互为补充，比单面加热效率高，速度快，并且克服了单面辐射加热不均匀而制得的膜厚度不均的缺陷。

优选的，所述高强度的复合质子交换膜的制造方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一、将四氟乙烯增强网布整理好置入平板玻璃容器中，在其上方再压置一块尺寸相当的平板玻璃，并压上重物，放置数日待用。

步骤二、将用于压平四氟乙烯增强网布的平板玻璃从玻璃容器中取出，将质子交换树脂溶液倒入装有四氟乙烯平板玻璃容器中，再将该容器放入双面辐射制膜箱中。

步骤三、打开加热开关对装有溶液和网布的容器进行加热结晶，结晶完成后抽去箱体内，溶液中挥发出来的溶剂并经体外冷却装置冷凝回收。

步骤四、打开双面辐射制膜箱取出容器，将该容器置入双氧水溶液中，于60-100℃加热20-50分钟后，膜与加热容器自动分离。

步骤五、将分离后的复合质子交换膜用纯水冲洗后，再用滤纸压平保存。加热容器用纯水冲洗后，烘干存放。待质子交换膜压平干燥后将其裁剪成合适尺寸的复合质子交换膜。

其中，所述步骤一中，使用的四氟乙烯增强网布为5目到500目，其中效果较好的为10目～50目之间，四氟乙烯增强网布中纺线D数为50～500之间，D数约小制做的膜越薄、电阻越小、强度越低；D数越大制作的膜越厚、电阻越大、强度越高。网布需整理后置于平板玻璃容器中，再在其上方放置一块平板玻璃压平。平板玻璃的有效使用尺寸为0.4米*0.4米到2.4米*2.4米之间，厚度为3mm～20mm之间。制造的膜厚度越薄使用的平板玻璃厚度也约薄。

所述步骤二中，使用的溶液为全氟质子交换溶液或含氟质子交换溶液或非氟质子交换溶液，效果较好的是全氟磺酸树脂制成的质子交换溶液。其质量分数在1％～20％之间。溶液的质量分数越低制出的膜越平整，同时消耗的时间也越长，综合考虑，最佳效果为3％～10％。使用的溶剂为、甲醇、乙醇、丙二醇、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、水中的一种或多种的混合物。溶液的用量为50ml～1000L，根据平板玻璃容器的尺寸来调整用量。

所述步骤三中，制膜的方法为使用微波或远红外线双面辐射的方法对树脂溶液和四氟乙烯增强网布进行加热结晶。微波或远红外线辐射器的功率从1kW～50kW，加热的温度控制在120℃～150℃，加热的时间为10分钟～100分钟。

双面辐射使用微波或者远红外线对溶液进行双面辐射，上下两面互为补充，比单面加热效率高，速度快，并且克服了单面辐射加热不均匀而制得的膜厚度不均的缺陷。