[发明专利]一种用于湿度测量的磺化聚酰亚胺质子交换膜

说明书

技术领域

本发明涉及一种湿度测量方法，尤其涉及一种用于湿度测量的磺化聚酰亚胺质子交换膜。

背景技术

目前对于湿度的测量方法主要有干湿球测量法、露点湿度测量法、几何尺寸变化测量法、气象色谱法等。质子交换膜是一种能实现质子导电的电解质膜，由于在较高湿度时才具有较高的质子导电特性，因而被广泛用于质子交换膜燃料电池。质子交换膜的导电率具有很强的湿度依赖性，在相对湿度为0时几乎绝缘，当湿度到达一定临界值时具有明显的导电性。目前市场上可以获得的唯一的质子交换膜为杜邦公司生产的Nafion系列全氟磺酸膜。其化学结构如结构式1所示。此种膜价格昂贵，在大范围的相对湿度条件下都具有相对较高的质子电导率，而且由于化学结构的制约，膜的使用温度通常小于100℃，因而不适合作为用于湿度测量的电解质膜。其他类型的用于湿度测量的质子交换膜仍鲜有报道。

结构式1

发明内容

本发明的目的是在于提供一种湿度测量方法，尤其是利用传导质子的质子交换膜来测量环境湿度的方法。采用对湿度异常敏感的质子交换膜进行湿度测量，可以简化测量系统，操作简单，测量精度高，数据可靠。

目前市场上可以依靠进口获得的典型的质子交换膜为杜邦公司生产的全氟磺酸膜Nafion系列产品，如结构式1所示，该结构中侧链末端的磺酸基团是对水敏感的官能团。此种类型的质子交换膜价格昂贵，在较宽的湿度范围内具有普遍较高的质子导电率，即导电率对湿度的依存性相对较小；另外，由于化学结构的特点，此类膜的使用温度在100℃以下。

本发明的一种碳氢聚合物磺化聚酰亚胺质子交换膜，其化学结构如结构式2所示。

结构式2

其中：

其聚合物大分子主链由碳、氢、氧、氮、硫、氟等多种元素组成，是一种芳香族杂环聚酰亚胺高分子。聚合物的主链由含有磺酸基的大分子嵌段和不含磺酸基的大分子嵌段组成。两种嵌段所含重复单元的比例为n/m。结构式2中的R1为磺化的二胺单体重复单元，R2为非磺化的二胺单体重复单元。所述的质子交换膜即为由此聚酰亚胺类高分子聚合物制得的电解质薄膜。由于此类电解质膜的质子电导率随着相对湿度的变化呈剧增或骤减变化，因此通过测量膜的电导率或者阻抗，可以获得所处特定环境的相对湿度。

所述的质子交换膜包括磺化的聚酰亚胺，所述的质子交换膜其化学结构为：磺化的聚酰亚胺大分子链段和非磺化的聚酰亚胺大分子链段共同组成。前者与后者的比例n/m为从0.5-10中间的任意数值。

所述的聚合物由二胺单体和二酐单体共聚合制得，其中二胺单体上含有磺酸集团，二酐单体为1,4,5,8-四羧基萘酐，聚合物可以是无规共聚物，也可以是嵌段共聚物，聚合物的分子量在5000-100000之间。

所述的聚合物在相对湿度为0时不导电，相对湿度为100%时质子电导率最高，随着相对湿度的增加，聚合物膜的质子电导率急剧增大，最大值和最小值跨越5个数量级。

所述的聚合物膜的磺化度即离子交换容量可以精确控制，离子交换容量的范围为0.69-3.11毫摩尔磺酸基/克聚合物。膜的离子交换容量与膜内吸水量的关系为正向相关。

所述的电解质膜的耐热性高达250℃，可实现100℃以上加压环境下的湿度测量。

所述的聚合物可以加工成任意形状，如平板膜，管式膜，球形膜，方形膜，圆柱形膜，中空纤维膜等。膜的厚度为2-2000微米。

本发明所使用的磺化聚酰亚胺质子交换膜，包括任何方法制备的，或作为商品购买的，都是可以应用到本发明中。

为了方便获得，也可以采用如下的方法制备磺化聚酰亚胺质子交换膜：