[发明专利]一种聚四氟乙烯微孔薄膜增强复合质子交换膜生产工艺

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜技术领域，尤其是一种可连续化生产全氟磺酸质子交换膜的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)最早使用的质子交换膜是聚苯乙烯磺酸膜，在它作为航天飞机的动力装置运行时，质子交换膜在燃料电池运行过程中发生降解，使电池性能下降，影响了电池组的整体性能和使用寿命，因此限制了PEMFC在航天航空领域的应用和发展。

美国的DuPont公司上世纪70年代初推出了Nafion全氟磺酸质子交换膜（Perfluorosulfonate Proton Exchange Membranes，PEM），由于它表现出优良的稳定性和高的电导率，使得PEMFC有了飞跃的发展。增强型复合质子交换膜凭借其在物理性能和化学稳定性上的突出优势而得到全世界范围内的广泛关注，特别是多孔聚四氟乙烯（PTFE）增强的Nafion复合质子交换膜，其强度相对于纯PEM有一定的提升，膜的性能由于厚度的降低而有所提高。

目前，聚四氟乙烯增强复合质子交换膜的制备工艺复杂，而且未能实现连续化生产。如专利ZL201010104002.7，公开了一种质子交换膜的制备方法，该方法采用磺化聚醚醚酮与磺化聚醚砜共混形成膜溶液，将膜溶液倒入模具中蒸发溶剂成膜，然后经真空干燥和酸处理得到质子交换膜，其成品膜的制备是一个单元一个单元进行，生产效率低，生产成本高。因此极大的提高了燃料电池的生产和使用成本，限制了燃料电池的商业化。通常采用Nafion膜组装的电池组，质子交换膜成本占整个堆成本的30％左右。

现有技术制备的质子交换膜生产成本高，电导率和机械强度低，以致燃料电池的生产和使用成本高，大大限制了全氟磺酸质子交换膜在燃料电池和其他领域的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种可连续化生产全氟磺酸质子交换膜的制备方法，采用流延复合工艺在微孔结构的膨体聚四氟乙烯微孔膜表面两次涂布磺酸树脂，分别以低温和高温两次交联复合制备增强复合质子交换膜，

实现聚四氟乙烯增强质子交换膜的连续生产，进一步降低生产成本，提高质子交换膜的电导率和机械强度，是一条很有应用前景及实用价值的制备方法，尤其适合大规模工业化生产。 

本发明的目的是这样实现的：一种聚四氟乙烯微孔薄膜增强复合质子交换膜生产工艺，其特点是将微孔结构的膨体聚四氟乙烯微孔膜采用两种不同浓度的磺酸树脂溶液分别进行交联复合以增强质子交换膜，具体生产工艺包括以下步骤： 

a、静电处理     

采用吹风机将微孔结构的膨体聚四氟乙烯微孔膜表面静电吹除，所述吹除风量为10~330CFM，吹除时间为0.3~100s；所述膨体聚四氟乙烯微孔膜的厚度为1~3μm，孔径为0.2~2.0μm，孔隙率为80~90%。

b、乙醇浸泡处理

将上述静电处理的膨体聚四氟乙烯微孔膜采用乙醇浸泡处理0.5~24h，浸泡温度为15~35℃；所述乙醇浓度为分析纯。 

c、溶剂蒸发处理

将上述乙醇浸泡处理的膨体聚四氟乙烯微孔膜在温度为15-45℃和1000级环境条件下溶剂蒸发0.1~6h，经溶剂蒸发处理的膨体聚四氟乙烯微孔膜放置在乙醇中浸润备用；所述乙醇浓度为分析纯。

d、磺酸溶液的制备

将磺酸树脂按3~10%和10~25%重量百分比分别溶解于甲醇、乙醇、丙醇、氮氮二甲基甲酰胺、氮氮二甲基乙酰胺或甲醇与乙醇和丙醇的混合或氮氮二甲基甲酰胺与氮氮二甲基乙酰胺的混合液中配制成浓度为3~10%和10~25%磺酸树脂溶液待用，所述甲醇与乙醇和丙醇按体积比4~9：4~10：5~7混合；所述氮氮二甲基甲酰胺与氮氮二甲基乙酰胺按体积比5~15：7~9混合；所述甲醇、乙醇、丙醇、氮氮二甲基甲酰胺和氮氮二甲基乙酰胺为分析纯；所述溶解温度为100~300℃，溶解时间为3~24h。

e、低浓度磺酸树脂的交联复合

将上述制备的3~10%磺酸树脂溶液喷涂在上述步骤c备用的膨体聚四氟乙烯微孔膜一侧表面，采用三压辊将其涂层进行平整处理，然后置于具有洁净条件的电烘箱内，在120~240℃温度下进行磺酸树脂与膨体聚四氟乙烯微孔膜的交联复合1~35min；所述三压辊温度分别为80~100℃、110~200℃和180~250℃；所述压辊转速为0.01~0.8m/min；所述辊压时间为10~100min；所述电烘箱起始温度为35~65℃；