[发明专利]聚偏氟乙烯负载壳聚糖质子交换膜的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池质子交换膜的领域，具体地指一种聚偏氟乙烯负载壳聚糖质子交换膜的制作方法。

背景技术

全氟磺酸型膜是迄今为止在甲醇燃料电池中应用成功的质子交换膜，典型的为DuPont公司的膜，但其存在抗甲醇渗透性弱，价格昂贵，生产成本较高等问题。因此，设计和构筑低成本、高性能甲醇燃料电池质子交换膜，对加快其商业化进程具有重要的理论意义和应用价值。聚偏氟乙烯具有高热稳定性、良好的耐化学性和成膜性，在滤膜、超滤膜、分离膜、锂离子电池隔膜材料等领域有广泛应用。有关聚偏氟乙烯(PVDF)用作燃料电池质子交换膜的报道较少，这主要是由于PVDF的离子交换容量太小，质子传导率低。

壳聚糖是甲壳素脱去部分乙酰基后的产物，是一种常见的天然生物聚合物，化学名为[1,4]-2-氨基-2-脱氧-β-D葡聚糖。壳聚糖具有优异的成膜性、无毒性、抗菌性以及良好的生物相容性和可降解性，广泛应用于食品、医药、水处理、化妆品和功能材料等领域。壳聚糖作为一种最有研究潜力的质子交换膜，具有价格低廉、环境友好性，可用于高温和低湿度环境，低的甲醇渗透率，同时分子结构上富含-OH和-NH₂，可通过对其进行分子设计实现可控化学修饰。但壳聚糖作为质子交换膜使用存在膜的柔韧性、机械性能和热稳定性不足的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚偏氟乙烯负载壳聚糖质子交换膜的制作方法，解决了PVDF作为质子交换膜存在质子传导率低，壳聚糖作为质子交换膜存在膜的柔韧性、机械性能和热稳定性不足的问题。

为实现上述目的，本发明提供的一种聚偏氟乙烯负载壳聚糖质子交换膜的制作方法，包括以下步骤：

1)向醋酸溶液中加入壳聚糖，室温搅拌溶解形成透明壳聚糖溶液；

2)PVDF纳米纤维膜置于砂芯漏斗的滤盘上，安装在抽滤装置上；

3)将透明壳聚糖溶液倒入砂芯漏斗中，并使用水泵真空抽滤，让透明溶液通过PVDF纳米纤维膜的孔隙过滤下来；待透明壳聚糖溶液抽滤至原来的一半，停止抽滤，取出负载有壳聚糖的PVDF纳米纤维膜，

4)将负载有壳聚糖的PVDF纳米纤维膜干燥；

5)将干燥后的PVDF纳米纤维膜浸入NaOH溶液中浸泡1.5～2.5h，然后用水洗至中性，再用H₂SO₄溶液浸泡交联12～24h，交联后再将PVDF纳米纤维膜洗至中性；

6)将上述洗好的PVDF纳米纤维膜置于玻璃板中夹平，然后置于烘箱中干燥，放入烘箱中干燥，即得聚偏氟乙烯负载壳聚糖质子交换膜，即为PVDF纳米纤维膜负载壳聚糖质子交换膜。

进一步地，所述步骤1)中，醋酸溶液质量分数为1.5～2.5％。

再进一步地，所述透明壳聚糖溶液中壳聚糖质量分数为2～4wt.％；所述壳聚糖的分子量为50万～100万，脱乙酰度为85％～90％。

再进一步地，所述步骤2)中，砂芯漏斗的直径为30～60mm，PVDF纳米纤维膜的厚度为60～90μm，直径为40～60mm；所述的PVDF纳米纤维膜中纤维的直径为60～150nm，孔隙率为80～85％。

再进一步地，所述步骤4)中，干燥温度为55～65℃，干燥时间为8～12h。

再进一步地，所述干燥温度60℃，干燥时间为12h。

再进一步地，所述步骤5)中，NaOH溶液的摩尔浓度为0.5～1.5mol/L，H₂SO₄溶液的摩尔浓度为0.5～1.5mol/L。

再进一步地，所述步骤6)中，烘箱温度为50～70℃，干燥时间为8～15h。

再进一步地，所述聚偏氟乙烯负载壳聚糖质子交换膜厚度为60～80μm。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的制作方法简单，条件温和，制备过程中不产生有害物质，对环境不造成影响，绿色环保；

(2)本发明充分结合了PVDF膜的机械强度和耐热稳定性(耐候性)及壳聚糖膜的(低甲醇渗透性和)质子传导性，克服了PVDF膜质子传导率低和壳聚糖膜柔韧性、机械性能和热稳定性不足的问题。

附图说明

图1为本发明制备的PVDF电纺纳米纤维膜的表面SEM图；

图2为PVDF纳米纤维膜负载CS质子交换膜的断面SEM图。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。