[发明专利]一种具有有序离子传导结构的离子交换膜的制备方法

说明书

本发明属于离子导电高分子材料制备技术领域，公开了一种具有有序离子传导结构的离子交换膜的制备方法，首先合成含有金属配位结构的聚合物A；然后将聚合物A单独，或聚合物A与聚合物B，或聚合物A与填料，或聚合物A与聚合物B及填料配成制膜液，充分溶解后静置脱泡；再将制膜液倒入培养皿，在一定压力、温度、时间、磁场强度或电场强度的条件下，通过溶剂蒸发法、旋涂法、浸涂法、卷对卷丝网印刷法或喷墨打印法成膜；成膜过程结束后，将膜进行离子化处理，即可得到离子交换膜。本发明采用在成膜时施加磁场或电场的处理技术，能够对离子交换膜的离子传导结构进行有序调控，制备出具有有序离子传导结构的高效耐久离子交换膜。

技术领域

本发明属于离子导电高分子材料制备技术领域，具体来说，是涉及一种离子交换膜的制备方法。

技术背景

离子交换膜是吸附、电解、分离、电池、超级电容器等诸多领域中的关键材料。作为离子交换膜的两个重要性能参数，离子电导率和吸水率总是呈现正相关关系，因为只有亲水的离子化基团才能发挥高效的离子传导作用。然而，过高的吸水率又会使离子交换膜产生明显溶胀，导致膜的性能稳定性及使用耐久性降低。相关研究表明，提高离子交换膜的亲、疏水相分离程度，有助于在提高膜的离子电导率同时降低膜的吸水率。

在实际应用中，与需求能效关系最为密切的往往是离子在离子交换膜内特定方向上的传导。比如，离子交换膜燃料电池的功率输出主要通过离子在离子交换膜透过面方向上的传导获得。然而，通过一般制膜方法制备的离子交换膜具有各向同性的结构和离子传导特性。在不改变离子交换膜配方组成的情况下，理想的离子交换膜应具有各向异性的结构，使得特定方向上离子传导能力得到优化和增强，以此在实际应用中获得更高的需求能效。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有有序离子传导结构的离子交换膜的制备方法，该方法采用在溶液浇铸成膜时施加磁场或电场的处理技术，能够对离子交换膜的离子传导结构进行有序调控，制备出具有高效耐久离子传导能力的离子交换膜。

本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种具有有序离子传导结构的离子交换膜的制备方法，该方法按照以下步骤进行：

(1)合成含有金属配位结构的聚合物A；

(2)将聚合物A单独，或聚合物A与聚合物B，或聚合物A与填料，或聚合物A与聚合物B及填料溶解在溶剂中，配成总浓度为10～500g/L的制膜液，充分溶解后静置脱泡；

(3)在压力1atm，磁场强度1～50T或电场强度1～100kV/cm的条件下，通过溶剂蒸发法、旋涂法、浸涂法、卷对卷丝网印刷法或喷墨打印法成膜；

(4)成膜过程结束后，对膜进行离子化处理，即可得到具有有序离子传导结构的离子交换膜。

优选地，步骤(1)中所述聚合物A中的聚合物基体为聚酰亚胺、聚酰胺、聚醚醚酮、聚砜、聚醚砜、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚苯并咪唑、聚苯醚、聚乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯基吡啶或聚乙烯基环己烷中的一种或几种。

优选地，步骤(1)中所述的金属配位结构为五氰基吡啶铁、二茂铁、氧化二茂铁、二茂钴、氧化二茂钴、二茂镍或氧化二茂镍中的一种。

优选地，步骤(1)中所述的聚合物A中含金属配位结构的链段比例为10％～100％。

优选地，步骤(2)中所述的聚合物B为聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚苯乙烯、聚苯硫醚、聚乙烯基吡啶、聚丙烯、聚丙烯腈、聚磷腈、聚偏氟乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种；其用途在于，当单独的聚合物A或聚合物A和填料力学性能较弱时，聚合物B的加入可以使膜的机械强度提升至满足实际应用的水平，所有能起到该作用的聚合物都可以作为聚合物B在此使用。