[发明专利]一种改性纳米线增强的复合质子交换膜及其制备方法

说明书

一种改性纳米线增强的复合质子交换膜及其制备方法，属于高分子材料技术领域。该种复合质子交换膜是以磺化芳香族聚合物为基体，将磺化芳香族聚合物溶于有机溶剂，将改性纳米线加入到磺化芳香族聚合物溶液中，高速搅拌或超声分散，得到混合溶液；然后将混合溶液浇铸于聚四氟乙烯模具中，烘干后得到改性纳米线增强的磺化芳香族聚合物复合质子交换膜。该改性纳米线增强的复合质子交换膜具有极强的质子电导率，在室温下其质子电导率是原始磺化芳香族聚合物膜的3倍。

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种改性纳米线增强的复合质子交换膜及其制备方法。

背景技术

质子交换膜是质子交换膜燃料电池的重要组成部分，它起着阻隔燃料和传导质子的作用。目前商业可用的隔膜是全氟磺酸质子交换膜，如美国杜邦公司生产的Nafion系列膜等，这类膜具有较高的质子电导率，优良的化学稳定性和尺寸稳定性等有点。但Nafion膜价格高昂，高温时由于失水导致质子电导率低以及含氟材料制备过程中带来的环境污染问题等限制了其广泛的应用。

针对全氟磺酸质子交换膜的上述问题，目前的研究主要集中在开发新型低成本的非氟类质子交换膜，如芳香族聚合物聚醚醚酮、聚芳醚砜、聚酰亚胺等。其中聚醚醚酮因其优异的耐热性，良好的化学稳定性及良好的机械性能，被认为是综合性能优良的特种工程塑料。尤其是聚醚醚酮树脂中具有苯醚结构，可以对聚醚醚酮进行修饰。用浓硫酸对聚醚醚酮进行磺化可得到磺化的芳香族聚合物。磺酸基团的引入使得磺化的芳香族聚合物具有质子传输、水传输的特性。因此磺化的芳香族聚合物在质子传导膜、水处理膜及电渗析膜等领域具有广泛的应用前景。但是磺化的芳香族聚合物的质子电导率仍待提高。

发明内容

本发明的目的是针对目前磺化的芳香族聚合物质子交换膜中电导率较低的技术现状，提出了一种改性纳米线增强的复合质子交换膜及其制备方法，该类复合质子交换膜具有较好的质子传导性能。

一种改性纳米线增强的复合质子交换膜，其特征在于：该膜材料是以磺化的芳香族聚合物为基体，在其中增强改性纳米线，按照质量百分比计，改性纳米线占磺化的芳香族聚合物基体及改性纳米线质量和的0.5％～60％。作为优选，改性纳米线占磺化的芳香族聚合物基体及改性纳米线质量和的5％～40％，进一步优选为10％～20％。

所述的改性纳米线的直径约为50nm～300nm，优选为150nm～300nm，更优选为200nm；长度约为2μm～500μm，优选为20μm。

改性纳米线的制备方法为将1mol/L的硫酸溶液加入到均苯三甲酸溶液磁力搅拌2h，然后将搅拌均匀的混合溶液与三聚氰胺溶液混合，在室温下挥发至溶液剩余少许，收集固体即可得到改性纳米线。

三聚氰胺和均苯三甲酸物质的量为(0.8-1.1):(0.7-1.2)，优选为(0.9-1):(0.95-1.05)。

本发明所述的改性纳米线增强的复合质子交换膜的制备方法是以磺化的芳香族聚合物为基体，将磺化的芳香族聚合物溶于有机溶剂，将改性纳米线加入到磺化的芳香族聚合物溶液中，高速分散或超声分散，得到混合浆液；然后将混合浆液流延成膜，再经过热处理得到改性纳米线增强磺化的芳香族聚合物基复合膜。

上述制备方法中，磺化的芳香族聚合物基体的制备方法为将芳香族聚合物进行磺化，称取一定量干燥后的芳香族聚合物粉末放入圆底烧瓶中，再量取一定的浓硫酸(98％)加入烧瓶中，兼作溶剂和磺化剂；在一定的温度下搅拌溶解并反应一段时间后，将烧瓶内反应后的混合物倒入大量的冰水(去离子水)中得到磺化的芳香族聚合物。将磺化的芳香族聚合物多次洗涤至中性，抽滤，最后将磺化的芳香族聚合物放入真空干燥箱中干燥。其中，芳香族聚合物粉末和浓硫酸溶液的质量体积比为1g:10mL～40mL，进一步优选为1g:15mL～30mL，最优选为1g:20mL；磺化反应时间为3h，反应温度为60℃；然后将所得磺化的芳香族聚合物放在真空烘箱中烘干待用。