[发明专利]一种侧链型磺化聚砜/聚乙烯醇质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种侧链型磺化聚砜/聚乙烯醇质子交换膜及其制备方法，所述的质子交换膜由侧链型磺化聚砜溶液和聚乙烯醇溶液共混后流延成膜经交联制成，所述的侧链型磺化聚砜与聚乙烯醇的质量百分比为50:50～90:10。该质子交换膜通过将侧链型磺化聚砜和聚乙烯醇溶液共混后于玻璃板上成膜，真空干燥，将干燥后的膜浸泡入含甲醛或戊二醛的硫酸水溶液中进行交联，得到共混交联的质子交换膜。本发明质子交换膜具有较高的质子传导率，较低的甲醇渗透率，同时其材料来源广泛，制备仪器简单，制备成本低。

技术领域

本发明属于交换膜技术领域，具体涉及一种侧链型磺化聚砜/聚乙烯醇质子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能通过化学反应转化成电能的装置，与其它可再生能源(如太阳能和风能)完全兼容，具有能量转化率高和环境友好等优点。质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其在低温下优异的电学性能而倍受关注，它的模块化设计使得其可作为一种能源应用于各种场合，如便携式电子产品、电动汽车、家庭电源等。质子交换膜是质子交换燃料电池的核心组件，其性能的优劣直接影响着燃料电池的工作性能、成本和应用前景。目前，PEMFC商业化的质子交换膜是全氟磺酸聚合物电解质膜，如杜邦公司生产的Nafion和苏威公司的Aquivion，其特点是具有较高的质子传导率、机械强度和优异的化学稳定性。然而这类全氟磺酸膜也存在很多缺点，如较高的成本、高温和低湿度下质子传导率较低、甲醇渗透率偏高，因此，广泛的研究一直致力于开发出能够替代这些全氟磺酸膜的新产品。

为了克服全氟磺酸质子交换膜的这些缺点，人们研究开发出了非全氟型质子交换膜，其中最常见的是芳香族磺化聚合物，如磺化聚醚醚酮、磺化聚砜、磺化聚酰亚胺等。最先研究的是主链磺化聚合物，这类聚合物虽然也具有较高的质子传导率和较好的机械强度，但是随着磺化度和膜使用温度的提高，膜的过度溶胀导致其尺寸稳定性下降；而将磺酸根引入聚合物侧链可以将疏水的主链与亲水侧链分开，达到微相分离的效果，更有利于质子传输通道的形成，从而提高质子传导率。侧链型磺化聚砜具有较高的质子传导率、优异的力学性能和耐热性，但其氧化稳定性和阻醇率有待提高。为了进一步提高质子交换膜的氧化稳定性和阻醇率，常见的交联方式是将主链上的磺酸根进行交联，这种交联方式是以牺牲主链上的磺酸根为前提的，所以导致膜的质子传导率有所下降。

本发明在侧链型磺化聚砜中加入具有优异亲水性的聚乙烯醇，从而保证膜在相对较高的温度下依然有较高的吸水率(根据质子传输机理，通常较高的含水量更有利于质子交换膜中质子的传导)。同时引入的聚乙烯醇可用于交联，交联后的质子交换膜，其机械强度可进一步提高，同时由于形成了化学键接的三维网状结构，膜的热稳定性、化学稳定性和阻醇率都将得到较大改善。

发明内容

为了弥补现有技术质子交换膜技术的缺点，本发明的第一个目的是提供一种质子传达率高、阻醇率高、综合性能良好的侧链型磺化聚砜/聚乙烯醇质子交换膜。本发明的第二个目的是提供一种制备侧链型磺化聚砜/聚乙烯醇质子交换膜的方法。

本发明具体通过以下技术方案实现：

一种侧链型磺化聚砜/聚乙烯醇质子交换膜，所述的质子交换膜由侧链型磺化聚砜溶液和聚乙烯醇溶液共混后流延成膜经交联制成，所述的侧链型磺化聚砜与聚乙烯醇的质量百分比为50:50～90:10。

所述的侧链型磺化聚砜可通过下述方法制成：

1)将聚砜于50～80℃溶解于有机溶剂中配制成固含量2％～15％溶液，依次加入氯甲基化催化剂和氯甲基化试剂，其中氯甲基化催化剂和氯甲基化试剂的用量分别为反应聚砜质量的10％～40％和20％～50％，反应4～12h，加入有机溶剂稀释至固含量为1％～10％的溶液，将稀释溶液倒入甲醇中进行沉淀，所得沉淀经分离、洗涤后于60～80℃真空干燥，即制得氯甲基化聚砜固体；