[发明专利]一种碳纳米管接枝聚丙烯腈纤维的复合纤维膜的制法和应用

说明书

本发明涉及质子交换膜技术领域，且公开了一种碳纳米管接枝聚丙烯腈纤维的复合纤维膜，聚丙烯腈化学接枝到碳纳米管的表面，通过静电纺丝法，得到碳纳米管接枝聚丙烯腈纤维的复合纤维膜，化学接枝作用使碳纳米管更加均匀分散到聚丙烯腈纤维的基体中，以碳纳米管作为化学交联位点，与聚丙烯腈纤维形成三维交联网络，有效地将Nafion溶液活性组分充分吸收到聚丙烯腈纤维三维空间网络中，得到的碳纳米管‑聚丙烯腈‑Nafion复合质子交换膜，含有丰富亲水性氨基和羧基，以及三维空间网络，在协同作用下显著提高了质子交换膜的质子传导率。

技术领域

本发明涉及质子交换膜技术领域，具体为一种碳纳米管接枝聚丙烯腈纤维的复合纤维膜的制法和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种新型燃料电池因，具有功率密度大、能效高、污染小等优点，是一种极具发展潜力的电化学储能电池，质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极、密封圈和流场板组成，其中膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部分，膜电极中间是一层很薄质子交换膜，而质子交换膜是氢离子的优良导体，可以为电解质提供氢离子的传输通道，同时可以隔离两极反应气体，从而起到传递质子和分离燃料的作用。

目前商业化的质子交换膜主要是Nafion全氟磺酸膜，具有良好的化学和物理稳定性，并且质子传导率较高，广泛使用质子交换膜燃料电池中，近年来有机-无机复合膜因其良好力学性能、保水性能和质子传导性能受到广泛的研究，将质子交换膜与TiO 2 、SiO 2、石墨烯、碳纳米管等纳米粒子结合可以显著增强复合膜的吸水性和热稳定性，但是将纳米粒子与质子交换膜简单的物理共混改性，会使纳米粒子存在无序化和分散不均的问题，因此如何将碳纳米管等纳米粒子与质子交换膜有机结合，更好的发挥纳米粒子的增强改性作用成为研究难点。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种碳纳米管接枝聚丙烯腈纤维的复合纤维膜的制法和应用，使Nafion全氟磺酸膜具有更高的亲水性、结构稳定性以及质子传导率。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种碳纳米管接枝聚丙烯腈纤维的复合纤维膜，所述碳纳米管接枝聚丙烯腈纤维的复合纤维膜的制备方法如下所示：

(1)向反应瓶中加入1,4-二氧六环溶剂、丙烯腈和RAFT链转移剂和引发剂，在氮气氛围中，置于水浴锅中，进行可逆加成-断裂链转移聚合反应，冷却、减压蒸馏除去溶剂，乙醇和去离子水洗涤并干燥，制得端羧基聚丙烯腈。

(2)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂、端羧基聚丙烯腈和氨基化碳纳米管，超声分散均匀后，加入脱水剂和催化剂，置于水浴锅中，进行反应，加入甲醇进行沉淀，过滤溶剂，甲醇和蒸馏水洗涤并干燥，得到纳米管接枝聚丙烯腈。

(3)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂和纳米管接枝聚丙烯腈，搅拌6-12h，形成静电纺丝液，将静电纺丝液通过静电纺丝机进行纺丝过程，得到碳纳米管接枝聚丙烯腈纤维的复合纤维膜。

优选的，所述步骤(1)中的RAFT链转移剂为三硫代碳酸酯，引发剂为偶氮二异丁腈。

优选的，所述其中丙烯腈、RAFT链转移剂三硫代碳酸酯和引发剂偶氮二异丁腈的质量比为100:0.7-0.9:0.03-0.04。

优选的，所述步骤(1)中的可逆加成-断裂链转移聚合反应的温度为60-90℃，反应时间为12-36h。

优选的，所述步骤(2)中的脱水剂为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐，催化剂为4-二甲氨基吡啶。

优选的，所述端羧基聚丙烯腈、氨基化碳纳米管和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐脱水剂和4-二甲氨基吡啶的质量比为100:1.5-3.5:5-12:2-6。