[发明专利]一种膨体聚四氟乙烯的改性方法、产品、质子交换膜以及膜电极

说明书

一种膨体聚四氟乙烯的改性方法，包括如下步骤：将光敏引发剂溶液均匀涂覆在膨体聚四氟乙烯表面，氮气气氛中在紫外光照射下进行第一步接枝反应；将第一步接枝反应后的膨体聚四氟乙烯表面浸润磺酸类单体，氮气气氛中在紫外光照射下进行第二步接枝反应，磺酸类单体聚合生成带有磺酸基的高分子支链，得到改性膨体聚四氟乙烯。本发明在膨体聚四氟乙烯上采用磺酸类单体进行两步紫外接枝，第一步接枝光敏引发剂，在膨体聚四氟乙烯表面形成自由基活性位点，再引发第二步磺酸类单体接枝，从而调控接枝的位点和含量；采用磺酸类单体可提升膜表面磺酸根含量并长久保持，从根本上改善亲水性；作为增强层可提升质子交换膜的质子传导率。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种增强层材料膨体聚四氟乙烯，特别是涉及一种膨体聚四氟乙烯的亲水性改性方法，制得的膨体聚四氟乙烯，采用该膨体聚四氟乙烯制得的质子交换膜，以及膜电极。

背景技术

膨体聚四氟乙烯(ePTFE)主要是由聚四氟乙烯树脂经过混料-推压-压延-双向拉伸-热定型-冷却定型等几个步骤制备而成，在这个过程中，聚四氟乙烯中的纤维节点由大变小，纤维变多，孔径增大，经过热-冷定型处理后，纤维排列整齐，从而使得ePTFE纵横方向上拉伸强度增大，弹性模量高，抗蠕变性、硬度以及尺寸稳定性增大；由于纤维排列整齐，机械性能增强，稳定性好，孔隙率增大，使得膨体聚四氟乙烯的适用范围广，如质子交换膜中的增强层，并可以降低树脂用量，节约成本。

目前常用的聚四氟乙烯树脂主要四氟乙烯共聚而成，因此ePTFE多孔膜表面是疏水性表面，表面静态接触角约为130°。在质子交换膜制备过程中，ePTFE与亲水性全氟磺酸树脂浸润不完全，会造成使用过程中机械强度变低，树脂层与增强层分离，降低膜使用寿命，因此，在质子交换膜制备过程中需要亲水性改性。

ePTFE亲水性改性主要集中于等离子体处理、浸渍涂覆法、奈-钠处理法等，这些方法仅能改善表面亲水结构，对于质子交换膜质子传导率的性能提升没有帮助，同时由于制备方式会影响膜的机械强度，造成部分性能下降。

专利CN102773026A对ePTFE膜进行等离子照射，利用原子沉积技术将金属氧化物沉积在膜表面来改善亲水性；专利105885081A采用甲烷和氮气混合气体进行等离子处理，来改善膜表面的亲水性，改性后静态接触角由130°降至40°，专利CN1861668A采用等离子体照射接枝丙烯酸等的方法改善膜表面亲水性，这两种方法均采用等离子体照射，易损伤ePTFE膜表面，造成化学键断裂，影响机械强度，同时膜表面沉积氧化物，膜孔隙率变小，树脂浸润效果变差。

以上ePTFE膜处理技术均在一定程度上提高了膜表面的亲水性，虽然在一定时间内能够保持亲水性，但过后将会恢复到之前的状态；同是由于等离子体照射，轰击化学键表面，易造成膜的损伤，影响其实用效果。两种方式在一定程度上引入杂质，同时亲水性持久性低，设备耗费大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膨体聚四氟乙烯的改性方法及改性得到的膨体聚四氟乙烯，解决现有技术在膨体聚四氟乙烯亲水性改性方法上存在的缺陷，能够高效改善聚四氟乙烯膜表面的亲水性，在持久保持良好的亲水性的同时，提升磺酸根含量，从而提升质子交换膜的质子传导率。

本发明的另一目的是提供一种由改性的膨体聚四氟乙烯制得的质子交换膜及膜电极。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种膨体聚四氟乙烯的改性方法，其特征在于，包括如下步骤：

将光敏引发剂溶液均匀涂覆在膨体聚四氟乙烯(ePTFE)表面，氮气气氛中在紫外光照射下进行第一步接枝反应；

将第一步接枝反应后的膨体聚四氟乙烯表面浸润磺酸类单体，氮气气氛中在紫外光照射下进行第二步接枝反应，磺酸类单体聚合生成带有磺酸基的高分子支链，得到改性膨体聚四氟乙烯。