[发明专利]一种全氟磺酸树脂分散液的制备方法

说明书

本发明公开了一种全氟磺酸树脂分散液的制备方法，包括：a、将全氟磺酸树脂溶解在第一溶剂中，过滤后得到第一树脂分散液；b、将所述步骤a得到的第一树脂分散液进行减压蒸馏，得到凝胶；c、将步骤b得到的凝胶溶解在第二溶剂中，得到全氟磺酸树脂分散液。本发明的全氟磺酸树脂分散液的制备方法，无需高温高压分散固体磺酸树脂，能够在温和条件下制备出高固含量、高粘度、粒径小、粒径分布窄的全氟磺酸树脂分散液，制得的分散液能够适用于质子交换膜、水电解膜和燃料电池浆料。

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种全氟磺酸树脂分散液的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种能将化学能转化为电能的能源转化装置，质子交换膜是质子交换燃料电池的核心部件之一，其性能直接决定了质子交换燃料电池的性能。

不管是质子交换膜均质膜还是质子交换膜复合膜，磺酸树脂分散是制备质子交换膜的重要工艺步骤。通常选择溶剂的依据是：1、极性相近原则；2、溶解度参数相近原则；3、聚合物-溶剂相互作用参数。全氟磺酸树脂主要有C-F主链和含离子的侧链结构，这两部分有着不同的溶解度参数。尽管很多研究人员从溶解度参数出发，对磺酸树脂溶解进行探究，但全氟磺酸树脂有着较为复杂的结构，导致对溶剂的溶度参数有着更高要求。

因此，需要开发一种简单易于应用的全氟磺酸树脂分散液的制备方法。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：结晶聚合物分子链排列紧密、规整，分子间作用力大，溶解远远比非晶聚合物困难。结晶聚合物的溶解涉及两个过程：1、结晶高聚物的熔融，分子链开始运动，晶格被破坏；2、熔融高聚物的溶解，被破坏晶格的聚合物与溶剂发生作用。通常，结晶度越高，溶解度越低。相关技术中，CN103146001A提供了一种分子链均匀分散的全氟磺酸树脂溶液的制备方法，其方法是将固态全氟磺酸树脂置于水与有机溶剂的混合溶剂中，其中水的体积百分含量为30～90％，搅拌20分钟～5小时后，转入高温高压容器中，在温度为100℃～300℃，压力为3MPa～30MPa的条件下，溶解1～120小时后，将产物经过液-液分离后，取下层溶液即为链分散均匀的全氟磺酸树脂溶液。CN112608494A公开了一种全氟磺酸树脂分散液的制备方法，具体为：将全氟磺酸树脂固体置于水与有机溶剂的混合溶剂中高温、高压溶解，得到全氟磺酸树脂分散液；经液-液分离后，得到全氟磺酸树脂分离液；将所述分离液离心并过滤，得到全氟磺酸树脂分散液。CN1884352A提供了一种用氯碱工业废弃离子交换膜制备全氟磺酸树脂溶液的方法，将氯碱工业废弃离子膜用低级醇溶胀，并用乳化机将其乳化成树脂颗粒，然后向高压釜中加入对废弃离子交换膜中的全氟磺酸树脂和羧酸树脂是良溶剂的醇/水溶剂及树脂颗粒，在高温高压，N₂保护的情况下溶解树脂颗粒；得到固体的全氟羧酸树脂和溶液的混合物，经固－液分离法分离，获得全氟磺酸树脂溶液和固体的全氟羧酸树脂。制得的树脂溶液澄清透明，杂质含量极低，纯度高，性能与Nafion EW 1100溶液性能基本相同，可用在修补离子膜针孔和其它机械破损，制作燃料电池质子交换膜及电极立体化，化学催化等各个生产领域。CN111925544A提供了一种高强度保水全氟磺酸质子交换膜、制备方法及应用，具体包括：(1)制备功能化石墨烯：按质量比称取石墨烯氧化物、乳酸单体、去离子水和辛酸亚锡加入高压釜中，加压加热；(2)制备全氟磺酸树脂改性料：末端带-SO₃Na的全氟磺酸树脂和聚乙烯醇混合水溶液加热，加入上述乳酸功能化石墨烯氧化物，高压釜中加压；(3)制备全氟磺酸树脂溶液：取全氟磺酸树脂改性料放入高压釜中，加入异丙醇水溶液，升温，搅拌；(4)钢带流延制膜：将上述全氟磺酸树脂溶液加入流延机的储料罐中，储料罐保温，并通过流延刀口在传动钢带上进行流延成膜，带膜的传动钢带进入烘箱中，得到应用于燃料电池的高强度保水全氟磺酸质子交换膜。

相关技术中，固体全氟磺酸树脂制备树脂分散液的方法主要是在高温、高压下，在水醇混合溶液中对树脂进行分散。这种方法制备的磺酸树脂分散液存在一定的脱羟基副反应，容易发生醚化反应，而且重要的是，这种方法需要在高温高压下实现，存在较大的安全隐患。