[發明專利]一種高強度的復合質子交換膜的制造方法

有效

• 申請號: 200910086061.3
• 申請日: 2009-06-04
• 公開（公告）號: CN101906215A
• 公開（公告）日: 2010-12-08
• 發明（設計）人: 楊大偉
• 申請（專利權）人: 楊大偉
• 主分類號: C08J5/22
• 分類號: C08J5/22;C08J9/28;B01D67/00;B01D69/06;B01D69/12;H01M2/14
• 代理公司: 北京科龍寰宇知識產權代理有限責任公司 11139
• 代理人: 孫皓晨;費碧華

技術領域

本發明涉及質子交換膜的制備方法，尤其涉及一種高強度的復合質子交換膜的制造方法。

背景技術

質子交換膜具有廣泛的應用領域：如氯堿行業、燃料電池、電解工業等等。目前世界上絕大多數都是使用的杜邦的Nafion系列，其成膜工藝為擠膜法，在世界質子交換膜領域杜邦壟斷了數年。杜邦的擠膜法是將全氟磺酸樹脂熱熔后通過螺桿擠壓機擠出薄膜。擠膜法容易存在魚眼、針孔且強度低等缺陷，并且由于是單向擠壓容易出現膜的各向異性；并且擠膜法對設備的要求非常高，設備造價高昂。

在申請號為200680044207.2的中國專利中，公開了一種溶液鑄膜法，通過鑄膜液在低于溶劑沸點10～30℃的加熱溫度下緩慢蒸發結晶的方法進行鑄膜，在溶質結晶過程中，鑄膜盤及其中的鑄膜液處于一個靜態封閉的空間，在頂部加熱裝置的輻射加熱下，溶劑緩慢蒸發減少而溶質濃度緩慢增大，進而緩慢結晶成膜。然而該溶液鑄膜法制備出的薄膜強度較低，且大量使用昂貴的樹脂，原料成本高，使用單面輻射制膜效率低、制備出的薄膜厚薄不均。

本發明使用雙面輻射的方法制備了新型的復合質子交換膜，制出的膜電導率高、拉伸強度大且成本低廉。

發明內容

為了解決現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種高強度的復合質子交換膜的制造方法。

本發明提供一種高強度的復合質子交換膜的制備方法，其主要步驟包括：將四氟乙烯增強網布置于平板玻璃制成的容器中，其后在該容器中倒入質子交換樹脂制成的溶液，使用雙面輻射的方法對其進行加熱結晶，揮發溶劑后，樹脂與四氟乙烯增強網布結合，并一起沉積在平板玻璃上，而生成一種高強度的復合質子交換膜。

由于四氟乙烯增強網布非常容易起皺，而網布一旦起皺樹脂與網布的結合就非常困難，而且制備出的復合膜也十分不平整。本發明使用兩片平板玻璃模具對壓四氟乙烯增強網布，然后取出其中一片的方法克服了在制備復合質子交換膜過程中的這種缺陷。

雙面輻射使用微波或者遠紅外線輻射，上下兩面互為補充，比單面加熱效率高，速度快，并且克服了單面輻射加熱不均勻而制得的膜厚度不均的缺陷。

優選的，所述高強度的復合質子交換膜的制造方法，具體包括以下幾個步驟：

步驟一、將四氟乙烯增強網布整理好置入平板玻璃容器中，在其上方再壓置一塊尺寸相當的平板玻璃，并壓上重物，放置數日待用。

步驟二、將用于壓平四氟乙烯增強網布的平板玻璃從玻璃容器中取出，將質子交換樹脂溶液倒入裝有四氟乙烯平板玻璃容器中，再將該容器放入雙面輻射制膜箱中。

步驟三、打開加熱開關對裝有溶液和網布的容器進行加熱結晶，結晶完成后抽去箱體內，溶液中揮發出來的溶劑并經體外冷卻裝置冷凝回收。

步驟四、打開雙面輻射制膜箱取出容器，將該容器置入雙氧水溶液中，于60-100℃加熱20-50分鐘后，膜與加熱容器自動分離。

步驟五、將分離后的復合質子交換膜用純水沖洗后，再用濾紙壓平保存。加熱容器用純水沖洗后，烘干存放。待質子交換膜壓平干燥后將其裁剪成合適尺寸的復合質子交換膜。

其中，所述步驟一中，使用的四氟乙烯增強網布為5目到500目，其中效果較好的為10目～50目之間，四氟乙烯增強網布中紡線D數為50～500之間，D數約小制做的膜越薄、電阻越小、強度越低；D數越大制作的膜越厚、電阻越大、強度越高。網布需整理后置于平板玻璃容器中，再在其上方放置一塊平板玻璃壓平。平板玻璃的有效使用尺寸為0.4米*0.4米到2.4米*2.4米之間，厚度為3mm～20mm之間。制造的膜厚度越薄使用的平板玻璃厚度也約薄。

所述步驟二中，使用的溶液為全氟質子交換溶液或含氟質子交換溶液或非氟質子交換溶液，效果較好的是全氟磺酸樹脂制成的質子交換溶液。其質量分數在1％～20％之間。溶液的質量分數越低制出的膜越平整，同時消耗的時間也越長，綜合考慮，最佳效果為3％～10％。使用的溶劑為、甲醇、乙醇、丙二醇、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、水中的一種或多種的混合物。溶液的用量為50ml～1000L，根據平板玻璃容器的尺寸來調整用量。

所述步驟三中，制膜的方法為使用微波或遠紅外線雙面輻射的方法對樹脂溶液和四氟乙烯增強網布進行加熱結晶。微波或遠紅外線輻射器的功率從1kW～50kW，加熱的溫度控制在120℃～150℃，加熱的時間為10分鐘～100分鐘。

雙面輻射使用微波或者遠紅外線對溶液進行雙面輻射，上下兩面互為補充，比單面加熱效率高，速度快，并且克服了單面輻射加熱不均勻而制得的膜厚度不均的缺陷。