[發(fā)明專利]一種等離子體接枝制備堿性陰離子交換膜的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310755308.2
• 申請日: 2013-12-31
• 公開（公告）號: CN103724649A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡覺;張呈旭;孟月東;王祥科;倪國華
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院等離子體物理研究所
• 主分類號: C08J7/12
• 分類號: C08J7/12;C08J5/22;C08L51/08;C08L51/06;C08F283/00;C08F259/04;C08F255/02;C08F283/04;C08F226/02;H01M2/16;H01M8/02
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種陰離子交換膜的制備方法，具體涉及一種等離子體接枝制備堿性陰離子交換膜的方法。

背景技術(shù)

以質(zhì)子交換膜燃料電池為代表的聚合物電解質(zhì)燃料電池具有清潔、高效、低溫運行等特點，是一種極具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價值的燃料電池，然而，燃料電池所工作的酸性環(huán)境要求使用價格昂貴且資源匱乏的鉑等貴金屬作為催化劑，使電池成本大大增加?[R.?Borup，et?al.，Chem.?Rev.?107（2007）3904]。為了解決這一問題發(fā)展起來的堿性陰離子交換膜燃料電池采用堿性陰離子交換膜為電解質(zhì)，傳導(dǎo)氫氧根離子（OH^–）工作環(huán)境為堿性，無需使用鉑等貴金屬作為催化劑，且不容易發(fā)生催化劑的CO中毒，由于OH^–的傳導(dǎo)方向與燃料的滲透方向相反，電池燃料透過現(xiàn)象不嚴重?[C.?Coutanceau，et?al.，J.?Power?Sources?156（2006）14；J.R.?Varcoe，et?al.，F(xiàn)uel?Cells?5（2005）187；K.?Kordesch，et?al.，J.?Hydrogen?Energ.?13（1988）411]。堿性直接醇類燃料電池的核心是堿性陰離子交換膜（AAEM），它起到了傳導(dǎo)OH^–、隔絕電子、阻止燃料和氧化劑透過三重作用，它的性能將在很大程度上影響燃料電池的性能。

目前，堿性陰離子膜的制備方法主要有氯甲基化法和輻射接枝法。氯甲基化法利用氯甲基化反應(yīng)在聚合物骨架結(jié)構(gòu)上引入氯甲基基團，然后通過季銨化、堿化得到陰離子交換基團，氯甲基化反應(yīng)常需要使用劇毒致癌物質(zhì)氯甲醚?[T.?Xu,?et?al.,?J.?Membr.?Sci.?249（2005）183]。輻射接枝法通過在聚合物膜上接枝功能性單體，再經(jīng)季銨化、堿化處理獲得陰離子交換基團，可以避免使用氯甲醚。然而高的輻射能量容易引起聚合物基體結(jié)構(gòu)損壞，所以輻射接枝法只適用于采用全氟聚合物基體?[T.N.?Danks,?et?al.,?J.?Mater.?Chem.?13（2003）712]。同時，由于輻射能量隨穿透深度的增加而減弱，功能基團難以形成縱向均勻分布，影響OH^-離子傳輸。

采用聚合物粉體為基體，通過等離子體轟擊方式在聚合物粉體表面產(chǎn)生自由基，隨后自由基與氯甲基苯乙烯單體液相接枝在聚合物基體上引入功能性基團的方法制備陰離子交換膜，有利于膜內(nèi)功能基團均勻分布，同時等離子體轟擊較為溫和，不損傷聚合物基體?[J.?Hu,?J.?Power?Source?196?(2011)?4483]。然而，由于接枝法所使用的氯甲基苯乙烯和有機胺原料具有揮發(fā)刺激性，對反應(yīng)裝置的密封性及操作安全性要求較高；同時該方法步驟較多，操作繁雜，膜制備過程中還會產(chǎn)生大量氯甲基苯乙烯廢液和有機胺廢液，需要后期進一步處理，且造成原料的浪費。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明公開了一種堿性陰離子交換膜的制備方法。利用等離子體接枝方式在聚合物粉體表面直接引入芐基氯化銨功能基團（離子交換基團），成膜后浸泡于堿溶液中即制得堿性陰離子交換膜，本發(fā)明的制備方法工藝簡單，不產(chǎn)生廢液，環(huán)保。

為實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種等離子體接枝制備堿性陰離子交換膜的方法，其特征在于包括以下步驟：

??（1）將聚合物粉體置于等離子體放電區(qū)域，并不斷攪拌聚合物粉體；打開電源，產(chǎn)生等離子體放電，放電功率為50-250?W，等離子體放電處理10-60?min；

（2）將步驟（1）等離子體活化后的粉體置于乙烯基芐基氯化銨水溶液中，并升溫到40-60?℃，攪拌8-72?h，使乙烯基芐基氯化銨單體在粉體上接枝聚合，在聚合物粉體表面引入陰離子交換基團；

（3）將步驟（2）反應(yīng)結(jié)束制得的混合物離心、過濾，再用去離子水洗滌、烘干，將烘干的粉體溶于溶劑中，然后涂鑄成膜，制得陰離子交換膜；

（4）將制得的陰離子交換膜浸入1-2?mol/L?堿溶液中，浸泡時間10-60?h，然后將膜取出，用去離子水洗滌、浸泡，制得堿性陰離子交換膜。

所述的聚合物粉體選自聚醚砜、聚芳砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚氯乙烯、聚乙烯、聚酰亞胺中的一種或幾種混合，所述的聚合物粉體粒徑應(yīng)不大于200?μm。

所述的等離子體源選自氬氣等離子體源、氮氣等離子體源、氧氣等離子體源、氦氣等離子體源、氫氣等離子體源、水氣等離子體源、空氣等離子體源中的一種或多種混合。