[發明專利]主鏈與離子交換基團分離的離子交換膜及其制備和應用

有效

• 申請號: 201610493534.1
• 申請日: 2016-06-29
• 公開（公告）號: CN107546399B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 李先鋒;張華民;袁治章;趙于月;魯文靜;戴卿
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/0243
• 分類號: H01M8/0243
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

1.主鏈與離子交換基團分離的離子交換膜，其特征在于：所述離子交換膜是以由有機高分子樹脂、有機顆粒和無機顆粒共混于有機溶劑中形成溶液，經過相轉化法固化成膜后，將膜置于非溶劑中制備得到主鏈與離子交換基團分離的離子交換膜；

所述主鏈與離子交換基團分離的離子交換膜采用如下步驟制備：

（1）將有機高分子樹脂、有機顆粒和無機顆粒溶解在有機溶劑中，在溫度為10～80℃下充分攪拌2～48 h制成共混溶液；其中有機高分子樹脂濃度為10～60 wt%之間；有機顆粒和無機顆粒濃度為高分子樹脂含量的10～50 wt%；

（2）將步驟（1）制備的共混溶液傾倒在無紡布基底或直接傾倒在玻璃板上，揮發溶劑0～60秒，然后在40～150 ℃溫度下加熱蒸干溶劑制備成膜；膜的厚度在20～300 μm之間；

（3）將步驟（2）制備的膜在0-60℃下置于非溶劑中反應0.1-12h，使其中的有機顆粒和無機顆粒反應生成不溶于非溶劑的離子交換基團；

（4）取出步驟（3）中所得到的膜浸于去離子水中，靜置24 h以上；最終制備出主鏈與離子交換基團分離的離子交換膜；

所述的有機高分子樹脂為聚醚砜、聚砜、聚酰亞胺、聚醚酮類、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯并咪唑或聚乙烯吡啶中的一種或二種以上；有機顆粒為咪唑、甲基咪唑、聯吡啶、聚乙烯吡咯烷酮中的一種或二種以上；無機顆粒為磷鎢酸、磷鎢酸鹽中的一種或二種混合物；

非溶劑為0.1-3 mol L^-1的硫酸溶液、0.01-3 mol L^-1的鹽酸溶液，0.01-3 mol L^-1的醋酸溶液或0.01-4 mol L^-1磷酸溶液中的一種或二種以上。

2.根據權利要求1所述的主鏈與離子交換基團分離的離子交換膜，其特征在于：所述的有機高分子樹脂為聚醚砜、聚砜、聚酰亞胺、聚醚酮類、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯并咪唑或聚乙烯吡啶中的一種或二種以上；有機顆粒為咪唑、甲基咪唑、聯吡啶、聚乙烯吡咯烷酮中的一種或二種以上；無機顆粒為磷鎢酸、磷鎢酸鹽中的一種或二種混合物。

3. 根據權利要求1或2所述的主鏈與離子交換基團分離的離子交換膜，其特征在于：有機溶劑中有機高分子樹脂濃度為10～40 wt%之間，有機和無機小分子顆粒濃度為有機高分子樹脂含量的10～50 wt%；有機顆粒和無機顆粒的質量比為0.1～10；所述有機溶劑為二甲基亞砜（DMSO）、N,N’-二甲基乙酰胺（DMAC）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、N,N’-二甲基甲酰胺（DMF）、四氫呋喃（THF）中的一種或二種以上。

4.一種權利要求1-3任一所述的主鏈與離子交換基團分離的離子交換膜的制備方法，其特征在于：

所述主鏈與離子交換基團分離的離子交換膜采用如下步驟制備：

（1）將有機高分子樹脂、有機顆粒和無機顆粒溶解在有機溶劑中，在溫度為10～80℃下充分攪拌2～48 h制成共混溶液；其中有機高分子樹脂濃度為10～60 wt%之間；有機顆粒和無機顆粒濃度為高分子樹脂含量的10～50 wt%；

（2）將步驟（1）制備的共混溶液傾倒在無紡布基底或直接傾倒在玻璃板上，揮發溶劑0～60秒，然后在40～150 ℃溫度下加熱蒸干溶劑制備成膜；膜的厚度在20～300 μm之間；

（3）將步驟（2）制備的膜在0-60℃下置于非溶劑中反應0.1-12h，使其中的有機顆粒和無機顆粒反應生成不溶于非溶劑的離子交換基團；

（4）取出步驟（3）中所得到的膜浸于去離子水中，靜置24 h以上；最終制備出主鏈與離子交換基團分離的離子交換膜；

所述的有機高分子樹脂為聚醚砜、聚砜、聚酰亞胺、聚醚酮類、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯并咪唑或聚乙烯吡啶中的一種或二種以上；有機顆粒為咪唑、甲基咪唑、聯吡啶、聚乙烯吡咯烷酮中的一種或二種以上；無機顆粒為磷鎢酸、磷鎢酸鹽中的一種或二種混合物；

非溶劑為0.1-3 mol L^-1的硫酸溶液、0.01-3 mol L^-1的鹽酸溶液，0.01-3 mol L^-1的醋酸溶液或0.01-4 mol L^-1磷酸溶液中的一種或二種以上。