[發明專利]氧化石墨烯交聯聚酰亞胺半互穿網絡型復合膜及其制備

有效

• 申請號: 201710264556.5
• 申請日: 2017-04-21
• 公開（公告）號: CN107082996B
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: 潘海燕;常志宏;金明;萬德成
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C08L27/18
• 分類號: C08L27/18;C08L79/08;C08K9/00;C08K3/04;C08J5/18;C08J3/24;C08G73/10;H01M8/1039;H01M8/1051;H01M8/1081
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙志遠

本發明涉及氧化石墨烯交聯聚酰亞胺半互穿網絡型復合膜及其制備，所述的復合膜由包括以下重量份含量的組分制備而成：氨基封端的聚酰亞胺1份、全氟磺酸樹脂膜0.2?9份、氧化石墨烯0.005?0.05份以及有機溶劑20?100份；所述的氨基封端的聚酰亞胺包括以下組分及摩爾份含量：二酐1份、二胺1?1.3份以及催化劑0.8?1.2份。與現有技術相比，本發明氧化石墨烯交聯聚酰亞胺半互穿網絡型復合膜較傳統的全氟磺酸膜相比，力學強度高，尺寸穩定性好，制備工藝可控性好，原料來源廣泛，工藝條件溫和，可有效節約生產成本，具有很好的應用前景。

技術領域

本發明屬于功能高分子材料和電化學技術領域，涉及一種氧化石墨烯交聯聚酰亞胺半互穿網絡型復合膜及其制備。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFCs)是以質子交換膜為電解質的燃料電池，是五種燃料電池中的一種。它是目前世界上最成熟的一種能使氫氣與空氣中的氧氣發生化學反應，生成水并能釋放出電能的技術，具有能量效率高、排放低、環境友好等優點。作為燃料電池的核心，電解質的性質直接關系到燃料電池的發電效率、使用壽命等關鍵性能。而質子交換膜(PEM)的質子傳導率、力學性能、尺寸穩定性對PEMFC的性能則有直接的影響。目前，全氟型質子交換膜(如)是市場上質子交換膜的主體，但是其價格的昂貴、機械強度和尺寸穩定性差以及燃料滲透率高等缺點限制了它的廣泛應用。

聚酰亞胺具有優越的熱、化學和機械穩定性以及低的氣體滲透性，在微電子、膜分離等許多工業領域已經得到了廣泛的關注，而這些優點也是在質子交換膜燃料電池中期待得到的。與無機摻雜材料不同，氧化石墨烯(GO)具有兩親性，與有機膜具有較好的相容性；同時，其還具有超高的比表面積、良好的電子絕緣性以及柔韌性，可有效地提高質子膜的化學、熱及機械穩定性；而且由于氧化石墨烯中—O—，—OH及—COOH等親水基團能吸引質子，它對質子傳輸顯示出超導性，對質子傳輸有促進作用。因此，在質子交換膜中引入氧化石墨烯，不僅能提高質子膜的耐化學分解、耐熱性，降低膜的燃料滲透性外，還能大幅提高質子膜的質子傳導率。

申請號為201610053388.0的中國專利公開了一種低介電常數增強氧化石墨烯/聚酰亞胺復合膜的制備方法，該制備方法是在濕度低于50％、室溫、機械攪拌和氮氣氣氛中，將芳香族二胺溶于極性有機溶劑中，加入由同一種極性有機溶劑配制的超支化聚酯‐氧化石墨烯溶液，得到超支化聚酯‐氧化石墨烯/二胺溶液；加入芳香族二酐，攪拌得到氧化石墨烯/聚酰胺酸溶液；均勻涂抹于潔凈玻璃片上，放置于真空干燥箱中，消除氣泡，程序升溫和保溫，冷卻至室溫，脫膜，真空干燥。上述專利技術中聚酰亞胺是通過兩步法合成，且與氧化石墨烯原位制備復合膜。不同于上述專利，本發明中的聚酰亞胺是通過一步法預先合成，在成膜過程中加入氧化石墨烯為交聯劑，氧化石墨烯中的活性基團可以與聚酰亞胺中的氨基以及咪唑基發生反應，并與全氟磺酸樹脂形成含半互穿網絡結構的增強型復合質子交換膜材料。制得的膜材料具有優異的力學性能、熱穩定性和質子傳導率，有望應用到質子交換膜燃料電池中。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種力學強度高，尺寸穩定性好，質子傳導率高的氧化石墨烯交聯聚酰亞胺半互穿網絡型復合膜。

本發明的另一個目的就是提供上述氧化石墨烯交聯聚酰亞胺半互穿網絡型復合膜的制備方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

氧化石墨烯交聯聚酰亞胺半互穿網絡型復合膜，該復合膜由包括以下重量份含量的組分制備而成：氨基封端的聚酰亞胺1份、全氟磺酸樹脂膜0.2-9份、氧化石墨烯0.005-0.05份以及有機溶劑20-100份。

所述的氨基封端的聚酰亞胺包括以下組分及摩爾份含量：二酐1份、二胺1-1.3份以及催化劑0.8-1.2份。

作為優選的技術方案，所述的氨基封端的聚酰亞胺中氨基的摩爾含量為5％-60％。