[發(fā)明專利]一種纖維素納米纖維/磺化聚醚砜質(zhì)子交換膜及制備方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201710973802.4
• 申請日: 2017-10-19
• 公開（公告）號: CN108285643A
• 公開（公告）日: 2018-07-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐先林;李瑞;莊旭品;王航;李曉捷;董鋒;滕士英;晁貴群
• 申請（專利權(quán)）人: 天津工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C08L81/06
• 分類號: C08L81/06;C08L1/02;C08J5/22;D01F2/02;D01F2/08;H01M8/1027;H01M8/1041;H01M8/1069;H01M8/1011
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本發(fā)明提供了一種纖維素納米纖維/磺化聚醚砜質(zhì)子交換膜及制備方法，本發(fā)明的質(zhì)子交換膜材料采用以磺化聚醚砜作為基體材料，采用靜電輔助溶液噴射紡絲法制備纖維素納米纖維，將纖維素納米纖維嵌入基體材料中制得復(fù)合膜。為了克服磺化非氟烴類聚合物磺化度過高存在的高溶脹率，穩(wěn)定性較差的缺點(diǎn)，引入纖維素納米纖維提高了磺化聚醚砜膜材料的質(zhì)子傳導(dǎo)率，也保證了復(fù)合膜具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和良好的阻醇性能，羥基作為親水基團(tuán)的引入進(jìn)一步提高了親水性能，大量磺酸基團(tuán)的存在，同時也保證了質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳輸能力。本發(fā)明的質(zhì)子交換膜在80℃時的質(zhì)子傳導(dǎo)率為0.06～0.13S/cm，該質(zhì)子交換膜的厚度為85～120μm。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種纖維素納米纖維/磺化聚醚砜質(zhì)子交換膜及制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池(Fuel cell)是一種高效清潔的能源利用方式，能夠?qū)Υ嬖谌剂虾脱趸瘎┲械幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，能源轉(zhuǎn)換率高，具有高效、便捷、環(huán)保等優(yōu)勢。直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)以甲醇為燃料，具備低溫快速啟動、燃料潔凈環(huán)保以及電池結(jié)構(gòu)簡單等特性，廣泛應(yīng)用于生活各方面。

質(zhì)子交換膜(Proton Exchange Membrane，PEM)是直接甲醇燃料電池的核心部件之一，起著傳導(dǎo)質(zhì)子、隔絕燃料及電子的作用，它的性能優(yōu)劣直接影響燃料電池的性能。目前廣泛使用的以Nafion膜為代表的全氟磺酸膜存在制備工藝復(fù)雜、成本高、高溫性能下降等問題。質(zhì)子傳導(dǎo)率是衡量質(zhì)子交換膜性能的最重要參數(shù)之一，提高質(zhì)子傳導(dǎo)率是獲得高性能質(zhì)子交換膜燃料電池的有效手段。近年來，納米纖維改性質(zhì)子交換膜為改善質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率等性能提供了新的研究思路。利用質(zhì)子傳導(dǎo)納米纖維在可實現(xiàn)質(zhì)子載體沿納米纖維的徑向富集從而有利于形成長程有序質(zhì)子傳遞通道，或者加入親水性的物質(zhì)，提高復(fù)合膜的保水性，從而改善膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性能。

由于靜電紡納米纖維在膜結(jié)構(gòu)方面存在一定的限制，利用溶液浸漬法制備的靜電紡納米纖維復(fù)合膜，成膜基質(zhì)在纖維間隙容易造成填充不完全，且復(fù)合膜兩側(cè)表面不可避免生成不含納米纖維而質(zhì)子傳導(dǎo)能力弱的“傳遞壁壘層，從而影響質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對以上存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種纖維素納米纖維/磺化聚醚砜質(zhì)子交換膜及制備方法。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種纖維素納米纖維/磺化聚醚砜質(zhì)子交換膜及制備方法，包括以下步驟：

S1以醋酸纖維素為原料，采用溶液噴射紡絲法制備醋酸纖維素納米纖維，纖維直徑分布大約是50～1100nm；

S2在氫氧化鈉醇溶液中進(jìn)行水解反應(yīng)，得到纖維素納米纖維；

S3將磺化聚醚砜顆粒溶解在溶劑N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中制備分子量為30000～60000，磺化度為60～80％的磺化聚醚砜溶液；

S4將所述纖維素納米纖維采用溶液浸漬的方法浸入到磺化聚醚砜溶液中制備纖維素納米纖維/磺化聚醚砜質(zhì)子交換膜。

優(yōu)選的，將溶劑以體積比2∶1的比例均勻混合，配制成醋酸纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10～18％的紡絲溶液。

優(yōu)選的，反應(yīng)溶劑為丙酮，N，N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺，水，氯仿中的兩種，或其中幾種的混合溶劑。

優(yōu)選的，氫氧化鈉醇溶液的濃度為0.05～0.1mol/L。

優(yōu)選的，磺化聚醚砜溶液中磺化聚醚砜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10～20％。

優(yōu)選的，纖維素納米纖維的質(zhì)量為纖維素納米纖維/磺化聚醚砜質(zhì)子交換膜的1～30％，優(yōu)選的，所述步驟S4中的纖維素納米纖維的質(zhì)量為纖維素納米纖維/磺化聚醚砜質(zhì)子交換膜的2～20％。