本发明专利技术提供一种基于2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸质子交换膜及其制备方法，属于质子交换膜燃料电池领域。该制备方法是先通过溶液聚合法制备丙烯腈‑苯乙烯‑2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸三元共聚物；然后将丙烯腈‑苯乙烯‑2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸三元共聚物采用溶液流延法成膜，制得基于2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸质子交换膜。本发明专利技术还提供上述制备方法得到的2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸质子交换膜。本发明专利技术的质子交换膜尺寸稳定性良好，并具有良好的机械性能。
An 2- acrylamide -2- Methylpropane sulfonic acid proton exchange membrane and its preparation method
The invention provides a proton exchange membrane based on 2 acrylamide 2 Methylpropane sulfonic acid and a preparation method thereof, belonging to the field of proton exchange membrane fuel cell. The preparation method is to prepare acrylonitrile styrene 2 acrylamide 2 methylpropanesulfonic acid terpolymer by solution polymerization, and then the acrylonitrile styrene 2 acrylamide 2 methylpropanesulfonic acid terpolymer is formed by solution casting, and the film is prepared based on 2 acrylamide 2 methylpropanesulfonic acid terpolymer. Sub exchange membrane. The present invention also provides a proton exchange membrane of 2 acrylamide 2 Methylpropane sulfonic acid obtained by the above-mentioned preparation method. The proton exchange membrane of the invention has good dimensional stability and good mechanical properties.
【技术实现步骤摘要】
一种基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜及其制备方法
本专利技术涉及质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜及其制备方法。
技术介绍
燃料电池是一种清洁高效、低污染的发电装置，其核心部件是质子交换膜，近些年来是大家研究的热点。质子交换膜具有传导质子和将阴阳两极分开的双重功能，其性能直接影响到燃料电池的使用性能。目前国际上通用的质子交换膜是美国杜邦公司生产的全氟磺酸型质子交换膜如Nafion膜。这类膜材料具有传导质子性能好、稳定性高、寿命长等优点，但同时存在价格昂贵、高温易失水导致质子传导率下降及甲醇渗透性高等缺点。为寻找Nafion膜的替代品，人们研究制备出多种类型的聚合物膜，其中2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)是一种典型的含有磺酸基团的阴离子聚电解质，凭借其优异的质子传导性和聚合性能，被认为是最有前途的质子交换膜材料之一。但是，基于AMPS的质子交换膜存在易溶胀、机械性能差的缺点，因此需要与油溶性单体共聚改善其尺寸稳定性。丙烯腈是一种极性较高的单体，成膜性能优异，并且具有较好的机械强度，苯乙烯是一种综合性能较好的油溶性单体，它的引入可以有效地抑制因AMPS含量过高而引起的膜的过度溶胀，因此，通过结合三种单体的优点可制备出综合性能较为优异的质子交换膜材料，具有十分重要的应用价值和研究意义。制约质子交换膜发展的瓶颈在于研发具有高质子电导率的同时较好的机械性能。目前PAN膜主要用于有机溶剂脱水的渗透膜材料。由于PAN本身不具有质子传导能力，将其用于质子交换膜的研究主要集中于利用其优异的阻醇性能与其他具有质子传导能力的高聚物材料或无机材料混合制膜。这些膜的甲醇渗透系数与Nafion膜相比虽有一定的程度的降低，但质子电导率仍然偏低。而现有质子交换膜内部均是通过微相分离形成质子传输通道，由于膜内通过微相分离形成的离子簇是无规则分布的，这种无序结构难以形成连续有效的质子传输通道。长期以来，人们研究较多的是磺化聚芳香质子交换膜，但这些膜在使用过程中大多存在合成复杂及磺化度较高导致机械性能差等缺点。近年来，交联也成为一种有效提高膜材料氧化稳定性的方法，但交联后，这些膜材料韧性降低，且通常不溶解，难以重新加工，因此限制其广泛产业化应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的质子交换膜尺寸稳定性差和机械强度低的问题，而提供一种基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜及其制备方法。本专利技术首先提供一种基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜的制备方法，包括如下步骤：步骤一：首先通过溶液聚合法制备丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸三元共聚物；步骤二：将步骤一得到的丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸三元共聚物采用溶液流延法成膜，制得基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜。优选的是，步骤一具体包括：将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸放入反应容器内，加入溶剂溶解，然后加入丙烯腈和苯乙烯单体，升温至55-65℃，水浴加热，持续磁力搅拌，冷凝回流，最后加入引发剂反应6～10h，得到丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸三元共聚物。优选的是，所述的溶剂为二甲基亚砜。优选的是，所述的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯腈和苯乙烯的质量比为(0.33～1.33):2:1。优选的是，所述的引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)。优选的是，所述的丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸三元共聚物的粘度为54～80Pa·S。本专利技术还提供上述制备方法得到的基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜。本专利技术的有益效果本专利技术首先提供一种基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜的制备方法，该方法先通过AMPS、丙烯腈、苯乙烯三种单体的溶液聚合，得到丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸三元共聚物，由于丙烯腈是一种极性较高的单体，成膜性能优异，并且具有较好的机械强度，而苯乙烯是一种综合性能较好的油溶性单体，它的引入可以有效地抑制因AMPS含量过高而引起的膜的过度溶胀，保持膜的形态与尺寸稳定性，另一方面通过AMPS单体的聚合引入大量磺酸基团，从而获得较高的质子传导率，可有效地提高质子交换膜的综合性能。本专利技术还提供上述制备方法得到的基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜。实验结果表明：本专利技术质子交换膜的吸水率可以达到42％左右，质子交换膜的溶胀率可达到8.64％，证明膜的尺寸稳定性良好。当AMPS含量为50wt％时，质子交换膜的IEC达到1.92mmol/g。当80℃，膜的质子传导率达到1.35mS/cm,与纯PAN膜相比，提高五个数量级。附图说明图1为PAN和AN-St-AMPS质子交换膜的红外谱图。图2为PAN和AN-St-AMPS质子交换膜的吸水率曲线。图3为PAN和AN-St-AMPS质子交换膜的溶胀率曲线。图4为AN-St-AMPS质子交换膜的离子交换容量图。图5为PAN和AN-St-AMPS质子交换膜不同温度下的质子传导率图。具体实施方式本专利技术首先提供一种基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜的制备方法，包括如下步骤：步骤一：首先通过溶液聚合法制备丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AN-St-AMPS)三元共聚物；步骤二：将步骤一得到的丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸三元共聚物采用溶液流延法成膜，制得基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜。按照本专利技术，先溶液聚合法制备丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AN-St-AMPS)三元共聚物，具体为：将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸放入反应容器内，加入溶剂溶解，所述的溶剂没有特殊限制，优选为二甲基亚砜；然后加入丙烯腈和苯乙烯单体，升温至55-65℃，水浴加热，持续磁力搅拌，冷凝回流，最后加入引发剂反应6～10h，得到丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸三元共聚物。所述的引发剂优选为偶氮二异丁腈(AIBN)，加入量为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯腈和苯乙烯单体总质量的0.1％；所述的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯腈和苯乙烯的质量比优选为(0.33～1.33):2:1，更优选为(0.5～0.77):2:1。按照本专利技术，所述的丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸三元共聚物的粘度为54～80Pa·S。按照本专利技术，将得到的丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸三元共聚物采用溶液流延法成膜，然后置于干燥箱中干燥，制得基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜。所述的干燥温度优选为55-65℃，干燥时间优选为24-30h。本专利技术还提供上述制备方法得到的基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜。下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，实施例中涉及到的原料均为商购获得。对比例1将20g丙烯腈单体溶于80g有机溶剂二甲基亚砜中，加热搅拌使其溶解，然后加入AIBN引发反应，持续反应8h，即得聚丙烯腈聚合物。将得到的聚合物溶液在洁净干燥的玻璃板上流延成膜，置于60℃的真空干燥箱中干燥24h，揭下得到PAN膜。对比例2首先将2g2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸加入三口烧瓶中，加入80g二甲基亚砜，并将三口烧瓶置于油浴中，加热搅拌使其溶解，然后按比例加入12g丙本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：首先通过溶液聚合法制备丙烯腈‑苯乙烯‑2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸三元共聚物；步骤二：将步骤一得到的丙烯腈‑苯乙烯‑2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸三元共聚物采用溶液流延法成膜，制得基于2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸质子交换膜。
【技术特征摘要】
1.一种基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：首先通过溶液聚合法制备丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸三元共聚物；步骤二：将步骤一得到的丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸三元共聚物采用溶液流延法成膜，制得基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜。2.根据权利要求1所述的一种基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸质子交换膜的制备方法，其特征在于，步骤一具体包括：将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸放入反应容器内，加入溶剂溶解，然后加入丙烯腈和苯乙烯单体，升温至55-65℃，水浴加热，持续磁力搅拌，冷凝回流，最后加入引发剂反应6～10h，得到丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸三元共聚物。3.根据权利要求1所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙树林，吴洪秀，吕雪，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22
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