一种基于磺酸基甜菜碱的离子交换膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及离子交换膜领域，公开了一种基于磺酸基甜菜碱的离子交换膜及其制备方法和应用：

【技术实现步骤摘要】
一种基于磺酸基甜菜碱的离子交换膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及离子交换膜领域，特别是一种基于磺酸基甜菜碱的离子交换膜及其制备方法和应用，适合于液流电池用离子交换膜，尤其是钒电池用离子交换膜
。

技术介绍

[0002]目前全钒液流储能电池用离子交换膜主要是使用美国杜邦公司生产的
Nafion
系列全氟磺酸阳离子交换膜，这种膜具有较高的阳离子传导率，但是这种膜最初主要为应用于氯碱工业而设计开发，并非为全钒液流储能电池而开发设计，因此在本领域应用有一定的局限性，比如离子选择性较差，阻钒性能不佳，钒电池效率不高等劣势
。
这是由于
Nafion
膜或其他阳离子交换膜在传导质子的同时，也能在一定程度上传导带正电的钒离子，使得阳离子交换膜的阻钒性能较差
。
因此，制备一种适用于液流电池体系的具有较高性能的离子交换膜是本领域研究人员研究的重点方向之一
。

技术实现思路

[0003]为弥补现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于磺酸基甜菜碱的离子交换膜及其制备方法和应用，这种方法的合成原料价格便宜且合成路线成熟，制备工艺相对简单，条件温和，同时又可以保证离子交换膜的质子传导率和阻钒能力
。
[0004]本专利技术的专利技术点是：通过使用具有两性离子结构的磺酸基甜菜碱类单体与带有磺酸基团的2‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸单体组合搭配，即相当于在保证阳离子交换能力的基础上，引入带有部分排斥阳离子的季铵基团，可以在一定程度上减少钒迁移的现象，因此，磺酸基甜菜碱类单体与带有磺酸基团的2‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸单体之间的比例选择是本专利技术技术方案十分重要的部分，与此同时，交联剂三聚氰酸三烯丙酯的加入使线性分子聚合成交联的空间网络结构，增加了分子结构的空间稳定性，提高了膜的机械强度
。
[0005]本专利技术技术方案如下：
[0006]一种基于磺酸基甜菜碱的离子交换膜的制备方法，包含以下步骤：
[0007](1)
使用磺酸基甜菜碱基单体和2‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸作为单体在偶氮类热分解型引发剂的作用下，在惰性气体氛围中通过溶液聚合方法进行预聚合，得到预聚体溶液；
[0008](2)
在惰性气体氛围中向预聚体溶液加入交联剂三聚氰酸三烯丙酯，将其倒入光滑的水平槽中后，进行原位交联聚合反应，直至反应结束；
[0009](3)
蒸发体系中的溶剂，依次用
0.5
‑
1mol/L
稀硫酸和去离子水洗涤至洗涤液
pH
值呈中性，常温自然晾干，得本专利技术所述离子交换膜
。
[0010]进一步的，所述步骤
(1)
中磺酸基甜菜碱单体具有如式
I
所示的分子结构：
[0011][0012][0013]其中，
m
和
n
均为对应链段上亚甲基的重复单元数，
2≤m≤5
，
2≤n≤5
；
[0014]在此值得说明的是，本专利技术中所述磺酸基甜菜碱基单体为常见单体，具体结构可参考文献“Phosphorylcholine
‑
containing polymers forbiomedical applications,Anal.Bioanal.Chem.2005,381,534
‑
546”中的方法或其他方法合成，在此不赘述
。
[0015]所述步骤
(1)
中磺酸基甜菜碱基单体与2‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸单体的摩尔比为
(0.5
‑
5):1
；交联剂三聚氰酸三烯丙酯的摩尔量与磺酸基甜菜碱基单体和2‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸单体的总摩尔量之比为
1:20。
[0016]进一步的，步骤
(1)
中所述偶氮类热分解型引发剂为偶氮二异丁腈
、
偶氮二异庚腈等，在本专利技术中不做具体限定
。
[0017]进一步的，所述的步骤
(1)
和步骤
(2)
中惰性气体为高纯氮气或氩气等不参与化学反应的气体，在本专利技术中不做具体限定
。
[0018]进一步的，步骤
(2)
中所述原位交联聚合反应的反应温度为偶氮类热分解型引发剂分解温度以上5‑
10℃
，在此未作限定，如偶氮二异丁腈分解温度为
65℃
，则反应温度可设置为
70
‑
75℃。
[0019]值得说明的是，步骤
(2)
中所述原位交联聚合反应结束是通过反应后的双键残余量按照＜1％来判断
。
[0020]所述双键氢残余量的检测方法：准确称取磺酸基甜菜碱基单体与2‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸单体总质量的十分之一的
1,3,5
‑
三噁烷固体，
1,3,5
‑
三噁烷固体作为内标，不参与聚合反应，加入所述反应前的溶液中，搅拌均匀，充分溶解后，取一滴反应液滴加到
0.6mL d
‑
DMSO
中做1H NMR
核磁测试；反应结束后，再取一滴反应液，同样方法进行1H NMR
核磁测试
。
由于反应前后内标
1,3,5
‑
三噁烷摩尔量保持不变，而双键氢含量在降低，通过比较反应前和反应后的双键质子吸收峰的积分面积，计算双键氢残余量
。
反应结束判断亦可以采用其他方法，仅代表体系中单体完全参与反应，在此不做限定
。
[0021]进一步的，步骤
(3)
中所述蒸发体系中的溶剂的温度为
100
‑
150℃
，可根据实际使用的溶剂进行蒸发温度的选择
。
[0022]本专利技术的另一个目的是保护上述方法制备的基于磺酸基甜菜碱的离子交换膜
。
[0023]本专利技术第三个目的是请求保护所述的基于磺酸基甜菜碱的离子交换膜的应用，可以应用在所有钒液流电池体系，理论上也可以用在其他液流电池体系，在钒液流电池储能中提高阻钒效率，提高电池性能
。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0025](1)
本专利技术提供了一种全新的基于磺酸基甜菜碱的离子交换膜及其制备方法，合
成原料价格便宜且合成路线成熟，制备工艺相对简单，条件温和，同时又可以保证离子交换膜的质子传导率和阻钒能力；
[0026](2)
本专利技术所制备的基于磺酸基甜菜碱的离子交换膜较传统的阳离子交换本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于磺酸基甜菜碱的离子交换膜的制备方法，其特征是，包含以下步骤：
(1)
使用磺酸基甜菜碱基单体和2‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸作为单体在偶氮类热分解型引发剂的作用下，在惰性气体氛围中通过溶液聚合方法进行预聚合，得到预聚体溶液；
(2)
在惰性气体氛围中向预聚体溶液加入交联剂三聚氰酸三烯丙酯，将其倒入光滑的水平槽中后，进行原位交联聚合反应，直至反应结束；
(3)
蒸发体系中的溶剂，依次用
0.5
‑
1mol/L
稀硫酸和去离子水洗涤至洗涤液
pH
值呈中性，常温自然晾干
。2.
根据权利要求1所述的基于磺酸基甜菜碱的离子交换膜的制备方法，其特征是，所述步骤
(1)
中磺酸基甜菜碱单体具有如式
I
所示的分子结构：其中，
m
和
n
均为对应链段上亚甲基的重复单元数，
2≤m≤5
，
2≤n≤5。3.
根据权利要求1所述的基于磺酸基甜菜碱的离子交换膜的制备方法，其特征是，所述步骤
(1)
中磺酸基甜菜碱基单体与2‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸单体的摩尔比为
(0.5
‑
5):1
；三聚氰酸三烯丙酯的摩尔量与磺酸基甜菜碱基单体和2‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李全龙，仇进国，刘宗浩，王世宇，倪胜蓝，陶媛媛，
申请(专利权)人：大连融科储能技术发展有限公司，
类型：发明
国别省市：