【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池的质子交换膜领域，涉及一种质子交换膜，尤其涉及一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备及应用。
技术介绍
1、随着科技的不断进步和世界人口的持续增加，环境污染、能源危机与经济发展之间的矛盾日益严重，人类社会所面临着的可持续发展难题也将日益严峻。有国际上的能源专家预言世界能源总消耗量至少将会在接下来的年时间内增长一倍，为有效防止能源短缺的进一步加重甚至枯竭，一种能够维持社会资源可持续发展的清洁、高效的新能源的研究和开发将成为等待解决的问题之一。而全氟质子膜所具有的优良的电化学以及热稳定等性能，使它被广泛应用于的膜电极材料、电吸附脱盐海水淡化领域、氯碱工业的隔膜材料以及电解水制氢装置的核心材料，特别是世纪逐渐被认为是氢能的世纪，而对于全氟磺酸质子膜应用于电解水器制氢技术的研究也将对氢能的开发利用起到积极的推动作用。因此，随着社会对新能源的迫切需求，质子膜也受到世界各国研究人员的密切关注，质子交换膜材料的开发与应用研究将具有十分重要的意义。
2、全氟磺酸膜的主体材料是由美国的du pont公司研制成功的全氟磺酸树脂，它是一种化学稳定性极高的高聚物，以聚四氟乙烯（ptfe）为主链，侧链是端基为磺酸基团的全氟乙烯基醚结构，磺酸基团通过大量疏水性聚合物形成离子通道。全氟磺酸树脂主链提供了成膜后的机械强度，而侧链磺酸根的数量提供了离子交换能力的大小即膜的电学性能导电率的高低。因此，全氟磺酸离子交换膜具有较高的力学强度、优良的热稳定性和化学稳定性，因而被广泛应用于质子交换膜燃料电池、储能用液流电池、多种电解制备装置(包
3、为了提高全氟磺酸质子交换膜的电学性能，本专利技术从分子结构角度设计了六亚甲基四胺改性的炭气凝胶新型多孔网络状炭材料，并添加到全氟磺酸制膜液中，提高了膜的化学稳定性和机械强度。这种新型结构的质子交换膜以聚四氟乙烯编织网布作为增强基布，与引入炭气凝胶改性后的全氟磺酸树脂溶液流延覆合在一起，成功制备出的薄款增强型全氟磺酸复合膜。该复合膜具有极高的机械强度，极低的面电阻和极小的溶胀率，因此适用于超高压环境中，即使在强酸强碱中也可以长时间稳定使用。
技术实现思路
1、针对以上问题，本专利技术提供了一种改性全氟磺酸质子交换膜，具体制备步骤如下：
2、s1、称取5-10g浓度为5-20%的市售全氟磺酸树脂溶液在烧杯中，然后将全氟磺酸树脂溶液与有机溶剂三乙醇胺以1:5比例混合，将混合溶液边加热边搅拌缓缓浓缩蒸发，直到配成树脂质量分数为10-25％的磺酸树脂溶液，然后停止加热。将所得到的浓缩溶液在磁力搅拌器下充分搅拌使其混合均匀，然后在30-80℃条件下静置消泡25-50min得到制膜液。该步骤中用到的三乙醇胺有机溶剂可以与全氟磺酸树脂溶液发生氢键作用，促进溶液更好的溶解，同时，三乙醇胺分子中含有羟基，可以起到抗氧化和提高稳定性的作用，能够有效的增强全氟磺酸质子膜的稳定性，延长使用寿命。
3、s2、称取炭气凝胶3.5-6.5g，量取浓度5mol/l的六亚甲基四胺溶液20-40ml，将炭气凝胶与六亚甲基四胺溶液依次加入到容器中进行超声处理30-50min，使其混合均匀，将所得混合物置于微波炉中，于750-800w功率下辐照5-8s，然后自然冷却至室温，得黑色悬浊液对其反复抽滤、清洗，直至滤液的ph不变，将固体分离物烘干，即得到改性的炭气凝胶。该步骤中加入的六亚甲基四胺可以提高炭气凝胶表面含氧官能团数，改善其在水溶液中的分散性。
4、s3、在步骤s1中的制膜液中加入3-6g步骤s2中改性的中孔炭气凝胶，在超声20min使其混合均匀，静置消泡20-30min，使溶液中无气泡，制得添加量为2-5％的炭气凝胶改性的全氟磺酸制膜液。该步骤中加入的六亚甲基四胺改性炭气凝胶是一种新型多孔网络状炭材料，全氟磺酸树脂可以填充在这种多孔结构中，提高了增强复合膜的机械强度，降低了膜的溶胀率，增加了气体在透过膜通道中的路径，可以在一定程度上降低膜的氢气透过率。
5、s4、将网格密度为1-20格/cm2的聚四氟乙烯网布平放在玻璃板上，取适量步骤s3中配好的制膜液均匀涂布在表面平整的网布上，然后放入真空干燥箱，在60-80℃下恒温干燥5h使之成膜，自然冷却后放入去离子水中30-40min脱膜即可。该步骤中聚四氟乙烯的网格密度很大程度上影响了复合膜的电导率和机械强度，选取6格/cm2的网布在保证膜具有较高的机械强度的同时，也具有较低膜电阻，因此复合膜具有较好的电学性能。
6、s5、所有测试前膜需要进行活化预处理，具体处理方法如下：将制好的全氟磺酸膜在40-80℃水浴条件下，用1-5％的h2o2溶液浸泡20-30min去除膜中残留的有机杂质，之后用去离子水反复清洗至中性，再用0.1-1.0mol/l的h2so4溶液浸泡20-30min进行活化处理，最后用去离子水反复清洗至中性，即获得网布增强型的改性全氟磺酸质子交换膜，留待测试使用。该步骤对制好的全氟磺酸膜进行活化预处理，主要去除膜中的有机杂质残留，提高膜的化学活性。优选地：所述步骤s1中称取6g树脂含量在 15%的全氟磺酸树脂溶液与有机溶剂三乙醇胺以1:5比例混合，将混合溶液边加热边搅拌缓缓浓缩蒸发，配成质量分数为25％的树脂溶液。
7、优选地：所述步骤s1中将配好的磺酸溶液在磁力搅拌器下充分搅拌，混合均匀，在50℃条件下静置35min，使溶液流动性最好。
8、优选地：所述步骤s2中称取炭气凝胶4g，量取浓度5mol/l的六亚甲基四胺溶液30ml，将炭气凝胶与六亚甲基四胺溶液加入到容器中进行超声处理45min，使其混合均匀。
9、优选地：所述步骤s3中在步骤s1中制好的膜溶液中加入4g六亚甲基四胺改性的中孔炭气凝胶。
10、优选地：所述步骤s3加入炭气凝胶后在超声清洗器中使其混合均匀，静置25min使溶液中无气泡。
11、优选地：所述步骤s3制得添加量为2％的炭气凝胶改性的全氟磺酸制膜液。
12、优选地：所述步骤s4中将网格密度为5-10格/cm2的聚四氟乙烯网布平放在玻璃板上，倒上步骤s2中配好的刮膜液进行刮膜，然后放入烘箱，在70℃下恒温使之成膜。
13、优选地：所述步骤s4中制得的膜后进行二次高温干燥热处理以提高膜的机械强度，热处理条件是：真空干燥箱温度设定 100-160℃处理2h以上，使膜内残留的少量溶剂彻底挥发，得到高强度增强型复合膜。再让其自然冷却后放入去离子水中35min。
14、优选地：将制好的全氟磺酸膜在75℃水浴条件下，用4％的h2o2溶液浸泡25min，去除膜中有机杂质，用去离子水洗至中性，再用0.6mol/l的h2so4溶液浸泡25min，去除无机杂质，用去离子水洗至中性，即获得网布增强型的改性全氟磺酸质子交换膜，留待测试。
15、另一方面，改性全氟磺酸质子交换膜的制备制得改性全氟磺酸质子交换膜在燃料电池上的应用本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备，其特征在于，具体制备步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备，其特征在于：所述步骤S1中称取6g树脂含量在 15%的全氟磺酸树脂溶液与有机溶剂三乙醇胺以1:5比例混合，将混合溶液边加热边搅拌缓缓浓缩蒸发，配成质量分数为10％-25％的全氟磺酸树脂溶液。
3.根据权利要求2所述的一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备，其特征在于：所述步骤S1中将配好的磺酸溶液在磁力搅拌器下充分搅拌使其混合均匀，在50℃条件下静置35min消泡。
4.根据权利要求3所述的一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备，其特征在于：所述步骤S2中称取炭气凝胶4g，量取浓度5mol/L的六亚甲基四胺溶液30ml，将炭气凝胶与六亚甲基四胺溶液加入到容器中进行超声处理45min，使其混合均匀。
5.根据权利要求4所述的一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备，其特征在于：所述步骤S3中在步骤S1中制好的膜溶液中加入4g六亚甲基四胺改性的中孔炭气凝胶。
6.根据权利要求4所述的一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备，其
7.根据权利要求4所述的一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备，其特征在于：所述步骤S3制得添加量为2％的炭气凝胶改性的全氟磺酸制膜液。
8.根据权利要求7所述的一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备，其特征在于：所述步骤S4中将网格密度为1-20格/cm2的聚四氟乙烯网布平放在玻璃板上，取适量步骤S3中配好的制膜液均匀涂布在表面平整的网布上，然后放入真空干燥箱，在70℃下干燥4h，即获得厚度相对比较均匀的改性增强型复合膜。
9.根据权利要求8所述的一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备，其特征在于：所述步骤S4中制得的膜后进行二次高温干燥热处理以提高膜的机械强度，热处理条件是，真空干燥箱温度设定 100-160℃处理2h以上，使膜内残留的少量溶剂彻底挥发，得到高强度增强型复合膜。
10.一种权利要求1所述改性全氟磺酸质子交换膜的制备制得改性全氟磺酸质子交换膜在燃料电池上的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备，其特征在于，具体制备步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备，其特征在于：所述步骤s1中称取6g树脂含量在 15%的全氟磺酸树脂溶液与有机溶剂三乙醇胺以1:5比例混合，将混合溶液边加热边搅拌缓缓浓缩蒸发，配成质量分数为10％-25％的全氟磺酸树脂溶液。
3.根据权利要求2所述的一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备，其特征在于：所述步骤s1中将配好的磺酸溶液在磁力搅拌器下充分搅拌使其混合均匀，在50℃条件下静置35min消泡。
4.根据权利要求3所述的一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备，其特征在于：所述步骤s2中称取炭气凝胶4g，量取浓度5mol/l的六亚甲基四胺溶液30ml，将炭气凝胶与六亚甲基四胺溶液加入到容器中进行超声处理45min，使其混合均匀。
5.根据权利要求4所述的一种改性全氟磺酸质子交换膜的制备，其特征在于：所述步骤s3中在步骤s1中制好的膜溶液中加入4g六亚甲基四胺改性的中孔炭气凝胶。
6.根据权利要求4所述的一...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨大伟，高启秀，曹朋飞，
申请(专利权)人：苏州科润新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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