【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及新型分离膜材料，尤其涉及一种高强度非对称有机-无机复合膜及其制备方法和应用。
技术介绍
1、氢能对实现碳达峰、碳中和目标具有重要战略意义。把加快氢能技术研发和示范应用，探索其在工业、交通运输等领域的拓展列为重点领域。我国氢能汽车产业，特别是乘用车、中型和大型商用车等氢能重卡领域，已进入飞速发展的阶段。膜增湿器是氢能重卡的关键部件之一，用以维持电池电堆的高温高湿工况。而作为其“芯片”的增湿膜，却面临着增湿效率低下、应用稳定性差和耐冲击强度不足等挑战，因而一定程度上限制了该领域的发展。
2、增湿膜结构的精密构筑是增湿膜实现高效性能的关键。已报道的增湿膜结构，多以聚合物为基质，通过在铸膜过程中引入有机改性剂、有机致孔剂等构建内外表面一致、跨膜结构对称的全有机增湿膜。全有机增湿膜虽具备良好的可放大性和较高的初始增湿性能，然而其孔道是由高分子链段瞬时堆叠而成，属热力学非平衡孔道，故在应用过程中易发生高分子链段塑化(与水蒸气长期作用的衰减)以及孔道的坍塌，导致难以满足氢燃料电池电堆的长期运行需求。将无机材料作为填充剂，对全有机增湿膜进行共混改性是强化增湿膜稳定性的一个途径，但却受无机填充剂与聚合物基质相容性差、无机填充剂易团聚等因素限制，导致膜结构不连续、膜存在大量缺陷等现象。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种高强度非对称有机-无机复合膜及其制备方法和应用，利用非溶剂致相分离(nips)技术和物理气相沉积(pvd)技术，以无机金属氧化
2、具体
技术实现思路
如下：
3、第一方面，本专利技术提供一种高强度非对称有机-无机复合膜，所述有机-无机复合膜由金属氧化物功能镀层、黏合过渡层和具有双层指状孔结构的中空纤维膜基质层组成；
4、其中，所述金属氧化物功能镀层位于所述中空纤维膜基质层的外表面，所述黏合过渡层位于所述金属氧化物功能镀层和所述中空纤维膜基质层的交界处；
5、构成所述金属氧化物功能镀层的材料为氧化钛、氧化锆、氧化硅、氧化铪、氧化锌和氧化铝中的一种或多种；
6、构成所述黏合过渡层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚甲基丙烯酸乙酯；构成所述中空纤维膜基质层的材料为聚砜类材料，包括聚砜、聚醚砜、聚苯砜、磺化聚砜、磺化聚醚砜和磺化聚苯砜中的一种或多种。
7、可选地，所述有机-无机复合膜的厚度为100～300μm，抗拉强度为8～10mpa；
8、所述金属氧化物功能镀层的厚度为10～800nm，粗糙度为20～50nm；
9、所述黏合过渡层的厚度为2～5nm；
10、所述指状孔结构的直径为300～350μm。
11、可选地，有机-无机复合膜的抗拉强度为7.8～8.6mpa；
12、所述有机-无机复合膜的水蒸气/空气选择性为1533～1796；
13、所述有机-无机复合膜的水蒸气渗透性为0.12～0.20g·min-1·cm-2·mpa-1。
14、可选地，所述聚砜类材料为聚苯砜；所述黏合过渡层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯；所述金属氧化物功能镀层的材料为氧化锆。
15、第二方面，本专利技术提供一种上述第一方面所述高强度非对称有机-无机复合膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
16、将组成黏合过渡层的材料和聚砜类材料均匀分散于第一有机溶剂中，得到铸膜液；将第二有机溶剂与水按照体积比为40～90％进行混合，得到芯液；
17、将所述芯液和所述铸膜液注入喷丝头，通过所述喷丝头将所述铸膜液挤出，经干程段后，浸入室温下的水凝固浴中固化成型，再在25～120℃下烘干1～72h，得到外表面含有黏合过渡层的中空纤维膜基质层；
18、将10～100g金属氧化物作为蒸发料，对所述外表面含有黏合过渡层的中空纤维膜基质层进行物理气相沉积，以使金属氧化物功能镀层沉积在所述外表面含有黏合过渡层的中空纤维膜基质层上，得到所述高强度非对称有机-无机复合膜。
19、可选地，所述第一有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二氯甲烷、四氯化碳和n-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。
20、可选地，所述第二有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二氯甲烷、四氯化碳和n-甲基吡咯烷酮中的任一种。
21、可选地，所述铸膜液中，所述组成黏合过渡层的材料的质量百分比为0.2～2％，所述聚砜类材料的质量百分比为12～30％。
22、可选地，所述物理气相沉积包括：将所述外表面含有黏合过渡层的中空纤维膜基质层转移至物理气相沉积炉的工作台中，再将10～100g金属氧化物作为蒸发料置于炉内熔池中进行沉积；所述沉积炉内的真空度为-103～-105kpa，沉积速率为所述工作台的旋转速度为1-20r/s。
23、第三方面，本专利技术提供一种上述第一方面所述高强度非对称有机-无机复合膜或上述第二方面所述制备方法制得的高强度非对称有机-无机复合膜在氢燃料电池膜增湿器中的应用。
24、与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
25、(1)本专利技术提供的一种高强度非对称有机-无机复合膜，该有机-无机复合膜以无机金属氧化物材料构建功能镀层，聚砜类材料形成的双层指状孔结构为中空纤维膜基质层，通过黏合过渡层将金属氧化物功能镀层与基质层紧密结合，增强其相互作用，得到高强度非对称有机-无机复合膜。其中，无机金属氧化物材料构建的金属氧化物功能镀层具有规整、刚性的通道结构，有较强的亲水性，可实现对水蒸气和空气分子进行精准的尺寸筛分，赋予膜高水蒸气/空气选择性；聚砜类材料形成的双层指状孔结构作为中空纤维膜基质层具有发达的微孔结构，可强化水蒸气分子的跨膜传输，赋予膜较高的水蒸气渗透性，以保证复合膜的水蒸气处理量；黏合过渡层可确保无机金属氧化物功能镀层与聚砜类中空纤维膜基质层的强相互作用，有效避免无机金属氧化物的脱落，赋予复合膜高应用稳定性。试验结果表明，该复合膜的抗拉强度达到8～10mpa，水蒸气/空气选择性大于1500，水蒸气渗透性达到0.12～0.20g·min-1·cm-2·mpa-1，且在应用200h后的水蒸气渗透性衰减低于10％。该复合膜具备优异的膜强度、水蒸气/空气选择性和水蒸气渗透性，能提升膜稳定性和膜增湿效率。所制备的高强度非对称有机-无机复合膜在燃料电池质子交换膜水管理过程的加湿应用场景中具有较强的竞争力。
26、本专利技术还提供一种高强度非对称有机-无机复合膜的制备方法，通过耦合非溶剂致相分离技术与物理气相沉积薄层技术，并调节纺丝铸膜的干程距离、喷丝头内外径、纺丝速度、芯液流速以及气相沉积的真空度、沉积速本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高强度非对称有机-无机复合膜，其特征在于，所述有机-无机复合膜由金属氧化物功能镀层、黏合过渡层和具有双层指状孔结构的中空纤维膜基质层组成；
2.根据权利要求1所述的有机-无机复合膜，其特征在于，所述有机-无机复合膜的厚度为100～300μm，抗拉强度为8～10MPa；
3.根据权利要求1所述的有机-无机复合膜，其特征在于，所述有机-无机复合膜的抗拉强度为7.8～8.6MPa；
4.根据权利要求1所述的有机-无机复合膜，其特征在于，所述聚砜类材料为聚苯砜；所述黏合过渡层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯；所述金属氧化物功能镀层的材料为氧化锆。
5.一种上述权利要求1～4任一项所述高强度非对称有机-无机复合膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二氯甲烷、四氯化碳和N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第二有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述铸膜液中，所述组成黏合过渡层的材料的质量百分比为0.2～2％，所述聚砜类材料的质量百分比为12～30％。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述物理气相沉积包括：将所述外表面含有黏合过渡层的中空纤维膜基质层转移至物理气相沉积炉的工作台中，再将10～100g金属氧化物作为蒸发料置于炉内熔池中进行沉积；所述沉积炉内的真空度为-103～-105kPa，沉积速率为所述工作台的旋转速度为1-20r/s。
10.权利要求1～4任一项所述高强度非对称有机-无机复合膜或权利要求5～9任一项所述制备方法制得的高强度非对称有机-无机复合膜在氢燃料电池膜增湿器中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种高强度非对称有机-无机复合膜，其特征在于，所述有机-无机复合膜由金属氧化物功能镀层、黏合过渡层和具有双层指状孔结构的中空纤维膜基质层组成；
2.根据权利要求1所述的有机-无机复合膜，其特征在于，所述有机-无机复合膜的厚度为100～300μm，抗拉强度为8～10mpa；
3.根据权利要求1所述的有机-无机复合膜，其特征在于，所述有机-无机复合膜的抗拉强度为7.8～8.6mpa；
4.根据权利要求1所述的有机-无机复合膜，其特征在于，所述聚砜类材料为聚苯砜；所述黏合过渡层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯；所述金属氧化物功能镀层的材料为氧化锆。
5.一种上述权利要求1～4任一项所述高强度非对称有机-无机复合膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二氯甲烷、四氯化碳和n-...
【专利技术属性】
技术研发人员：李文良，王洪建，刘玉柱，彭程，王海霞，宋阳阳，姚国成，
申请(专利权)人：有研资源环境技术研究院北京有限公司，
类型：发明
国别省市：
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