一种具有离子交换功能的含氟离聚物复合材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供一种复合材料，该复合材料由一种或多种离子交换树脂和含氟聚合物纤维构成，其特点是纤维与成膜树脂将形成三嗪环交联结构，从而使该复合材料制备的膜具有优异的气密性和稳定性，同时还具有高离子交换能力和高电导率。本发明专利技术还提供该复合材料制备方法和该复合材料制备的产品及其用途。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功能高分子复合材料领域，涉及一种功能基团接枝的纤维和离子交换树脂复合的全氟离子交换复合材料。 
技术介绍
质子交换膜燃料电池是一种通过电化学方式直接将化学能转化为电能的发电装置，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)是质子交换膜燃料电池(proton exchangemembrane fuel cell，PEMFC)的关键材料。 现在所使用全氟磺酸质子交换膜在较低温度下(80℃)和较高的湿度下具有良好的质子传导性和化学稳定性。但是，它们也有很多的不足，如尺寸稳定性差，机械强度不高，化学稳定性差等。膜在不同的湿度下吸水率和因吸水而导致的尺寸膨胀不同，当膜在不同工况下变换时，膜的尺寸也将因此发生变化。如此反复最终导致质子交换膜的机械破损。此外，燃料电池的正极反应常常产生大量的氢氧自由基和过氧化氢等具有强氧化性的物质，这些物质会进攻成膜树脂分子上非氟基团，导致膜的化学降解和破损、起泡。最后，当全氟磺酸交换膜的工作温度高于90℃时，由于膜的迅速失水导致膜的质子传导性急剧下降，从而使燃料电池的效率大大下降。但高的工作温度可以大大提高燃料电池催化剂的耐一氧化碳性。还有就是现有的全氟磺酸膜都有一定的氢气或甲醇渗透性，尤其是在直接甲醇燃料电池中，甲醇渗透率十分大，成为致命的问题。因此，如何提高全氟磺酸质子交换膜的强度、尺寸稳定性及高温下的质子传导效率，降低工作介质的渗透性等是燃料电池工业所面临的重大课题。 目前人们已经提出了一些方法来解决这些问题。如日本专利JP-B-5-75835采用全氟磺酸树脂浸渍聚四氟乙烯(PTFE)制成的多孔介质来增强膜的强度。然而，这种PTFE的多孔介质由于PTFE材料相对较软，增 强作用不充分，仍未能解决上述问题。W.L.Gore公司开发的Gore-Select系列复合膜液采用多孔特氟隆填充Nafion离子导电液的方法(US5547551，US5635041，US5599614)，这种膜具有高的质子导电性和较大的尺寸稳定性，但在高温下特氟隆蠕变很大，导致性能下降。日本专利JP-B-7-68377还提出过一种方法，用质子交换树脂填充聚烯烃制成的多孔介质，但是其化学耐久性不足，因而长期稳定性方面存在问题。并且由于不具备质子导电能力的多孔介质的加入，使得质子传导通路减少，膜的质子交换能力下降。 此外，日本专利JP-A-6-231779提出了另一种增强方法，是使用氟树脂纤维。其为采用原纤维形式的氟烃聚合物增强材料增强的离子交换膜。但这种方法必须加入相对大量的增强材料，这种情况下，薄膜的加工趋于困难，并且很可能会发生膜电阻增大。 而欧洲专利EP0875524B1公开了利用玻璃纤维无纺技术制备的玻璃纤维膜增强-->nafion膜的技术，在该专利中同时提到二氧化硅等氧化物。但是该专利中无纺玻璃纤维布是必须使用的基材，这将大大限制了增强的使用范围。 美国专利US6692858公开了聚四氟乙烯纤维增强全氟磺酸树脂的技术。在该技术中，将全氟磺酰氟树脂和聚四氟乙烯纤维混合、挤出、转型制得纤维增强的全氟磺酸树脂。该方法由于转型过程耗时而不能连续生产。 但上述技术只是简单的将多孔膜或纤维与树脂混合起来，因为薄膜或纤维与成膜树脂的性质有很大的区别，甚至由于是相互排斥的，所以极易在成膜分子和增强物件间形成间隙，有时增强微孔膜的某些孔还不能被树脂所填充。因而这样的膜常常具有高的气体渗透性。在燃料电池中工作时，高的渗透率往往导致能量的损失和电池过热而损坏。 
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于，提供一种复合材料，该复合材料由离子交换树脂和含氟聚合物纤维复合而成，其中离子交换树脂的腈基基团和含氟聚合物纤维上接枝的腈基基团形成三嗪环交联结构，从而使得该复合材料具有很高的机械力学性质和气密性，以及具有高离子交换能力和电导率。本专利技术的另一个目的在于，提供该复合材料的制备方法。本专利技术的又一目的在于，提供一种由上述复合材料制备的离子交换膜。本专利技术的再一个目的在于，提供一种包含上述离子交换膜的燃料电池。本专利技术的再一个目的在于，提供一种上 述复合材料的用途。 本专利技术的上述目的采用如下技术方案来实现： 一方面，本专利技术提供一种复合材料，该复合材料由一种或多种具有离子交换功能的离子交换树脂和作为增强材料的含氟聚合物纤维构成；含氟聚合物纤维表面被含腈基的功能单体接枝修饰；组成复合材料的离子交换树脂中至少有一种离子交换树脂含有腈基基团，该腈基基团和含氟聚合物纤维上接枝的功能单体的腈基形成三嗪环交联结构。 优选地，所述含腈基的功能单体是如下通式(I)表述的物质的一种或多种组合： e＝1～3； 含有腈基基团的离子交换树脂是如下通式(II)和/或(III)表述的树脂的一种或多种组合：--> 其中e＝1～3；n＝0或1；m＝2～5；x、y＝3-15的整数； 其中a、b、c＝3-15的整数，a’、b’、c’＝1-3的整数；j＝0～3。 进一步优选地，所述复合材料还可以含有以下通式(IV)和/或(V)和/或(VI)表述的树脂的一种或多种组合： 其中x＝3～15，n＝0～2；p＝2～5； 其中c、d＝315的整数；c’、d’＝1-3的整数；--> 其中f、g、h＝3-15的整数，f’、g’、h’＝1-3的整数；i＝0～3；M、M，＝H、K、Na或NH4。 所述通式II、III、IV、V和VI所表示的树脂的离子交换容量为0.80～1.60mmol/g；数均分子量为150000～450000。 优选地，所述含氟聚合物纤维选自：聚四氟乙烯纤维、聚全氟乙丙烯纤维、聚全氟丙基乙烯基醚纤维和/或氟碳聚合物纤维中的一种或几种；纤维的直径为0.005μm～50μm，长度为0.05μm～3mm；优选的直径为：0.01～20μm 含氟聚合物纤维与离子交换树脂的质量比为0.5～50∶100，优选为0.5～20∶100。 优选地，上述复合材料还可以含有高价金属化合物，离子交换树脂中的部分酸性交换基团通过高价金属化合物形成物理键合，部分高价金属化合物同时也是形成三嗪环交联结构的催化剂，并和三嗪环形成络和键；优选地，所述的形成物理键合的高价金属化合物选自下列元素的化合物的一种或多种组合：W，Zr，Ir，Y，Mn，Ru，Ce，V，Zn，Ti和La元素；进一步优选地，高价金属离子化合物选自这些金属元素的最高价态和中间价态的硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、醋酸盐中的一种或组合复盐；或选自这些金属元素的最高价态和中间价态的一种或多种的环糊精、冠醚、乙酰丙酮、含氮冠醚及含氮杂环、EDTA、DMF和DMSO络合物；或选自这些金属元素的最高价态和中间价态的氢氧化物；或选自这些金属元素的最高价态和中间价态的具有钙钛矿结构的氧化物，包括但不限于化合物CexTi(1-x)O2(x＝0.25～0.4)、Ca0.6La0.27TiO3、La(1-y)CeyMnO3(y＝0.1～0.4)和La0.7Ce0.15Ca0.15MnO3。高价金属化合物的加入量为树脂质量的0.0001-5重量％，优选为0.001-1重量％。 另一方面，本专利技术提供上述复合材料的制备方法，该方法包含向复合材料中加入微量强的质子酸和/或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料，其特征在于：（ａ）所述复合材料由一种或多种具有离子交换功能的离子交换树脂和作为增强材料的含氟聚合物纤维构成；（ｂ）所述含氟聚合物纤维表面被含腈基的功能单体接枝修饰；（ｃ）组成复合材料的离子交换树脂中至少有一种离子交换树脂含有腈基基团，该腈基基团和含氟聚合物纤维上接枝的功能单体的腈基形成三嗪环交联结构。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料，其特征在于：(a)所述复合材料由一种或多种具有离子交换功能的离子交换树脂和作为增强材料的含氟聚合物纤维构成；(b)所述含氟聚合物纤维表面被含腈基的功能单体接枝修饰；(c)组成复合材料的离子交换树脂中至少有一种离子交换树脂含有腈基基团，该腈基基团和含氟聚合物纤维上接枝的功能单体的腈基形成三嗪环交联结构。2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述含腈基的功能单体是如下通式(I)表述的物质的一种或多种组合：e＝1～3；所述含有腈基基团的离子交换树脂是如下通式(II)和/或(III)表述的树脂的一种或多种组合：其中e＝1～3；n＝0或1；m＝2～5；x、y＝3-15的整数；其中a、b、c＝3-15的整数；a’、b’、c’＝1-3的整数；j＝0～3。3.如权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料还可以含有以下通式(IV)和/或(V)和/或(VI)表述的树脂的一种或多种组合：其中x＝315；n＝0～2；p＝2～5；其中c、d＝315的整数；c’、d’＝1～3的整数，其中f、g、h＝3～15的整数；f’、g’、h’＝1～3的整数；i＝0～3；M、M’＝H、K、Na或NH4。4.如权利要求1至3任一项所述的复合材料，其特征在于，所述通式II、III、IV、V和VI所表示树脂的离子交换容量为0.80～1.60mmol/g，数均分子量为150000～450000。5.如权利要求1至4任一项所述的复合材料，其特征在于，所述含氟聚合物纤维选自：聚四氟乙烯纤维、聚全氟乙丙烯纤维、聚全氟丙基乙烯基醚纤维和/或氟碳聚合物纤维中的一种或几种；直径为0.005μm～50μm，长度为0.05μm～3mm；优选的直径为：0.01～20μm；含氟聚合物纤维与离子交换树脂的质量比为0.5～50∶100，优选为0.5～20∶100。6.如权利要求1至5任一项所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料含有高价金属化合物，离子交换树脂中的部分酸性交换基团通过高价金属化合物形成物理键合，部分高价金属化合物同时也是形成三嗪环交联结构的催化剂，并和三嗪环形成络和键；优选地，所述的形成物理键合的高价金属化合物选自下列元素的化合物的一种或多种组合：W，Zr，Ir，Y，Mn，Ru，Ce，V，Zn，Ti和La元素；进一步优选地，高价金属离子化合物选自这些金属元素的最高价态和中间价态的硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、醋酸盐中的一种或组合复盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永明，唐军柯，刘萍，张恒，王军，
申请(专利权)人：山东东岳神舟新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：37