本发明专利技术公开了一种有机-无机杂化磺化聚芳醚酮质子交换膜及其制备方法。该杂化材料的原料组分组成为：100质量份的磺化聚芳醚酮；1～20质量份的低聚倍半硅氧烷；1～20质量份的二缩水甘油醚。本发明专利技术通过POSS及二缩水甘油醚的加入形成新的网络结构，并与磺化聚芳醚酮的网络进行互穿，从而获得明显改善基体材料的水稳定性的同时，进一步提高了基体的质子传导率的有机-无机三元杂化质子交换膜。可以作为膜材料广泛应用在燃料电池领域中。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种有机-无机质子交换膜，具体为一种有机-无机三元杂化质子交换膜材料及其制备方法。
技术介绍
燃料电池是一种不经过燃烧就直接将燃料的化学能转换成电能的高效发电装置，被称为继火力、水力和核能发电后的第四代发电技术。它的最大特点是不经过热机过程，能量转换效率高；另一个特点是环境污染小，没有硫和氮的氧化物的排放，被公认为21世纪首选的清洁高效的发电技术。它的比能量高，液氢燃料电池的比能量是镍镉电池的800倍，直接甲醇燃料电池比锂电池高10倍；结构简单，辅助设备少，维护性好。燃料电池的分类有多种方法，普遍接受的是按照电解质的不同分五类碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池 (PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。质子交换膜燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell,即 PEMFC)是以氢气/氧气为燃料和氧化剂的高效、低污染的发电装置。与其它种类的燃料电池相比，它具有输出比功率高、操作温度低、腐蚀性低和寿命长等优点，最早于1960年被用作双子星座宇宙飞船的电源，在这之后的二三十年里，PEMFC的研究开发工作经历了一些起伏和波折，但随着一些关键问题的突破，PEMFC技术有了很大的进步，目前已接近实际应用阶段，最有希望成为航天、军事、电动车和区域性电站的首选电源。但是对于该项技术的大规模推广应用，PEMFC还有许多需要改进的地方，包括提高电池的性能、延长电池的寿命和降低成本等。PEMFC主体由质子交换膜，催化剂Pt、集流板和冷却板等组成。全氟磺酸型质子交换膜是目前综合性能最好的质子交换膜，并已实现商业化，如美国Du Pont公司的Nafion膜、美国Dow化学公司的Dow膜、日本Asahi公司的Aciplex膜及日本Asahi Glass公司的Flemion膜。全氟磺酸膜具有良好的性能，包括高的化学稳定性，在150°C的强氧化环境中仍能保持良好的稳定性、较高的机械强度、在高湿度下具有高的质子传导率、低温下具有高的电流密度、氧在其中的还原速度明显快于其他各种酸性电解质等。但是全氟磺酸质子交换膜也存在不足(Progress in Polymer Science, 25 (2000) 1463-1502):复杂的制备工艺与技术垄断造成了其高昂的价格，极大地限制了质子交换膜燃料电池的发展及应用；质子传导率严重依赖膜中的含水量，低湿度时膜的质子传导率明显下降；温度升高(超过IOO0C )会使得膜脱水进而导致质子传导率的大幅度下降；由于含有氟元素，降解时产生对环境有害的物质；另外使用甲醇燃料时易发生甲醇渗漏，限制了它的应用范围。因此开发高效、低成本、环境友好的新型质子交换膜材料是燃料电池技术亟待解决的关键问题。因此，开发新型低成本的非氟耐热型质子交换膜材料也受到广泛的重视。磺化聚芳醚酮，特别是磺化聚醚醚酮(SPEEK)在热稳定性、加工性和成本方面与全氟膜材料相比有很大的优势，因而成为了研究热点。(Journal of Membrane Science 372 (2011) 40-48 ；Journal ofMembrane Science 350 (2010) 148-153 ;Polymer 50 (2009) 2664-2673;CN200810203976. 3)但作为质子交换膜，SPEEK存在很多不足一方面就是膜的化学稳定性，因为尽管这些材料本身具有很好的化学稳定性，但是当将磺酸根键合在苯环上来实现材料的离子化后，苯环具有的共轭η键结构发生变化，当遇到在PEMFC运行中产生的HO ·和HO2 等氧化性自由基时，就会导致膜的降解；另一方面为了获得与Nafion膜相当的质子传导率，SPEEK的磺化程度通常较高，其导致材料的水稳定性明显下降，甚至可以溶解于热水中，无强度可言。这些因素成为影响此类材料实用化的主要障碍。
技术实现思路
为了克服磺化聚芳醚酮不能同时具有高质子传导率和良好尺寸稳定性的不足，本专利技术提供一种具有互穿网络结构的，该杂化材料在明显改善基体材料的水稳定性的同时，进一步提高了基体的质子传导率。本专利技术的目的可以通过以下措施达到一种有机-无机杂化磺化聚芳醚酮质子交换膜,该杂化材料的原料由如下质量份组分组成磺化聚芳醚酮100 ；低聚倍半硅氧烷I 20 ;二缩水甘油醚I 20;其中所述二缩水甘油醚的通式为 权利要求1.一种有机-无机杂化磺化聚芳醚酮质子交换膜，其特征在于该杂化材料的原料主要由如下质量份的组分组成 磺化聚芳醚酮100 ； 低聚倍半硅氧烷I 20 ; 二缩水甘油醚I 20 ; 其中所述二缩水甘油醚的通式为2.根据权利要求I所述的质子交换膜，其特征在于所述磺化聚芳醚酮为磺化聚醚酮、磺化聚醚醚酮、磺化聚醚酮酮、磺化聚醚醚酮酮、磺化聚醚酮醚酮酮、磺化聚醚醚酮砜或磺化聚醚醚酮酮砜中的一种或几种。3.根据权利要求I或2所述的质子交换膜，其特征在于所述磺化聚芳醚酮的磺化度为 40-90%。4.根据权利要求I所述的质子交换膜，其特征在于所述低聚倍半硅氧烷的通式为5.根据权利要求4所述的质子交换膜，其特征在于所述低聚倍半硅氧烷的通式为 式⑵； 其中m>3,n>0,12> m+n > 6,且 m+n 为偶数； R’为氢原子、有取代基或无取代基的碳原子数为1-10的烷基、碳原子数为3-10的环烷基、芳基或硅烷基的一种或多种；其中，所述取代基选自于Cl ClO的烷基、C3 ClO的环烷基、C2 C6的链烯基、C3 C6的环烯基、芳基或硅烷基的一种或多种； X’为轻基、齒素、丙稀酸酷基、甲基丙稀酸酷基、硫醇基、氣基、横酸基，或者含有轻基、卤素、丙烯酸酯基、甲基丙烯酸酯基、硫醇基、氨基或磺酸基的R’基团中的一种或多种。6.一种制备权利要求I中所述有机-无机杂化磺化聚芳醚酮质子交换膜的方法，其特征在于 (1)将磺化聚芳醚酮，低聚倍半硅氧烷和二缩水甘油醚溶解到有机溶剂中，得到磺化聚芳醚酮/低聚倍半硅氧烷/二缩水甘油醚的混合溶液； (2)将所得到的磺化聚芳醚酮/低聚倍半硅氧烷/二缩水甘油醚的混合溶液在100-250°C下进行O. 5 8小时的热处理，而后经过酸化处理，水洗并烘干得到有机-无机杂化磺化聚芳醚酮质子交换膜； 其中所述二缩水甘油醚的通式为7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述磺化聚芳醚酮为磺化聚醚酮、磺化聚醚醚酮、磺化聚醚酮酮、磺化聚醚醚酮酮、磺化聚醚酮醚酮酮、磺化聚醚醚酮砜或磺化聚醚醚酮酮砜中的一种或几种；磺化聚芳醚酮的磺化度为30-90%。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述低聚倍半硅氧烷的通式为9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述低聚倍半硅氧烷的通式为10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的有机溶剂为N，N-二甲基乙酰胺、N, N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜或四氢呋喃中的一种或几种。全文摘要本专利技术公开了一种。该杂化材料的原料组分组成为100质量份的磺化聚芳醚酮；1～20质量份的低聚倍半硅氧烷；1～20质量份的二缩水甘油醚。本专利技术通过POSS及二缩水甘油醚的加入形成新的网络结构，并与磺化聚芳醚酮的网络进行互穿，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种有机?无机杂化磺化聚芳醚酮质子交换膜，其特征在于：该杂化材料的原料主要由如下质量份的组分组成：磺化聚芳醚酮??????????100；低聚倍半硅氧烷????????1～20；二缩水甘油醚??????????1～20；其中所述二缩水甘油醚的通式为：式(1)；其中R1为FSA00000566576200011.tif,FSA00000566576200012.tif,FSA00000566576200013.tif
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈桥，邵芳可，吴刚，
申请(专利权)人：东丽纤维研究所中国有限公司，
类型：发明
国别省市：
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