本發明專利技術公開了一種有機-無機三元雜化磺化聚芳醚酮質子交換膜及其制備方法。該雜化材料的原料組分組成為：100質量份的磺化聚芳醚酮、1～20質量份的低聚倍半硅氧烷；10～50質量份的磺化聚酰亞胺。本發明專利技術通過POSS及磺化聚酰亞胺的加入形成新的網絡結構，并與磺化聚芳醚酮的網絡進行互穿，從而獲得一種保持基體的質子傳導率同時具有良好的水穩定性的有機-無機三元雜化質子交換膜。可以作為膜材料廣泛應用在燃料電池領域中。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種有機-無機質子交換膜，具體為磺化聚芳醚酮/低聚倍半硅氧烷/磺化聚酰亞胺三元雜化質子交換膜材料及其制備方法。
技術介紹
燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能通過電極反應直接轉變成電能的發電裝置，它的最大特點是不經過熱機過程，因此不受卡諾循環限制，能量轉換效率高，而且環境污染小，噪聲低，被公認為是21世紀首選的清潔、高效的發電技術。其中質子交換膜燃料電池(PEMFC)由于具有工作溫度較低、起動時間短、功率密度高等特點，作為新一代電動汽車動力源、便攜式小型電源、家庭用熱電聯供系統等受到各國政府和能源、汽車、家電等企業的廣泛關注和高度重視。質子交換膜是PEMFC的關鍵材料之一，PEMFC從發現到現在已有近60年的歷史，正是由于材料技術的發展，特別是質子交換膜技術的發展使 得其應用成為現實。為了滿足燃料電池實用化、產業化的要求，對新型質子交換膜材料的研究開發工作得到了越來越廣泛的重視。最早在PEMFC中得到實際應用的質子交換膜是美國DuPont公司于60年代末開發的全氟磺酸質子交換膜(Nafion 膜)，在此之后，又相繼出現了其它幾種類似的質子交換膜，它們包括美國Dow化學公司的Dow 膜、日本Asahi Chemical公司的Aciplex 膜和Asahi Glass公司的Flemion 膜。全氟磺酸質子交換膜，特別是Nafion 膜，因其在結構和性能方面表現出很明顯的優勢，所以在燃料電池中得到廣泛的應用。但是隨著能源和環境危機的日益嚴峻，要求PEMFC成為更高效、更穩定和更經濟的新型能源技術，因此全氟磺酸質子交換膜也暴露出它的不足之處一是由于膜的電導率依賴于膜的水含量，要求膜在低于100°c下使用，二是價格較高，限制了其大規模應用，另外全氟磺酸膜的燃料滲透速率較大，特別是當用于直接甲醇燃料電池(DMFC)時，使燃料電池的性能大大降低。因此，開發新型低成本的非氟耐熱型質子交換膜材料也受到廣泛的重視。磺化聚芳醚酮，特別是磺化聚醚醚酮(SPEEK)在熱穩定性、加工性和成本方面與全氟膜材料相比有很大的優勢，因而成為了研究熱點。〈Journal of Membrane Science 372 (2011) 40-48 ；Journal of Membrane Science 350(2010)148-153 ；Polymer 50(2009)2664-2673 ；CN200810203976. 3。>但作為質子交換膜，SPEEK存在很多不足一方面就是膜的化學穩定性，因為盡管這些材料本身具有很好的化學穩定性，但是當將磺酸根鍵合在苯環上來實現材料的離子化后，苯環具有的共軛η鍵結構發生變化，當遇到在PEMFC運行中產生的HO ·和HO2 等氧化性自由基時，就會導致膜的降解；另一方面為了獲得與Nafion膜相當的質子傳導率，SPEEK的磺化程度通常較高，其導致材料的水穩定性明顯下降，甚至可以溶解于熱水中，無強度可言。這些因素成為影響此類材料實用化的主要障礙
技術實現思路
為了克服引入磺酸根所引起的材料化學穩定性下降及水穩定性較差的不足，本專利技術提供一種具有互穿網絡結構的，該雜化材料在基本保持了基體的質子傳導率的同時，具有良好的水穩定性。本專利技術的目的可以通過以下措施達到—種有機-無機三元雜化磺化聚芳醚酮質子交換膜，該雜化材料的原料由如下質量份組分組成磺化聚芳醚酮100 ；低聚倍半硅氧烷I 20 ;磺化聚酰亞胺10 50。當低聚倍半硅氧烷的質量份數大于20，因無機物含量較高，可使三元雜化磺化聚·芳醚酮質子交換膜的機械性能下降，脆性增大，加工性能變差。其中磺化聚芳醚酮為磺化聚醚酮、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種或幾種。考慮成本因素，及原料獲得的難易程度，優選磺化聚醚醚酮。磺化聚芳醚酮的磺化度為40-90%，其中磺化度是指材料中含磺酸根的結構單元占全部結構單元的百分數，磺化聚芳醚酮的磺化度可由其核磁氫譜計算得到。所述的質子交換膜中，所用低聚倍半硅氧烷的通式為式⑴;其中ml^ 3, nl ^ 0,12 ^ ml+nl > 6,且 ml+nl 為偶數；R’為氫原子、有取代基或無取代基的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為3-10的環烷基、碳原子數為2-6的鏈烯基、碳原子數為3-6的環烯基、芳基、硅烷基、丙烯酸酯基或甲基丙烯酸酯基的一種或多種；其中，所述取代基選自于Cl ClO的烷基、C3 ClO的環燒基、C2 C6的鏈稀基、C3 C6的環稀基、芳基、環氧基、或娃燒基中的一種或多種；X’為輕基、竣基、齒素、氣燒基、丙稀酸酷基、甲基丙稀酸酷基、臆基、氣基、橫酸基或者含有輕基、竣基、齒素、氣燒基、丙稀酸酷基、甲基丙稀酸酷基、臆基、氣基或橫酸基的R’基團中的一種或多種。上述低聚倍半硅氧烷的通式中烷基優選為甲基、乙基、異丙基、或異辛基。環烷基優選為環丙基、或環戊基。鏈烯基優選為乙烯基、丙烯基、或丁二烯基。環烯基優選為環丁稀基。芳基優選為苯基、或甲基苯基。環氧基優選為環氧乙燒基。娃燒基優選為二甲氧基娃燒基、或乙稀基~■甲基娃燒基。齒素指齒素取代基，優選為丙氣基氣、或苯氣。氣燒基優選為二氣丙燒。臆基優選為丙臆基。考慮到磺酸根的引入可以改善低聚倍半硅氧烷與三元雜化質子交換膜中其他兩組分之間的相容性；氨基可以與聚酰亞胺組分發生反應，有利于形成三元互穿網絡的結構，進而改善最終雜化質子交換膜的水穩定性，所以優選帶有氨基或磺酸基的低聚倍半硅氧烷,通式如下式(I);其中ml^ 3, nl ^ 0,12 ^ ml+nl > 6,且 ml+nl 為偶數；R’為氫原子、有取代基或無取代基的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為3-10的環烷基、芳基或硅烷基中的一種或多種；其中，所述取代基選自于Cl ClO的烷基、C3 ClO的環烷基、C2 C6的鏈烯基、C3 C6的環烯基、芳基或硅烷基的一種或多種；X’為氣基、橫酸基、或者含有氣基或橫酸基的R’基團。上述優選帶有氨基或磺酸基的低聚倍半硅氧烷的通式中烷基優選為甲基、乙基、異丙基、或異羊基。環燒基優選為環丙基、或環戍基。芳基優選為苯基、或甲基苯基。娃燒基優選為三甲氧基硅烷基、或乙烯基二甲基硅烷基。考慮到帶有磺酸基或氨基的低聚倍半硅氧烷的化學結構穩定性，所用低聚倍半硅氧烷進一步優選自以下任意一種權利要求1.一種有機-無機三元雜化磺化聚芳醚酮質子交換膜，其特征在于該雜化材料的原料由如下質量份組分組成 磺化聚芳醚酮100 ； 低聚倍半硅氧烷I 20 ; 磺化聚酰亞胺10 50。2.根據權利要求I所述的質子交換膜，其特征在于所述磺化聚芳醚酮為磺化聚醚酮、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種或幾種；所述磺化聚芳醚酮的磺化度為40-90%。3.根據權利要求I所述的質子交換膜，其特征在于所述低聚倍半硅氧烷的通式為 式(I); 其中ml≥3，nl≥0，12≥ml+nl≥6，且ml+nl為偶數； R’為氫原子、有取代基或無取代基的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為3-10的環烷基、碳原子數為2-6的鏈烯基、碳原子數為3-6的環烯基、芳基、硅烷基、本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種有機？無機三元雜化磺化聚芳醚酮質子交換膜，其特征在于：該雜化材料的原料由如下質量份組分組成：磺化聚芳醚酮？？？？？？？？？？？？100；低聚倍半硅氧烷？？？？？？？？？？1～20；磺化聚酰亞胺？？？？？？？？？？？？10～50。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳橋，邵芳可，張紅琰，吳剛，
申請(專利權)人：東麗纖維研究所中國有限公司，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。