三元摻雜改性磺化聚苯硫醚質子交換膜及其製備方法
2023-05-04 07:08:41
三元摻雜改性磺化聚苯硫醚質子交換膜及其製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種三元摻雜改性磺化聚苯硫醚質子交換膜及其製備方法。該質子交換膜的組分及質量百分含量為：磺化度為57%～80%的磺化聚苯硫醚75%～98.5%，三元摻雜相1.5%～25%。本發明採用中高磺化度SPPS作為基體材料，以克服過高磺化度SPPS存在的吸水率過高，複合膜穩定性較差的缺點，並保證複合膜具有一定的吸水率；採用稀土金屬氧化物納米氧化釔、磷鎢酸和聚磷腈衍生物三元摻雜的方式，使SPPS基體與該摻雜材料之間發生作用，以提高複合膜的綜合性能。
【專利說明】三元摻雜改性磺化聚苯硫醚質子交換膜及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種磺化聚苯硫醚質子交換膜及其製備方法，特別是一種三元摻雜改性磺化聚苯硫醚質子交換膜及其製備方法。
【背景技術】
[0002]磺化聚苯硫醚(SPPS)材料由於具有高機械強度、較好的熱穩定性及化學穩定性而成為直接甲醇燃料電池質子交換膜的研究重點。用磺化試劑如濃硫酸對聚苯硫醚(PPS)進行磺化，將磺酸基團引入到PPS主鏈上，由於磺酸基親水相與聚合物骨架上苯環、碳硫鍵等疏水相的存在，可使得SPPS材料具有一定的質子傳導率，且SPPS材料較低的合成成本、良好的機械強度和優良的熱穩定性可滿足燃料電池對質子交換膜的要求。但是此種材料的磺化度(DS)會直接影響質子交換膜各方面的性能，低DS的SPPS質子交換膜具有較好的機械強度、阻醇性能和熱穩定性，但是由於磺酸基團的數量較少，兩相分離不明顯，其質子傳導率不夠理想，阻礙了燃料電池電化學循環反應。而高DS的SPPS質子交換膜雖具有較高的質子傳導率，但其機械強度降低、吸水率及溶脹度過高、在高溫下SPPS會在甲醇中發生降解，嚴重影響膜的穩定性及燃料電池的壽命。由於磺化度對質子交換膜材料性能存在相互矛盾的作用，在SPPS質子交換膜的方案設計上，通常需要對SPPS磺化度及改性的方式進行綜合考慮，不能顧此失彼。
【發明內容】
[0003]本發明的目的之一在於提供一種三元摻雜改性磺化聚苯硫醚質子交換膜。
[0004]本發明的目的之二在於提供該質子交換膜的製備方法。
[0005]為達到上述目的，本發明所依據的機理為:聚磷腈是以氮磷原子單雙鍵交替排列為主鏈骨架、以不同的有機基團為側鏈的一類新型有機-無機聚合物。聚磷腈衍生物由於其主鏈優越的柔順性和側基取代多樣性，有希望成為新一類用於改性直接甲醇燃料電池的材料。磷鎢酸(H3PW12O4tl)作為一種雜多酸，內部還有大量的吸附水、結晶水以及結構水，而大量水分子的存在會對質子交換膜的質子傳導起到促進作用，因此磷鎢酸理論上能顯著提高質子交換膜的質子傳導率。而稀土氧化物氧化釔能使SPPS質子交換膜結構更為緻密，從而改善其阻醇性能，且納米級的氧化釔在SPPS膜中的分散性較好，不易發生沉聚等現象。
[0006]根據上述理論，本發明採用如下技術方案:
一種三元摻雜改性磺化聚苯硫醚質子交換膜，其特徵在於該質子交換膜的組分及質量百分含量為:
磺化聚苯硫醚 75.0%~98.5% ；
三元摻雜相1.5%~25.0% ；
所述的磺化聚苯硫醚的結構式為:
【權利要求】
1.一種三元摻雜改性磺化聚苯硫醚質子交換膜，其特徵在於該質子交換膜的組分及質量百分含量為: 磺化聚苯硫醚 75.0%~98.5% ； 三元摻雜相 1.5%~25.0% ； 所述的磺化聚苯硫醚的結構式為:
2.根據權利要求1所述的三元摻雜改性磺化聚苯硫醚質子交換膜，其特徵在於所述的磺化聚苯硫醚的磺化度為57%~80%的。
3.根據權利要求1所述的三元摻雜改性磺化聚苯硫醚質子交換膜，其特徵在於所述的氧化乾粒徑為50~90 nm。
4.一種製備權利要求1、2或3中任一項所述的三元摻雜改性磺化聚苯硫醚質子交換膜的方法，其特徵在於該方法的具體步驟為:將磺化聚苯硫醚質子交換膜和三元摻雜相分散於制膜溶劑中，配製成固體含量為5%~30%的制膜液，充分攪拌均勻後，將該制膜液成膜後經乾燥、冷卻、揭膜，得到三元摻雜改性磺化聚苯硫醚質子交換膜。
【文檔編號】H01M8/02GK103490084SQ201310425382
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】郭強, 李夏, 錢君質, 畢宸洋, 張天驕, 陳新新 申請人:上海大學