[发明专利]一种碱性阴离子交换膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池组件的制备领域，具体涉及一种可用于碱性燃料电池的碱性阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

碱性阴离子交换膜是碱性阴离子交换膜燃料电池的核心组件，它起到传导离子和阻隔燃料的双重作用，其性能的好坏直接决定着燃料电池的性能和寿命。传统的季铵盐类聚合物碱性阴离子交换膜具有尺寸稳定性差，吸水率高，溶胀度大，机械性能差等缺点。并且制备季铵盐类聚合物需要大量的有机溶剂，剧毒物质氯甲醚也是必不可少的原料，后期有机溶剂的处理不仅增加了生产成本，对环境的危害也很大。更大的问题是季铵盐类聚合物在高温强碱环境下稳定性差，严重影响碱性阴离子交换膜的寿命和性能。因此，人们一直在探索一种制备方法绿色、简单，电导率高，成本低，机械性能优异和耐碱性能良好的碱性阴离子膜。

发明内容

本发明目的在于：提供了一种性能优良的碱性阴离子交换膜及其制备方法。本发明避免了传统碱性阴离子交换膜制备所用的溶液浇注成膜法，且避免了剧毒致癌物质氯甲醚的使用和可能造成环境污染和人体伤害的有机溶剂的使用，且提供了一种克服碱性阴离子交换膜化学稳定性差的方法。

本发明中，质子交换聚合物膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚合物单体、聚合型离子液体、含硅氧基团的聚合型离子液体、引发剂以重量比为50～90：50～10：2～50：1～6在超声波震荡下混合均匀，进行原位聚合制备阴离子交换膜，

其中，聚合物单体为丙烯腈、苯乙烯或二者以任意比例的混合液，

上述离子液体为聚合型芳杂环结构的离子液体，

其中，聚合型离子液体为其中p＝0～6，X为I、Br或Cl中的一种，

含硅氧基团的聚合型离子液体为或其中p＝0～6，X为I、Br或Cl中的一种，

上述引发剂为安息香醚，

上述原位聚合的引发方式为：波长为250nm的紫外光照引发；

(2)将步骤(1)中得到的阴离子交换膜浸泡在碱液中，进行阴离子交换和硅氧烷交联，其中，含硅氧基团的离子液体在进行阴离子交换同时进行水解交联，所得薄膜在保持较高电导率的情况下大大提高了其机械性能，

其中，碱液为50-80℃的氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液。

本发明还提供了一种上述方法制备得到的基于离子液体的聚合物阴离子交换膜，以及该阴离子交换膜在碱性燃料电池领域的应用。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明设计了一种新型的基于离子液体的用于碱性燃料电池的聚合物阴离子交换膜；

(2)本发明采用原位聚合的方法制备了聚合物阴离子交换膜，制备过程简单，避免了有机溶剂的使用，膜的厚度易于调控；

(3)本发明将聚合型离子液体制备成阴离子交换膜，离子液体的热稳定性好，化学性质稳定，与传统的季铵盐类阴离子交换膜相比，本发明制备的基于离子液体的阴离子交换膜有更好的热稳定性和耐碱性；

(4)本发明通过引入含硅氧基团的聚合型离子液体，利用其水解之后形成的Si-O-Si交联网络结构，调节阴离子交换膜的吸水率和溶胀度，提高阴离子交换膜的机械性能，本发明中采用含硅氧基团的离子液体作为交联剂，因为其提供一部分导电能力，因此本发明中电导率降低的程度相对较低；

(5)本发明设计的聚合物阴离子交换膜原料便宜，成本低，环境友好；

(6)本发明通过在较高温度下进行阴离子交换，以及聚合物基体的选择使得离子交换更完全，本发明制备的阴离子交换膜具有接近理论值的离子交换容量，从而具有较高的离子电导率。

具体实施方式

实施例一

0.2g，0.03g，苯乙烯0.09g，丙烯腈0.28g，安息香乙醚0.006g，将溶液混合均匀，涂到模具上，250nm波长的紫外光下照射30min，原位聚合成膜。然后将该阴离子交换膜浸泡在60℃1M KOH溶液中24小时，将阴离子转换成OH^－，获得OH^－型阴离子交换膜。离子交换容量为1.79mmol/g，室温(25℃)下离子传导率为4.22×10^-2S cm^-1，90℃下离子传导率为9.13×10^-2S cm^-1。抗张强度为13.33Mpa，杨氏模量为393.57Mpa，断裂伸长率为13.35％。

实施例二