[发明专利]氧化石墨烯交联聚酰亚胺半互穿网络型复合膜及其制备

说明书

本发明涉及氧化石墨烯交联聚酰亚胺半互穿网络型复合膜及其制备，所述的复合膜由包括以下重量份含量的组分制备而成：氨基封端的聚酰亚胺1份、全氟磺酸树脂膜0.2‑9份、氧化石墨烯0.005‑0.05份以及有机溶剂20‑100份；所述的氨基封端的聚酰亚胺包括以下组分及摩尔份含量：二酐1份、二胺1‑1.3份以及催化剂0.8‑1.2份。与现有技术相比，本发明氧化石墨烯交联聚酰亚胺半互穿网络型复合膜较传统的全氟磺酸膜相比，力学强度高，尺寸稳定性好，制备工艺可控性好，原料来源广泛，工艺条件温和，可有效节约生产成本，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于功能高分子材料和电化学技术领域，涉及一种氧化石墨烯交联聚酰亚胺半互穿网络型复合膜及其制备。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是以质子交换膜为电解质的燃料电池，是五种燃料电池中的一种。它是目前世界上最成熟的一种能使氢气与空气中的氧气发生化学反应，生成水并能释放出电能的技术，具有能量效率高、排放低、环境友好等优点。作为燃料电池的核心，电解质的性质直接关系到燃料电池的发电效率、使用寿命等关键性能。而质子交换膜(PEM)的质子传导率、力学性能、尺寸稳定性对PEMFC的性能则有直接的影响。目前，全氟型质子交换膜(如)是市场上质子交换膜的主体，但是其价格的昂贵、机械强度和尺寸稳定性差以及燃料渗透率高等缺点限制了它的广泛应用。

聚酰亚胺具有优越的热、化学和机械稳定性以及低的气体渗透性，在微电子、膜分离等许多工业领域已经得到了广泛的关注，而这些优点也是在质子交换膜燃料电池中期待得到的。与无机掺杂材料不同，氧化石墨烯(GO)具有两亲性，与有机膜具有较好的相容性；同时，其还具有超高的比表面积、良好的电子绝缘性以及柔韧性，可有效地提高质子膜的化学、热及机械稳定性；而且由于氧化石墨烯中—O—，—OH及—COOH等亲水基团能吸引质子，它对质子传输显示出超导性，对质子传输有促进作用。因此，在质子交换膜中引入氧化石墨烯，不仅能提高质子膜的耐化学分解、耐热性，降低膜的燃料渗透性外，还能大幅提高质子膜的质子传导率。

申请号为201610053388.0的中国专利公开了一种低介电常数增强氧化石墨烯/聚酰亚胺复合膜的制备方法，该制备方法是在湿度低于50％、室温、机械搅拌和氮气气氛中，将芳香族二胺溶于极性有机溶剂中，加入由同一种极性有机溶剂配制的超支化聚酯‐氧化石墨烯溶液，得到超支化聚酯‐氧化石墨烯/二胺溶液；加入芳香族二酐，搅拌得到氧化石墨烯/聚酰胺酸溶液；均匀涂抹于洁净玻璃片上，放置于真空干燥箱中，消除气泡，程序升温和保温，冷却至室温，脱膜，真空干燥。上述专利技术中聚酰亚胺是通过两步法合成，且与氧化石墨烯原位制备复合膜。不同于上述专利，本发明中的聚酰亚胺是通过一步法预先合成，在成膜过程中加入氧化石墨烯为交联剂，氧化石墨烯中的活性基团可以与聚酰亚胺中的氨基以及咪唑基发生反应，并与全氟磺酸树脂形成含半互穿网络结构的增强型复合质子交换膜材料。制得的膜材料具有优异的力学性能、热稳定性和质子传导率，有望应用到质子交换膜燃料电池中。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种力学强度高，尺寸稳定性好，质子传导率高的氧化石墨烯交联聚酰亚胺半互穿网络型复合膜。

本发明的另一个目的就是提供上述氧化石墨烯交联聚酰亚胺半互穿网络型复合膜的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

氧化石墨烯交联聚酰亚胺半互穿网络型复合膜，该复合膜由包括以下重量份含量的组分制备而成：氨基封端的聚酰亚胺1份、全氟磺酸树脂膜0.2-9份、氧化石墨烯0.005-0.05份以及有机溶剂20-100份。

所述的氨基封端的聚酰亚胺包括以下组分及摩尔份含量：二酐1份、二胺1-1.3份以及催化剂0.8-1.2份。

作为优选的技术方案，所述的氨基封端的聚酰亚胺中氨基的摩尔含量为5％-60％。