[发明专利]一种纤维增强高温质子交换膜及制备和应用

权利要求书

1.一种纤维增强高温质子交换膜，其特征在于：

所述纤维增强高温质子交换膜以由含苄基卤素的杂环芳香聚合物进行全部或部分卤素的含氮和/或者含膦基团取代制备得到的碱性聚合物为膜主体，增强纤维和掺杂的磷酸与水分散于碱性聚合物构成的膜中；

所述碱性聚合物构成的膜为一连续、厚度均匀、透明的薄膜；所述增强纤维于高温质子交换膜中均匀分布，形成一个纤维网络；

所述增强纤维为聚芳醚酮、聚芳醚砜、聚苯醚、聚苯硫醚和聚酰亚胺中的一种或两种以上；

所述纤维增强高温质子交换膜的制备方法，包括以下步骤，

1）将含苄基卤素的杂环芳香聚合物在极性溶剂A中配制含苄基卤素的杂环芳香聚合物的纺丝液；

2）将增强纤维的聚合物成分溶解在极性溶剂B中配制成增强纤维聚合物的纺丝液；

3）将步骤1)和步骤2）所述纺丝液分别转移到两个静电纺丝管内，以静电纺丝管针头作为阳极，铝箔作为阴极，同时进行静电纺丝，于铝箔上得到复合纤维毡；

4）将步骤3）得到的复合纤维毡用模具进行四周边缘固定，放在极性溶剂C的蒸汽中；随后，将蒸汽处理好的膜放到烘箱中60-80℃干燥1-24 h，得到致密的纤维增强膜；

5）取步骤4）得到纤维增强膜浸渍在亲核试剂中处理24小时以上，得到纤维增强的碱性聚合物膜，干燥后备用；

6）将步骤5）得到纤维增强的碱性聚合物膜浸渍在70-95wt%的磷酸溶液中，60-80℃浸渍2-24 h，用滤纸除去表面多余磷酸后备用；

步骤4）所述极性溶剂C为二氯乙烷、氯仿、四氯化碳、四氯化碳、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种或两种以上；所述极性溶剂C必须满足能够溶解含苄基卤素的聚合物，同时不能溶解增强纤维；极性溶剂C蒸气压范围是2～101kPa，复合纤维毡于溶剂C中的处理时间是1～200min。

2.按照权利要求1所述纤维增强高温质子交换膜，其特征在于：所述的含苄基卤素杂环芳香聚合物的结构如式Ⅰ所示中的一种或二种以上：

式I

其中，R₁，R₃和R₄分别为以下结构中的一种或二种以上：

其中，R₂为以下结构中的一种或二种以上：

式I中X为Cl、Br或I中的一种或二种以上, X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X₆和X₇分别为H，CH₃，CH₂X或CHX₂中的一种或二种以上；其中，m为正整数，n、p为自然数；于式I中X-PPE聚合物中（m+n）大于等于100，小于等于100000；于式I中下方的X-sPAE和X-PAE聚合物中（m+n+p）分别大于等于100，小于等于100000；且（m+p）/（m+n+p）置于50-100%之间。

3.按照权利要求1所述纤维增强高温质子交换膜，其特征在于：

所述的碱性聚合物是由含苄基卤素的杂环芳香聚合物和亲核试剂反应制备得到的；其中苄基卤素的取代率为80-100%；

所述亲核试剂为含氮杂环或者含膦杂环中的一种或两种以上；所述含氮杂环或者含膦杂环为脂肪胺、咪唑、吡啶或哌嗪中的一种或两种以上。

4.按照权利要求1所述纤维增强高温质子交换膜，其特征在于：

所述碱性聚合物于质子交换膜中的质量分数为10-30wt%；所述增强纤维于高温质子交换膜中的质量分数0.1-25wt%；其余为70-95 wt%的磷酸水溶液。

5.按照权利要求1所述纤维增强高温质子交换膜，其特征在于：

所述的碱性聚合物是由含苄基卤素的杂环芳香聚合物和亲核试剂反应制备得到的；其中苄基卤素的取代率为90-100%；

所述碱性聚合物于质子交换膜中的质量分数为14-25 wt%；增强纤维于质子交换膜中的质量分数为1-6wt%；其余为70-95 wt%的磷酸水溶液。