[发明专利]树枝状纳米纤维无纺布用途、树枝状纳米纤维/Nafion复合膜的制备方法

说明书

本发明提供一种提升Nafion膜质子传导率的方法。该方法通过将树枝状纳米纤维与Nafion复合来提升Nafion膜的质子传导率，树枝状纳米纤维优选聚酰胺‑6树枝状纳米纤维。该方法中包括二浸二轧浸轧复合、热烘干燥和热辊定型三个步骤。树枝状聚酰胺‑6纳米纤维复合能与Nafion中具有强的界面结合能力和构筑更多长程有序质子传输通道，从而有利于质子的跳跃传导；所述复合膜的制备方法采用二浸二轧和热烘干、热定型工艺即可实现，该方法工艺简单、生产效率高，工业化实施容易。

技术领域

本发明涉及静电纺纳米纤维和质子交换膜技术领域，特别涉及一种树枝状纳米纤维无纺布用途、基于树枝状纳米纤维无纺布改性Nafion膜的制备方法。

背景技术

随着全球经济的不断发展以及人口基数的不断壮大与能源需求的持续快速增长，能源危机与环境污染是制约人类社会生存和发展的瓶颈，已成为社会可持续发展面临的最大挑战。鉴于以上问题的严峻性，优化能源结构，变革能源的利用技术，实现能源的“开源”与“节流”势在必行。

燃料电池是一种通过氧化还原反应将燃料的化学能连续地转化为电能的能量转换装置。质子交换膜(PEMs)是直接甲醇燃料电池(DMFCs)的关键部件。质子交换膜的作用是传导质子，并将燃料和氧化剂分离于电池的阳极和阴极之间。质子电导率和燃料渗透性是燃料电池应用所需的PEM的关键特性，所以引导PEM的的研究趋势在向增加质子传导率并降低燃料渗透的方向不断发展。全氟磺酸膜(Nafion)因其良好的化学和物理稳定性以及在高湿度条件下的高导电性，在PEM中得到了广泛的应用。但Nafion膜存在质子传导率相对较低的缺点，限制了其在PEMFCs尤其是直接甲醇燃料电池(DMFCs)中的应用。因此，开发用于PEM的改性Nafion膜对燃料电池的开发具有重要意义。

为了克服这些问题，许多研究者对常用的Nafion膜进行了许多改进，主要集中在运用无机物和有机物与Nafion膜进行复合提升其质子传导能力。在各种物质中，纳米纤维由于其高的比表面积，纳米交联的孔结构和高孔隙率，在构建高连续质子传递通道及提升膜机械强度方面具备较好的优势，逐渐应用于直接甲醇燃料电池。但其仍存在一些问题：纳米纤维填充剂与基体之间的较差的界面相容性以及传递途径和质子传导基团的缺乏限制了纳米纤维复合质子交换膜性能的进一步提高。所以，在纳米纤维的基础上可以进行不断的物理和化学改性。例如，运用静电纺技术制备特殊物理结构的纳米纤维以增加质子的传递通道或制备有特殊活性基团(-NH，-OH，-NH₂与-SO₃H等)的纳米纤维以此来提供更多的水分子或活性载体以便获得更有效快速的传递质子。

发明内容

本发明的目的是提供一种树枝状纳米纤维无纺布用于制备树枝状纳米纤维/Nafion复合膜的用途，即以树枝状纳米纤维无纺布为载体，将Nafion浸渍复合制得用作燃料电池质子交换膜。树枝状纳米纤维的微小分支优化与Nafion聚合物基体界面结构以及质子传递通道，尤其酰胺类树枝状纳米纤维的聚合物大分子富含氨基与Nafion分子中磺酸基团构筑酸碱对，协同构筑质子传递性能优异的改性Nafion膜。

本发明的另一目的是提供一种制备上述树枝状纳米纤维/Nafion复合膜的制备方法。

所述的一种树枝状纳米纤维/Nafion复合膜的制备方法，其特征包括如下步骤：

(1)树枝状纳米纤维/Nafion浸轧复合

首先将厚度为60-100μm树枝状纳米纤维无纺布以1-3m/min速度退卷浸入浓度为5％的Nafion溶液中，经0.1-0.3MPa的橡胶辊挤轧，然后浸入浓度为10％的Nafion溶液中，再经0.3-0.5MPa的橡胶辊挤轧得到树枝状纳米纤维/Nafion复合膜。

(2)树枝状纳米纤维/Nafion复合膜热烘干燥