一种S-SiO2纳米纤维聚合物复合质子交换膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种S

【技术实现步骤摘要】
一种S
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SiO2纳米纤维聚合物复合质子交换膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及氢燃料电池制备
，特别涉及一种S
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SiO2纳米纤维聚合物复合质子交换膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。质子交换膜燃料电池相对于其他能源转换形式来讲，有很多得天独厚的优势，PEMFC由于其轻质、能量密度高、相对较低的运行温度(60
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80℃)、反应氧化剂(空气)易得、较短的启动时间和针对能量需求有很好的响应等优秀的特质，因此，质子交换膜燃料电池市场前景广阔，小到便携式用电设备、小型固定基站，大到纯电动汽车、航空航天及军事领域，其应用范围不断扩大。
[0003]聚醚醚酮(poly ether ether ketone，PEEK)是一种熔点高达334℃的结晶性聚合物，又是耐热等级最高、综合性能最好的工程塑料。但是PEEK只溶于酸性物质，不能直接用于PEM，故必须将PEEK磺化。磺化聚醚醚酮(SPEEK)玻璃化温度高，高温下具有较好的稳定性，不仅具有质子传导能力，而且力学性能优异。突显了磺化聚醚醚酮在氢燃料电池用质子交换膜方面的应用前景。SPEEK膜的电导率、阻醇性能及机械性能都与磺化度(DS)有很大的关系。随着磺化度增大，膜的质子传导率大幅度提高，但也造成了质子交换膜的尺寸性能严重下降。
[0004]目前，提高SPEEK阻醇性能以及尺寸稳定性能的方法主要有三种：无机粒子参杂法、高性能聚合物共混以及SPEEK分子间交联法。无机粒子参杂法可以使质子交换膜阻醇性能以及高温下抗水溶胀性能有所提高，但由于掺杂的无机物本身不具备导电性或导电率太低，造成膜的导电性能降低，膜阻抗高，获得的质子交换膜的综合性能较差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的专利技术目的在于：针对目前无机粒子掺杂法使膜的导电性能降低的问题，提供一种S
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SiO2纳米纤维聚合物复合质子交换膜及其制备方法，本专利技术通过掺杂S
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SiO2纳米纤维，在提高质子交换膜机械性能的同时，还提高了膜的导电性能，克服了现有无机粒子掺杂法所存在的不足。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：一种S
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SiO2纳米纤维聚合物复合质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1、将正硅酸乙酯、水、乙醇按比例搅拌混合，然后加入草酸，得到SiO2水解液；
[0008]S2、将聚乙烯醇缩丁醛酯溶解于乙醇中，配制PVB
‑
乙醇溶液，将SiO2水解液与PVB
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乙醇溶液混合并搅拌均匀，得到前驱体纺丝液；
[0009]S3、以前驱体纺丝液为原料，采用静电纺丝的方式获得SiO2纳米纤维膜，将SiO2纳米纤维膜于700
‑
900℃煅烧，得到煅烧后的纤维膜；
[0010]S4、将煅烧后的纤维膜磨成粉末，并添加到甲醇和浓硫酸的混合溶液中搅拌，然后放入干燥箱中干燥后，再磨成粉末，得到S
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SiO2纳米纤维；
[0011]S5、取磺化聚苯乙烯和磺化聚醚醚酮分别于溶剂中溶解，然后混合搅拌，再加入S
‑
SiO2填料，搅拌均匀并干燥后，即得。
[0012]在本专利技术中，本专利技术通过添加SiO2纳米纤维来提高磺化聚苯乙烯和磺化聚醚醚酮质子交换膜的机械强度，同时，通过将SiO2纳米纤维进行磺化处理，试验证明，其提高了质子交换膜的吸水性，从而从整体上提高了质子交换膜的质子传导率，克服了现有技术所存在的不足。
[0013]在本专利技术中，所述正硅酸乙酯、水、乙醇三者的摩尔比为1:(2
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5)：(0.2
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2)，具体摩尔比根据实际情况选择。
[0014]在本专利技术中，所述草酸与正硅酸乙酯的摩尔比为0.005
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0.03:1。草酸主要作为正硅酸乙酯(TEOS)水解的催化剂，其具体用量根据实际需要选择。
[0015]在本专利技术中，PVB
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乙醇溶液中，PVB的质量分数为20
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30％，SiO2水解液与PVB
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乙醇溶液的质量比为2
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4:1。相应地，具体用量根据实际需要选择。
[0016]进一步，在S3中，将前驱体纺丝液转移到注射器中，电压设置15KV，进给速度设置1mL/h，距离针头10cm处收集，获得SiO2纳米纤维膜，再以4
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6℃/min的升温速率从室温升至700
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900℃煅烧2
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4h，自然降温至室温后，取出即得到煅烧后的纤维膜。
[0017]进一步，磺化聚醚醚酮的磺化方法为：将聚醚醚酮粉末放置于反应器中，然后加入过量的浓硫酸，在30
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80℃下搅拌浸泡一定时间，直至聚醚醚酮完全溶解，然后准备冰水将所得溶液缓慢倒入，析出即得。
[0018]进一步，在S5中，磺化聚苯乙烯和磺化聚醚醚酮的质量比为0.5
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2:1，具体用量根据实际需要选择。
[0019]在本专利技术中，所述S
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SiO2纳米纤维占磺化聚苯乙烯和磺化聚醚醚酮总质量的0.5
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3％。S
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SiO2纳米纤维的含量最好在此范围内，如果S
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SiO2纳米纤维含量过高，虽然会提高机械强度，但会降低质子传导率，反之，如果S
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SiO2纳米纤维含量过低，则交换膜的机械强度会降低。
[0020]在本专利技术中，所述质子交换膜的厚度0.02—0.04cm。质子交换膜的厚度最好再次范围内，过厚或过薄均不利于质子交换膜性能的表达，例如，如果制备得到的质子交换膜过厚，则在制备过程中，S
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SiO2纳米纤维极易发生沉积现象，导致S
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SiO2纳米纤维分布不均匀，进而使得最终获得的质子交换膜的性能均一性较差，达不到高性能质子膜的要求。
[0021]本专利技术还包括一种S
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SiO2填料聚合物复合质子交换膜，所述S
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SiO2纳米纤维聚合物复合质子交换膜由上述制备方法制备得到。
[0022]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0023]1、相比于普通颗粒状的无机填料，纳米纤维状的无机填料对质子交换膜的机械强度提高的幅度更大，韧性更好，其耐水性和热稳定性方面也表现优异，使用效果明显优于普通颗粒状无机填料；
[0024]2、本专利技术的SiO2纳米纤维不同于普通无机纤维，具有纳米网状结构的SiO2纳米纤维，其空隙小而密，其吸水性更优于普通无机纤维，同时，将SiO2纳米纤维进行磺化处理时，其磺化处理效果也更好，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种S
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SiO2纳米纤维聚合物复合质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将正硅酸乙酯、水、乙醇按比例搅拌混合，然后加入草酸，得到SiO2水解液；S2、将聚乙烯醇缩丁醛酯溶解于乙醇中，配制PVB
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乙醇溶液，将SiO2水解液与PVB
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乙醇溶液混合并搅拌均匀，得到前驱体纺丝液；S3、以前驱体纺丝液为原料，采用静电纺丝的方式获得SiO2纳米纤维膜，将SiO2纳米纤维膜于700
‑
900℃煅烧，得到煅烧后的纤维膜；S4、将煅烧后的纤维膜磨成粉末，并添加到甲醇和浓硫酸的混合溶液中搅拌，然后放入干燥箱中干燥后，再磨成粉末，得到S
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SiO2纳米纤维；S5、取磺化聚苯乙烯和磺化聚醚醚酮分别于溶剂中溶解，然后混合搅拌，再加入S
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SiO2纳米纤维，搅拌均匀并干燥后，即得。2.如权利要求1所述的S
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SiO2纳米纤维聚合物复合质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述正硅酸乙酯、水、乙醇三者的摩尔比为1:(2
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5)：(0.2
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2)。3.如权利要求2所述的S
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SiO2纳米纤维聚合物复合质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述草酸与正硅酸乙酯的摩尔比为0.005
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0.03:1。4.如权利要求3所述的S
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SiO2纳米纤维聚合物复合质子交换膜的制备方法，其特征在于，PVB
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乙醇溶液中，PVB的质量分数为20
‑
30％，SiO2水解液与PVB
‑
乙醇溶液的质量比为2
‑
4:1。...

【专利技术属性】
技术研发人员：周洋，万仁杰，杨大祥，廖敏会，张睿成，
申请(专利权)人：重庆交通大学绿色航空技术研究院，
类型：发明
国别省市：