一种具有质子传导性能的聚酰胺膜及其制备方法

摘要

本发明属于聚酰胺膜的改性，涉及一种功能性聚酰胺膜的制备，特别是涉及一种具有质子传导性能的聚酰胺膜及其制备方法，具体地说是一种通过酸掺杂改性的具有质子传导性能的聚酰胺膜及其制备方法。一种具有质子传导性能的聚酰胺膜，为磷酸或硫酸掺杂的聚酰胺膜，具备连续均匀的多孔结构，所述的具有质子传导性能的聚酰胺膜的质子传导率为1.92×10-3～8.74×10-2S.cm-1。一种具有质子传导性能的聚酰胺膜的制备方法，是将聚酰胺制成50～150μm厚的膜，然后分别用磷酸和硫酸掺杂所述聚合物膜，使所述聚合物膜获得质子传导能力。经酸掺杂后具有较高的质子传导率；该制备方法操作简单，对设备无特殊要求，成本较低。

权利要求

1.一种具有质子传导性能的聚酰胺膜的制备方法，其特征是：所述的制备方法是将聚酰胺制成95～150μm厚的聚合物膜，然后分别用磷酸或硫酸掺杂所述聚合物膜，使其获得质子传导能力；

分别用磷酸和硫酸掺杂所述聚合物膜的具体步骤为：将所述聚合物膜在摩尔浓度为

2M～10M的磷酸水溶液或硫酸水溶液中浸泡25～100小时，取出干燥后得到磷酸或硫酸掺杂的具有质子传导能力的聚酰胺膜；所述的具有质子传导性能的聚酰胺膜的质子传导率为-3 -2 -1

1.92×10 ～8.74×10 S·cm ；

所述聚合物膜的制备方法包括如下步骤：将聚酰胺溶于有机溶剂中，得到质量分数为

5～10wt%的溶液，倒入平整的培养皿中，于90～150℃烘箱中烘放15～25小时，待溶剂完全挥发，制得厚度为95～150μm的聚合物薄膜；

其中，所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺或二甲亚砜。

2.根据权利要求1所述的一种具有质子传导性能的聚酰胺膜的制备方法，其特征在于，所述的具有质子传导性能的聚酰胺膜的厚度为95～150μm。

说明书

一种具有质子传导性能的聚酰胺膜及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于聚酰胺膜的改性，涉及一种功能性聚酰胺膜的制备，特别是涉及一种具有质子传导性能的聚酰胺膜及其制备方法，具体地说是一种通过酸掺杂改性的具有质子传导性能的聚酰胺膜及其制备方法。

背景技术

[0002] 能源短缺、生态环境持续恶化等问题是世界经济发展所面临的严重考验，因此开发能源利用率高和环境友好的新型能源变得日益必要和迫切。燃料电池作为一种清洁、高效、安全的新型能源受到了人们的广泛关注，并显现了良好的市场开发前景。其中质子交换膜燃料电池因其能量密度高、环境污染小以及所用电解质为固体因而对材料的腐蚀性低而倍受青睐。

[0003] 质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件，决定着电池的综合性能。而已经商品化的全氟质子交换膜价格昂贵，甲醇渗透性高，并且不能再高温下使用。所以将高性能聚合物通过酸、碱掺杂来获得质子传导性，从而应用于质子交换膜这一研究方向越来越受关注。

[0004] 聚酰胺由二元酸和二元胺合成得到、分子主链的重复结构单元中含有酰胺基(-CONH-)的一类聚合物，包括脂肪族聚酰胺、脂肪-芳香族聚酰胺以及全芳香族聚酰胺。作为高结晶性的聚合物，聚酰胺具有高强度、耐磨、耐热、耐油和耐化学腐蚀等优良的性能。由于综合性能优异，因此通过改性来制备具有特殊功能的聚酰胺成为目前的研究热点。

[0005] Hiroshi，M.等人(J.Polym.Sci.，Part A：Polym.Chem.，1990，28(3)：465-477)在聚酰胺的支链中引入极性的柔性结构，通过破坏全刚性结构减小分子间相互作用、增加分子链段的构象来改善其溶解性。

[0006] Liaw等人(Polymer，2006，47(7)：2337-2348)将三氟甲基取代基引入聚酰胺的分子链中，改善了聚合物的耐热性能、机械性能以及在有机溶剂中的溶解性能，并降低了聚合物的介电常数和吸湿性。

[0007] 但是已有的改性研究主要集中在改善聚酰胺的溶解性、提高耐热性和阻燃性、降低聚合物介电常数等方面，未见有通过酸掺杂改性使其具备质子传导能力的报导。

发明内容

[0008] 本发明提供了一种具有质子传导性能的聚酰胺膜及其制备方法，具体地说是一种通过酸掺杂改性的具有质子传导性能的聚酰胺膜及其制备方法。本发明所要解决的技术问题是酸掺杂聚酰胺膜的制备，采用溶解性好、耐热性优异的聚酰胺浇铸成膜，经酸掺杂后具有较高的质子传导率；该制备方法操作简单，对设备无特殊要求，成本较低。

[0009] 本发明的一种具有质子传导性能的聚酰胺膜，为磷酸或硫酸掺杂的聚酰胺膜，具备连续均匀的多孔结构，所述的具有质子传导性能的聚酰胺膜的质子传导率为-3 -2 -11.92×10 ～8.74×10 S.cm ，可应用于燃料电池中的质子交换膜。

[0010] 作为优选的技术方案：

[0011] 如上所述的一种具有质子传导性能的聚酰胺膜的厚度为50～150μm。

[0012] 本发明还提供了一种具有质子传导性能的聚酰胺膜的制备方法，将聚酰胺溶于有机溶剂中，得到质量分数为5～10wt％的溶液，采用溶液浇铸成膜法制得50～150μm厚的膜，然后分别用磷酸和硫酸掺杂所述聚合物膜，使所述聚合物膜获得质子传导能力；可应用于燃料电池中的质子交换膜。

[0013] 所述的分别用磷酸和硫酸掺杂聚合物膜的具体步骤为：将所述聚合物膜在摩尔浓度为2M～10M的磷酸水溶液或硫酸水溶液中浸泡20～100小时，取出干燥后得到磷酸或硫酸掺杂的具有质子传导性能的聚酰胺膜；所述的具有质子传导性能的聚酰胺膜的质子传-3 -2 -1导率为1.0×10 ～9.0×10 S.cm 。

[0014] 其中，如上所述的一种具有质子传导性能的聚酰胺膜的制备方法，所述聚合物膜的制备方法为工业化挤出制膜生产方法或溶液浇铸成膜方法。可以采用成熟的工业化挤出制膜生产方法，也可以采用溶液浇铸的方法成膜。对于少量聚合物的样品，适合采用溶液浇铸的方法成膜。

[0015] 如上所述的一种具有质子传导性能的聚酰胺膜的制备方法，所述的溶液浇铸成膜方法包括如下步骤：将聚酰胺溶于有机溶剂中，得到质量分数为5～10wt％的溶液，倒入平整的培养皿中，于90～150℃烘箱中烘放15～25小时，待溶剂完全挥发，制得厚度为50～150μm的聚合物薄膜；可通过控制溶液浓度来控制膜的厚度；

[0016] 所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基乙酰胺或二甲亚砜。

[0017] 有益效果

[0018] (1)本发明制备的酸掺杂聚酰胺膜具备质子传导能力；

[0019] (2)该制备方法操作简单，对设备无特殊要求，成本较低。

具体实施方式

[0020] 下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

[0021] 本发明的一种具有质子传导性能的聚酰胺膜，为磷酸或硫酸掺杂的聚酰胺膜，具备连续均匀的多孔结构，所述的具有质子传导性能的聚酰胺膜的质子传导率为-3 -2 -11.92×10 ～8.74×10 S.cm ，可应用于燃料电池中的质子交换膜。

[0022] 其中，所述的具有质子传导性能的聚酰胺膜的厚度为50～150μm。

[0023] 实施例1

[0024] 聚合物膜的制备采用溶液浇铸成膜方法，称取一定量的聚酰胺于烧杯中，加入N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)配制成质量分数为8wt％的聚合物溶液，倒入平整的表面皿中，于90℃烘箱中烘放25小时，待溶剂完全挥发，制得厚度在104μm的聚合物薄膜。将得到的聚合物薄膜在2M的磷酸水溶液中浸泡48小时，制得磷酸掺杂的聚酰胺薄膜，通过电化学工作-3
站测得其质子传导率，为5.97×10 。

[0025] 实施例2