一种纤维管式透湿膜及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种纤维管式透湿膜及其制备方法。该纤维管式透湿膜由全氟磺酸离子交换树脂和高吸水性塑料短纤维复合制备而成，其中树脂为连续相、纤维为分散相，且20-90%的高吸水性塑料短纤维的端部会露出纤维管膜靠近湿气或水的一侧。本发明的纤维管式透湿膜机械强度高，适用于高压差条件下气体的增湿或干燥，且具备高湿气透过率及良好的气体阻隔性，尤其适用于燃料电池的气体增湿系统。
【专利说明】一种纤维管式透湿膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纤维管式透湿膜及其制备方法，具体地说是一种在燃料电池增湿系统中应用的纤维管式透湿膜及其制备方法，属于功能膜【技术领域】。
【背景技术】
[0002]透湿膜是航天航空、医疗设备及新能源汽车重要部件的关键材料。透湿膜属于亲水性膜，膜的种类可以是有机膜或无机膜，膜的形态可以是平板式，也可以是具有很高装填密度的中空纤维式。其应用主要是利用了该功能薄膜具有强亲水基团，通过吸湿传导，从而具有透湿的功能。
[0003]质子交换膜燃料电池具有环保、高效、启动速度快、功率密度大等优点，被认为是未来交通动力系统的主要竞争者之一。质子交换膜只有在适当湿润条件下燃料电池才能获得良好的工作性能。燃料电池空气和氢气进气都需要被增湿以防止质子交换膜脱水降低电池性能及工作寿命，使燃料电池得以高效工作。
[0004]渗透膜增湿器是目前燃料电池中最常用的大功率增湿器，这种增湿器所用的膜有很多种:微滤膜、超滤膜、反渗透膜、TESLINi膜、NAFIONi膜和G0RE-TEX0膜。其中以传统的NAF10N0膜最为常见。目前，该材料几乎全部是采用DuPont公司生产的Nafionl 15膜和Nafionll7膜。Nafion膜为全氟磺酸膜，其价格昂贵成为该类增湿膜的一个主要发展障碍，因此降低成本或开发效率更高的产品为全氟磺酸类透湿膜的一个发展趋势。
[0005]中国专利文献CN1621136A (申请号200310119265.5)公开了一种纤维素中空纤维气体增湿膜，但该类膜为湿法纺制，存在溶剂回收等繁杂工艺，且透湿效果及使用寿命方面与全氟磺酸类膜还存在较大差距。
[0006]也有文献尝试将碳氢类的渗透膜应用于燃料电池增湿系统，但由于水在膜中的扩散通量受扩散系数以及膜两侧浓度差的限制，一旦选定了某种膜增湿器，其中水的扩散通量就会被限制在一定范围之内，对于车载的大功率燃料电池而言，所需要的膜增湿器一般体积较大，且膜增湿器的系统动态响应慢，难以实现增湿量的精确控制；长时间使用之后膜容易破损，造成串气。
【发明内容】
[0007]本发明针对现有技术的不足，提供一种在高压差条件下具有更高水通量、低气体渗透、高强度的纤维管式透湿膜，该膜更适用于燃料电池的气体增湿系统。同时，提供该透湿膜的制备方法，该方法工艺简单、易操作、无污染。
[0008]术语说明
[0009]全氟磺酸离子交换树脂，具有下式I所示的结构通式:
[0010]
【权利要求】
1.一种纤维管式透湿膜，其特征在于，由全氟磺酸离子交换树脂和高吸水性塑料短纤维共混复合制备而成的横截面为圆环形的管状的透湿膜，透湿膜外径为1.0?1.6_、内径为0.6?1.2mm、厚度为20?500微米,透湿膜为两相疏松结构,其中全氟磺酸离子交换树脂为连续相，高吸水性塑料短纤维为分散相，所述的分散相占纤维管式透湿膜总质量的质量百分数为2?40%，20?90%的高吸水性塑料短纤维的端部露出纤维管式透湿膜靠近湿气或水的一侧。
2.如权利要求1所述的纤维管式透湿膜，其特征在于，所述的全氟磺酸离子交换树脂的离子交换容量为0.8?1.8mmol/g0
3.如权利要求1所述的纤维管式透湿膜，其特征在于，所述的高吸水性塑料短纤维选自天然高分子改性吸水塑料短纤维、聚丙烯酸系列高吸水性塑料短纤维、聚丙烯脂系列高吸水性塑料短纤维、聚乙烯醇系列高吸水性塑料短纤维或聚环氧乙烯、异丁烯顺酐类高吸水性塑料短纤维之一或两者以上的混合物。
4.如权利要求3所述的纤维管式透湿膜，其特征在于，所述的高吸水性塑料短纤维选自聚丙烯酸系列高吸水性塑料短纤维、聚丙烯脂系列高吸水性塑料短纤维、聚乙烯醇系列高吸水性塑料短纤维或聚环氧乙烯类高吸水性塑料短纤维、异丁烯顺酐类高吸水性塑料短纤维之一或两者以上的混合物。
5.如权利要求1所述的纤维管式透湿膜，其特征在于，所述的高吸水性塑料短纤维的长度为5?100_，粗细为10?100旦。
6.如权利要求5所述的纤维管式透湿膜，其特征在于，所述的高吸水性塑料短纤维的长度为10?50_。
7.—种权利要求1所述纤维管式透湿膜的制备方法，其特征在于，步骤如下: 1)按比例称取全氟磺酸离子交换树脂和高吸水性塑料短纤维，采用双螺杆挤出机在180?280°C条件下进行共混造粒，制得共混粒料； 2)将步骤I)制得的共混粒料加入到单螺杆挤出机中，在180?280°C条件下进行熔融塑化，熔体通过纤维管式模具挤出，经过真空定径、冷却、牵伸后成型，制得纤维管膜； 所述纤维管式模具的成型模芯靠近纤维管式透湿膜靠近湿气或水的一侧的成型面的粗糙度为Ra3.2,6.3或12.5 μ m，另一侧的成型面的粗糙度为Ra0.005 μ m ； 3)将步骤2)制得的纤维管膜转化为氢型功能膜，制得纤维管式透湿膜。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中的转化，步骤如下: 将步骤2)制得的纤维管膜在85?95°C、质量百分浓度10?20%的氢氧化钠溶液中浸泡100?200小时，之后采用质量百分浓度3?8%的硫酸溶液清洗2?3遍，然后在85?95°C、质量百分浓度4?9%的硫酸溶液中浸泡2?3次，每次10?15小时，最后用纯净水清洗2?4遍后再浸泡在85?95°C的纯水中，每隔2?3小时换一次水，直至纯水呈中性，制得纤维管式透湿膜。
9.权利要求1所述纤维管式透湿膜在制备燃料电池组增湿系统中的应用。
【文档编号】B01D71/36GK103551059SQ201310517323
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月28日 优先权日:2013年10月28日
【发明者】王婧, 宗少杰, 赵宽, 王学军 申请人:山东东岳高分子材料有限公司