三元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种三元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜及其制备方法。该质子交换膜的组分及质量百分含量为：磺化度为57%～80%的磺化聚苯硫醚75%～98.5%，三元掺杂相1.5%～25%。本发明采用中高磺化度SPPS作为基体材料，以克服过高磺化度SPPS存在的吸水率过高，复合膜稳定性较差的缺点，并保证复合膜具有一定的吸水率；采用稀土金属氧化物纳米氧化钇、磷钨酸和聚磷腈衍生物三元掺杂的方式，使SPPS基体与该掺杂材料之间发生作用，以提高复合膜的综合性能。
【专利说明】三元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种磺化聚苯硫醚质子交换膜及其制备方法，特别是一种三元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]磺化聚苯硫醚(SPPS)材料由于具有高机械强度、较好的热稳定性及化学稳定性而成为直接甲醇燃料电池质子交换膜的研究重点。用磺化试剂如浓硫酸对聚苯硫醚(PPS)进行磺化，将磺酸基团引入到PPS主链上，由于磺酸基亲水相与聚合物骨架上苯环、碳硫键等疏水相的存在，可使得SPPS材料具有一定的质子传导率，且SPPS材料较低的合成成本、良好的机械强度和优良的热稳定性可满足燃料电池对质子交换膜的要求。但是此种材料的磺化度(DS)会直接影响质子交换膜各方面的性能，低DS的SPPS质子交换膜具有较好的机械强度、阻醇性能和热稳定性，但是由于磺酸基团的数量较少，两相分离不明显，其质子传导率不够理想，阻碍了燃料电池电化学循环反应。而高DS的SPPS质子交换膜虽具有较高的质子传导率，但其机械强度降低、吸水率及溶胀度过高、在高温下SPPS会在甲醇中发生降解，严重影响膜的稳定性及燃料电池的寿命。由于磺化度对质子交换膜材料性能存在相互矛盾的作用，在SPPS质子交换膜的方案设计上，通常需要对SPPS磺化度及改性的方式进行综合考虑，不能顾此失彼。
【发明内容】
[0003]本发明的目的之一在于提供一种三元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜。
[0004]本发明的目的之二在于提供该质子交换膜的制备方法。
[0005]为达到上述目的，本发明所依据的机理为:聚磷腈是以氮磷原子单双键交替排列为主链骨架、以不同的有机基团为侧链的一类新型有机-无机聚合物。聚磷腈衍生物由于其主链优越的柔顺性和侧基取代多样性，有希望成为新一类用于改性直接甲醇燃料电池的材料。磷钨酸(H3PW12O4tl)作为一种杂多酸，内部还有大量的吸附水、结晶水以及结构水，而大量水分子的存在会对质子交换膜的质子传导起到促进作用，因此磷钨酸理论上能显著提高质子交换膜的质子传导率。而稀土氧化物氧化钇能使SPPS质子交换膜结构更为致密，从而改善其阻醇性能，且纳米级的氧化钇在SPPS膜中的分散性较好，不易发生沉聚等现象。
[0006]根据上述理论，本发明采用如下技术方案:
一种三元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜，其特征在于该质子交换膜的组分及质量百分含量为:
磺化聚苯硫醚 75.0%~98.5% ；
三元掺杂相1.5%~25.0% ；
所述的磺化聚苯硫醚的结构式为:
【权利要求】
1.一种三元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜，其特征在于该质子交换膜的组分及质量百分含量为: 磺化聚苯硫醚 75.0%~98.5% ； 三元掺杂相 1.5%~25.0% ； 所述的磺化聚苯硫醚的结构式为:
2.根据权利要求1所述的三元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜，其特征在于所述的磺化聚苯硫醚的磺化度为57%~80%的。
3.根据权利要求1所述的三元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜，其特征在于所述的氧化乾粒径为50~90 nm。
4.一种制备权利要求1、2或3中任一项所述的三元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜的方法，其特征在于该方法的具体步骤为:将磺化聚苯硫醚质子交换膜和三元掺杂相分散于制膜溶剂中，配制成固体含量为5%~30%的制膜液，充分搅拌均匀后，将该制膜液成膜后经干燥、冷却、揭膜，得到三元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜。
【文档编号】H01M8/02GK103490084SQ201310425382
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】郭强, 李夏, 钱君质, 毕宸洋, 张天骄, 陈新新 申请人:上海大学