一种多孔聚四氟乙烯膜及其制备方法和应用与流程

本发明属于氢能燃料电池，具体涉及一种多孔聚四氟乙烯膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、氢气因其可再生性、燃烧不会产生温室气体等特点，被称为是21世纪最清洁的能源，氢能被认为解决能源问题的最佳方法之一，将来有望在人类可持续发展中发挥关键作用。

2、燃料电池是目前利用氢能的途径之一，氢气和氧气在燃料电池内并不会直接接触，而是在质子交换膜(proton-exchange membrane)上进行传递质子的反应，因此如何开发高性能、高质量的质子交换膜是目前研究的重点。早期质子交换膜完全由nafion树脂做成，也称均质膜，但是均质膜目前很难适应燃料电池工作复杂多项的要求(如湿度、温度、机械性质)，因此增强质子交换膜的强度和稳定性以及耐久性是亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

2、研究发现全氟磺酸nafion的主链结构和聚四氟乙烯的相似性导致他们的相容性很好，因此工业中使用聚四氟乙烯纤维来增强质子交换膜的强度或稳定性。

3、现有的技术中虽然制备了一系列的聚四氟乙烯膜，但是这些膜大多数厚度均匀性差，膜面稳定性较差，将它们应用到质子交换膜生产时，会导致质子交换膜分层。原因在于聚四氟乙烯微观纤维不规则，导致膜强度很低，容易坍塌。由于种种局限性导致现有的聚四氟乙烯材料很难应用到新能源燃料电池质子交换膜的生产工艺中，因此研究一种专业用作质子交换膜增强层的聚四氟乙烯材料就显得尤为重要。

4、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种多孔聚四氟乙烯膜的制备方法，该方法制得的聚四氟乙烯膜具有多孔、高孔隙率、强度高的特点，用于加工制作质子交换膜时，由于多孔、孔径大，在表面刮涂全氟磺酸树脂后，聚四氟乙烯膜表面会被树脂完全填充，表现出极高的适配性，极大的提高了质子交换膜的强度。

5、本发明实施例的一种多孔聚四氟乙烯膜的制备方法，包括以下步骤：

6、(1)将聚四氟乙烯树脂与助剂油混合进行熟化后，挤出得到棒状材料，再将所述棒状材料压制成卷材；

7、(2)将所述步骤(1)得到的卷材除去助剂油后，经过纵向拉伸得到聚四氟乙烯薄膜；

8、(3)将所述步骤(2)得到的聚四氟乙烯薄膜进行横向拉伸，冷却后收卷得到横拉卷；

9、(4)将所述步骤(3)得到的横拉卷再次进行横向拉伸，冷却后收卷得到多孔聚四氟乙烯膜。

10、本发明实施例的多孔聚四氟乙烯膜的制备方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施例的方法，先进行纵向拉伸，再进行横向拉伸，纵向拉伸可以消除分子间的部分应力，为后续的横向拉伸处理做准备；2、本发明实施例的方法，进行两次横向拉伸处理，两次横向拉伸能够增大产品的拉伸极限，得到充分拉伸后的聚四氟乙烯膜的孔隙率高、结晶度小、强度大，是普通膜的2倍以上；3、本发明实施例的方法，制得的聚四氟乙烯薄膜具有孔隙率高、孔径大、强度高的特点，适合在质子交换膜中应用；4、本发明实施例的方法，生产工艺简单，聚四氟乙烯树脂原料适应性广，便于在工业生产中推广应用。

11、在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述聚四氟乙烯树脂与助剂油的质量比为2～6:1；和/或，所述熟化的温度为40～80℃，熟化的时间为20～30h。

12、在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述纵向拉伸后得到的聚四氟乙烯薄膜的厚度为0.15mm～0.25mm。

13、在一些实施例中，所述步骤(3)和/或所述步骤(4)中，所述横向拉伸中，横向拉伸设备的预热区的温度为100～250℃，拉伸区的温度为180～280℃，热定型区的温度为250～380℃。

14、在一些实施例中，所述步骤(3)中，所述聚四氟乙烯薄膜在横向拉伸设备的预热区运行的速度为1～1.5m/min，拉伸区运行的速度为0.5～1.5m/min，热定型区运行的速度为1～3m/min。

15、在一些实施例中，所述步骤(3)中，所述聚四氟乙烯薄膜在横向拉伸设备的预热区保留10～30min，拉伸区保留5～15min，热定型区保留10～30min。

16、在一些实施例中，所述步骤(4)中，所述横拉卷在横向拉伸设备的预热区运行的速度为2～3m/min，拉伸区运行的速度为1～2m/min，热定型区运行的速度为1～2m/min。

17、在一些实施例中，所述步骤(4)中，所述横拉卷在横向拉伸设备的预热区保留10～15min，拉伸区保留5～10min，热定型区保留15～25min。

18、本发明实施例还提供了一种多孔聚四氟乙烯膜，采用上述方法制得。

19、本发明实施例的多孔聚四氟乙烯膜带来的优点和技术效果，1、本发明实施例的多孔聚四氟乙烯膜具有孔隙率高、孔径大、强度高的特点，厚度为0.005～0.015mm且厚度均一性好；2、本发明实施例的多孔聚四氟乙烯膜，用于制备质子交换膜时，一方面极大提高了nafion树脂颗粒与聚四氟乙烯膜孔隙互相交融的可能性，另一方面，聚四氟乙烯膜的多孔结构作为骨架能够支撑起质子交换膜，大幅提升了质子交换膜的强度。

20、本发明实施例还提供了一种质子交换膜，包括上述方法制得的多孔聚四氟乙烯膜或上述多孔聚四氟乙烯膜。

21、本发明实施例的质子交换膜带来的优点和技术效果，本发明实施例中的质子交换膜具有本发明实施例的多孔聚四氟乙烯膜的全部技术特征，因此具有本发明实施例的多孔聚四氟乙烯膜带来的全部优点和技术效果，在此不再赘述。

技术特征：

1.一种多孔聚四氟乙烯膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的多孔聚四氟乙烯膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述聚四氟乙烯树脂与助剂油的质量比为2～6:1；和/或，所述熟化的温度为40～80℃，熟化的时间为20～30h。

3.根据权利要求1所述的多孔聚四氟乙烯膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述纵向拉伸后得到的聚四氟乙烯薄膜的厚度为0.15mm～0.25mm。

4.根据权利要求1所述的多孔聚四氟乙烯膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)和/或所述步骤(4)中，所述横向拉伸中，横向拉伸设备的预热区的温度为100～250℃，拉伸区的温度为180～280℃，热定型区的温度为250～380℃。

5.根据权利要求1或4所述的多孔聚四氟乙烯膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述聚四氟乙烯薄膜在横向拉伸设备的预热区运行的速度为1～1.5m/min，拉伸区运行的速度为0.5～1.5m/min，热定型区运行的速度为1～3m/min。

6.根据权利要求5所述的多孔聚四氟乙烯膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述聚四氟乙烯薄膜在横向拉伸设备的预热区保留10～30min，拉伸区保留5～15min，热定型区保留10～30min。

7.根据权利要求1或4所述的多孔聚四氟乙烯膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述横拉卷在横向拉伸设备的预热区运行的速度为2～3m/min，拉伸区运行的速度为1～2m/min，热定型区运行的速度为1～2m/min。

8.根据权利要求7所述的多孔聚四氟乙烯膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述横拉卷在横向拉伸设备的预热区保留10～15min，拉伸区保留5～10min，热定型区保留15～25min。

9.一种多孔聚四氟乙烯膜，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的方法制得。

10.一种质子交换膜，其特征在于，包括采用权利要求1～8任一项所述的方法制得的多孔聚四氟乙烯膜或权利要求9所述的多孔聚四氟乙烯膜。

技术总结
本发明属于氢能燃料电池技术领域，具体涉及一种多孔聚四氟乙烯膜及其制备方法和应用。本发明提供的一种多孔聚四氟乙烯膜的制备方法，包括以下步骤：(1)将聚四氟乙烯树脂与助剂油混合进行熟化后，挤出得到棒状材料，再将所述棒状材料压制成卷材；(2)将卷材除去助剂油后，经过纵向拉伸得到聚四氟乙烯薄膜；(3)将聚四氟乙烯薄膜进行横向拉伸，冷却后收卷得到横拉卷；(4)将横拉卷再次进行横向拉伸，冷却后收卷得到多孔聚四氟乙烯膜。该方法制得的聚四氟乙烯膜具有多孔、孔隙率高、强度高的特点，用于加工制作质子交换膜时极大的提高了质子交换膜的强度。

技术研发人员：李震康,李道喜,刘昊,方亮,戴双雄,刘贝贝,陈富斌,邓颖娇,马亚敏,夏丰杰,刘真
受保护的技术使用者：国家电投集团氢能科技发展有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13