本發(fā)明涉及高溫質(zhì)子交換膜制備，具體為一種膦酸接枝聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
1、高溫質(zhì)子交換膜是燃料電池等電化學(xué)器件的關(guān)鍵組成部分，它可以將氫氣和氧氣等電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子分離開來，從而產(chǎn)生電能，由于燃料電池在運(yùn)行過程中需要經(jīng)受高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕等嚴(yán)酷的條件，因此高溫質(zhì)子交換膜的制備要求具有較高的熱穩(wěn)定性、耐酸堿、良好的質(zhì)子導(dǎo)電性能和機(jī)械強(qiáng)度等性能。
2、目前已有許多方法制備高溫質(zhì)子交換膜，但現(xiàn)有的制備方法制備高溫質(zhì)子交換膜的成本較高，導(dǎo)致燃料電池的生產(chǎn)成本較高，同時(shí)，現(xiàn)有制備方法制備出來的高溫質(zhì)子交換膜在熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和質(zhì)子導(dǎo)電性都不夠優(yōu)異。
3、因此，需要開發(fā)一種合適的制備方法，來制備具有優(yōu)異性能的高溫質(zhì)子交換膜，使其具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和質(zhì)子導(dǎo)電性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的就在于為了提高高溫質(zhì)子交換膜熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和質(zhì)子導(dǎo)電性，而提出的一種膦酸接枝聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜及其制備方法，其制備過程簡單，易于掌握和操作，生產(chǎn)效率高，且制備出來的產(chǎn)品在高溫環(huán)境下具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和質(zhì)子導(dǎo)電性能，且制備成本較低。
2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種膦酸接枝聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜，它由以下方法制備得到：
3、步驟一：將氯化磷酰和三苯膦在溶劑中混合，隨后在通氮?dú)鈼l件下加熱并攪拌，制成接枝劑；
4、步驟二：將步驟一中的接枝劑和聚苯并咪唑在溶劑中混合，攪拌，使聚苯并咪唑表面的羥基和磷酸酐反應(yīng)，形成膦酸接枝的聚苯并咪唑溶液；
5、步驟三：將步驟二中形成的膦酸接枝聚苯并咪唑溶液反復(fù)洗滌并過濾,之后進(jìn)行干燥操作，獲得膦酸接枝聚苯并咪唑；
6、步驟四：將步驟三中制備的膦酸接枝聚苯并咪唑溶入溶劑中后，在聚四氟乙烯模盤中涂膜，之后，再放入鼓風(fēng)烘箱干燥；
7、步驟五：將步驟四中干燥后的產(chǎn)品，置于硫酸溶液中浸泡,再反復(fù)水洗至中性,得到膦酸接枝的聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜。
8、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)在于：步驟一及步驟二中的溶劑均為二甲基亞砜、n，n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮、間甲酚、n，n-二甲基丙烯基脲以及二苯砜中的一種。
9、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)在于：步驟一氯化磷酰和三苯膦的摩爾比控制在1:0.4-0.8，加熱溫度控制在60-90℃，攪拌時(shí)間控制在20-40min。
10、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)在于：步驟二中接枝劑和聚苯并咪唑的摩爾比控制在0.4-1:1，攪拌時(shí)間控制在18-28h。
11、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)在于：步驟三中干燥的方法為：將洗滌并過濾后的膦酸接枝聚苯并咪唑，放在50-80℃環(huán)境下，干燥18-28h,再轉(zhuǎn)移到90-110℃的真空烘箱中干燥10-18h。
12、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)在于：步驟四中溶劑選擇二甲基亞砜，膦酸接枝聚苯并咪唑加入二甲基亞砜后，密度控制在1-4g/ml。
13、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)在于：步驟四中鼓風(fēng)烘箱的溫度控制在50-80℃，干燥時(shí)間控制在6-10h。
14、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)在于：步驟五中硫酸溶液的濃度控制在0.8-1.5?mol/l，浸泡時(shí)間控制在10-18h。
15、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)在于：該制備方法具體包括以下步驟：
16、步驟一：將氯化磷酰和三苯膦在溶劑中混合，隨后在通氮?dú)鈼l件下加熱并攪拌，制成接枝劑；
17、步驟二：將步驟一中的接枝劑和聚苯并咪唑在溶劑中混合，攪拌，使聚苯并咪唑表面的羥基和磷酸酐反應(yīng)，形成膦酸接枝的聚苯并咪唑溶液；
18、步驟三：將步驟二中形成的膦酸接枝聚苯并咪唑溶液反復(fù)洗滌并過濾，之后進(jìn)行干燥操作，獲得膦酸接枝聚苯并咪唑；
19、步驟四：將步驟三中制備的膦酸接枝聚苯并咪唑溶入溶劑中后，在聚四氟乙烯模盤中涂膜，之后，再放入鼓風(fēng)烘箱干燥；
20、步驟五：將步驟四中干燥后的產(chǎn)品，置于硫酸溶液中浸泡,再反復(fù)水洗至中性,得到膦酸接枝的聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜。
21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
22、（1）本發(fā)明，制備膦酸接枝聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜，整個(gè)制備過程簡單，易于掌握和操作，生產(chǎn)效率高，且制備出來的產(chǎn)品在高溫環(huán)境下具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和質(zhì)子導(dǎo)電性能。
23、（2）本發(fā)明，使用氯化磷酰和三苯膦進(jìn)行制備，氯化磷酰和三苯膦作為接枝劑能夠?qū)⒕酆衔锓肿又g的鍵結(jié)合得更加緊密，從而增強(qiáng)制備出來的高溫質(zhì)子交換膜的機(jī)械性能，以及提高其耐久度和穩(wěn)定性，此外，氯化磷酰和三苯膦等作為接枝劑生產(chǎn)成本相對較低，使用這些材料可以降低制造成本，使用氯化磷酰和三苯膦作為接枝劑也能夠有效提高反應(yīng)效率，通過該制備方法，使高溫質(zhì)子交換膜可以大量生產(chǎn)。
24、（3）本發(fā)明中，通過使用硫酸溶液浸泡膦酸接枝聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜，一方面，可以提高交換膜的耐化學(xué)性和穩(wěn)定性，減少交換膜的分解和老化，另一方面，硫酸溶液中含有大量h+離子，可以促進(jìn)交換膜內(nèi)的質(zhì)子傳遞，以及硫酸溶液可以改善交換膜的水合性能，提高交換膜的水合能力和水分子的擴(kuò)散速率，從而增強(qiáng)交換膜的電導(dǎo)性能。
1.一種膦酸接枝聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜，其特征在于：它由以下方法制備得到：
2.如權(quán)利要求1所述的一種膦酸接枝聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜，其特征在于：步驟一及步驟二中的溶劑均為二甲基亞砜、n，n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮、間甲酚、n，n-二甲基丙烯基脲以及二苯砜中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的一種膦酸接枝聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜，其特征在于：步驟一氯化磷酰和三苯膦的摩爾比控制在1:0.4-0.8，加熱溫度控制在60-90℃，攪拌時(shí)間控制在20-40min。
4.如權(quán)利要求1所述的一種膦酸接枝聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜，其特征在于：步驟二中接枝劑和聚苯并咪唑的摩爾比控制在0.4-1:1，攪拌時(shí)間控制在18-28h。
5.如權(quán)利要求1所述的一種膦酸接枝聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜，其特征在于：步驟三中干燥的方法為：將洗滌并過濾后的膦酸接枝聚苯并咪唑，放在50-80℃環(huán)境下，干燥18-28h,再轉(zhuǎn)移到90-110℃的真空烘箱中干燥10-18h。
6.如權(quán)利要求1所述的一種膦酸接枝聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜，其特征在于：步驟四中溶劑選擇二甲基亞砜，膦酸接枝聚苯并咪唑加入二甲基亞砜后，密度控制在1-4g/ml。
7.如權(quán)利要求1所述的一種膦酸接枝聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜，其特征在于：步驟四中鼓風(fēng)烘箱的溫度控制在50-80℃，干燥時(shí)間控制在6-10h。
8.權(quán)利要求1所述的一種膦酸接枝聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜，其特征在于：步驟五中硫酸溶液的濃度控制在0.8-1.5?mol/l，浸泡時(shí)間控制在10-18h。
9.一種如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的膦酸接枝聚苯并咪唑高溫質(zhì)子交換膜的制備方法，其特征在于：該制備方法具體包括以下步驟：