[发明专利]一种全氟磺酸树脂溶液溶剂的转换方法

说明书

技术领域

本发明涉一种分子链均匀分散的全氟磺酸树脂溶液溶剂的转换方法，该溶剂转换方法能够在不改变树脂分子链分散性、分子颗粒大小的情况下，实现溶剂的转换，进而对制备燃料电池用的以多孔聚四氟乙烯为基体，以全氟磺酸树脂为质子传导材料的复合型质子交换膜性能有很大的改善。

技术背景

燃料电池被认为是21世纪的绿色能源,并可能使“氢经济”成为现实。燃料电池（Fuel Cell,FC）是一种高效安静的电化学发电装置，全氟磺酸树脂质子交换膜燃料电池以其运行温度低，比功率大，对环境友好等优点在移动电器，汽车等行业中有很好的应用前景。而全氟磺酸树脂（Perfluorinatedsulfonicacidresin，PFSA）是制备质子交换膜燃料电池（Proton exchangemembranefuelcell,PEMFC）的关键材料，其性能特征与质子交换膜、催化剂以及燃料电池的整体输出性能都有着密切的关系，因此全氟磺酸树脂性能引起了相关邻域科研人员的广泛关注，而制备出能够满足生产需求的分子链分散均匀的全氟磺酸树脂溶液是其关键所在。

由于从市场上购买的全氟磺酸树脂溶液成品（例如：DuPont^TM系列等）以及由固体全氟磺酸树脂经高温高压容器在一定条件下溶解制备而成树脂溶液并不能满足以多孔聚四氟乙烯为基体的复合质子交换膜的制备需求。因此为制备出性能优异的复合膜，研究者对复合膜的制备工艺以及基体膜的改性进行了大量的研究。例如：在USPatent5,547,551、USPatent5,599,614、USPatent5,635,041、USPatent6,613,203、WOPatent00/78850A1等专利，主要从制备工艺的角度阐述的对复合膜制备以及性能的提高。为制备出树脂填充度高、质子传导性能好的燃料电池用质子交换膜，控制调节原材料的性能也是至关重要的。例如：武汉理工大学燃料电池课题组[中国专利CN100386367C]对多孔聚四氟乙烯为基体材料进行亲水处理，并获得了很理想的效果。因此全氟磺酸树脂溶液中溶剂对多孔聚四氟乙烯基体的浸润性以及树脂分子的粒径、分散状态对所制备的复合膜性能也有很大的影响。

尽管目前已经有关于全氟磺酸树脂溶液溶剂方面的一些研究[中国专利CN1464580、中国专利CN1181585C]，但其制备过程复杂耗时长，而且根据Hsiu-LiLin等人的研究表明温度对固态全氟磺酸树脂分子在溶液的分散行为有影响[JournalofPolymerScience:PartB:Polymer Physics,Vol.43,3044–3057(2005)]。因此在低温条件下，通过溶剂转换这种温和的方法可以成功的并且快速的在不影响全氟磺酸树脂分子链的分散形态和粒径的前提下实现溶剂的转换。

发明内容

本发明目的旨在提供一种全氟磺酸树脂溶液溶剂的转换方法。这种溶剂转化方法特点在于该全氟磺酸树脂溶液在转化溶剂前后树脂的分子链结构、粒径大小、链分散均匀性等性能保持不变。本方法主要工艺为新溶剂对原溶剂的置换过程，经溶剂转换后的全氟磺酸树脂溶液在制备以多孔聚四氟乙烯为基体的复合膜时，会促进质子传导树脂与基体膜更好的结合，进而能够制备出物理、化学以及电化学性能都很好的燃料电池用复合质子交换膜。本发明工艺简单、耗时短并且保持了原有树脂的分子链结构、粒径大小以及链分散均匀性。这种溶剂转换方法，按下述步骤依次进行：

1）、将全氟磺酸树脂原溶液装入容器中，将该装有全氟磺酸树脂原溶液的容器加热，搅拌蒸发溶剂，待全氟磺酸树脂原溶液体积减小到原体积的30%～80%时，加体积为全氟磺酸树脂原溶液体积10%～70%的水，搅拌混合均匀得二次溶液，然后将二次溶液体积蒸发至的30%～80%后，再添加二次溶液体积10%～70%的水后继续加热蒸发，如此往复2～10次后得到溶剂为水的全氟磺酸树脂溶液；

2）、将经步骤1）制备出的全氟磺酸树脂的水溶液，常温下，按体积比加入所需配置的溶剂，使其中水的体积百分量为20%～90%，待混合搅拌1～60h后，即得到所需分子链结构和粒径大小以及链分散均匀性良好的树脂溶液。

本发明的溶剂转化方法步骤1）中的全氟磺酸树脂结构主要由聚四氟乙烯结构的