[发明专利]一种纳米纤维素增强复合无孔质子交换膜及其制备方法

说明书

一种利用静电纺丝结合浇铸技术制备纳米纤维素增强复合无孔质子交换膜的方法，属于燃料电池技术领域。该无孔质子交换膜是将制备得到的聚芳醚类聚合物与纳米纤维素复合溶液通过静电纺丝技术铺膜，浇铸聚芳醚类聚合物溶液后再烘干得到。本发明利用静电纺丝技术，使定向排列的酸性基团和有序分布的NCC构筑了有利于质子传导和力学增强的三维网络结构，使复合膜综合性能提高，通过浇铸聚合物溶液填充静电纺丝纤维之间的孔隙，得到纳米纤维素增强无孔质子交换膜。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种利用静电纺丝方法结合浇铸技术制备的纳米纤维素增强复合无孔质子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池是人们广泛研究的一种新型能源，他可以将化学能转化为电能，能量转换效率高。其中，质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）燃料来源广，不会受到卡诺循环能量转化效率的限制，排放的产物是水，对环境无污染，而且具有工作温度低，启动快，比功率高等优点。以质子交换膜燃料电池为主动力的大至潜艇、汽车，小至电脑、手机的研究也都在进行中，PEMFC有望成为未来社会的主要能源形式。质子交换膜（PEM）为燃料电池的核心材料，质子交换膜起到了选择性的从阴极传导质子到阳极的作用，同时它阻隔了燃料和氧化剂。质子交换膜的性能决定着燃料电池性能，比如离子活性高，质子传导性好；抗张强度高，粘弹性好；水合能力高；化学和电化学稳定性好；气体渗透性小；性价比高等。

纤维素是自然界主要由植物通过光合作用合成的取之不尽、用之不绝的天然高分子，是可以再生的、可降解的、环境友好型的天然有机物。纳米纤维素，具有非常高的强度，杨氏模量和张应力，可作为生物高聚物的增强相，而且纳米纤维素表面含有大量的羟基，可以提供反应位点。

聚芳醚（PAEs）是一种重要的高性能聚合物材料，聚芳醚分子结构中含有刚性的苯环，因此具有优良的高温性能、力学性能、电绝缘性、耐辐射和耐化学品性等特点，并且将功能性基团，如-F和-SO₃H等引入聚芳醚分子链中，可使这类材料获得特殊的性能。

随着纳米技术的兴起，采用静电纺丝技术制备膜材料越来越受到关注。高分子溶液在一定的电压下形成喷射流，它在喷射过程中不断被拉伸，最终落在接收装置上形成纳米纤维膜（S. Kaur, S. Sundarrajan, D. Rana, R. Sridhar, R. Gopal, T. Matsuura,S. Ramakrishna, Review: the characterization of electrospun nanofibrousliquid filtration membranes, J. Mater. Sci. 49 (2014) 6143-6159.）。静电纺丝是在高压电的条件下将聚合物溶液转变成直径在几百纳米到1微米之间的聚合物纳米纤维，静电纺丝得到的聚合物纤维具有纳米尺寸效应和大比表面积，及聚合物链沿着纤维链取向等独特的性质，使得其在纳米催化、过滤、生物医疗、电子材料等领域中有很多应用。

发明内容

本发明提供了一种利用静电纺丝方法结合浇铸技术制备纳米纤维素增强复合无孔质子交换膜的方法，该质子交换膜具有优异的质子传导率以及力学性能。

一种利用静电纺丝方法结合浇铸技术制备纳米纤维素增强复合无孔质子交换膜的方法，其步骤如下：

1）将纳米纤维素(NCC)分散于聚芳醚类聚合物的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，混合搅拌得到混合均匀的电纺溶液；电纺溶液中，纳米纤维素的质量分数为1~4%，聚芳醚类聚合物的质量分数为8~12%；

其中，聚芳醚类聚合物没有特别限制，可以是聚芳醚、聚芳醚酮、聚芳醚砜、聚芳醚腈、聚芳醚砜酮、聚芳醚醚腈、聚醚酮、聚醚砜、聚醚腈、聚芳酰胺、聚芳砜和聚芳酯；