[发明专利]一种半互穿网络凝胶电解质膜及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种半互穿网络凝胶电解质膜，其特征在于，由半互穿网络凝胶膜依次经阴离子置换、吸收电解液H后形成，阴离子置换是指半互穿网络凝胶膜中的阴离子被置换为氢氧根离子；半互穿网络凝胶膜由分散在水中的季铵盐官能团修饰的中空多孔聚合物纳米纤维吸附带负电的单体后，带负电的单体发生聚合反应和交联反应后形成，其中，带负电的单体发生聚合反应后形成亲水性聚合物；季铵盐官能团修饰的中空多孔聚合物纳米纤维为侧壁具有纳米通孔的中空纤维，且纳米通孔与中空纤维的中空部分连通；

季铵盐官能团修饰的中空多孔聚合物纳米纤维由带负电基团的中空多孔聚合物纳米纤维与季铵盐官能化聚合物F通过静电作用结合而成；季铵盐官能化聚合物F是指侧链修饰有季铵盐官能团的高分子聚合物或天然高分子；

季铵盐官能团修饰的中空多孔聚合物纳米纤维的制备步骤如下：

(1)采用同轴静电纺丝工艺制备聚合物纳米纤维膜；

同轴静电纺丝的外层溶液由保留型高分子聚合物、牺牲型高分子聚合物和溶剂A组成；

牺牲型高分子聚合物是指在溶剂C中可以被溶解的高分子聚合物，所述溶剂C无法溶解保留型高分子聚合物；

同轴静电纺丝的内层溶液仅由牺牲型高分子聚合物和溶剂B组成；

(2)将步骤(1)得到的聚合物纳米纤维膜浸入溶剂C中去除所述的牺牲型高分子聚合物，得到中空多孔聚合物纳米纤维膜；

(3)当步骤(2)得到的中空多孔聚合物纳米纤维膜本身带负电基团时，直接进入下一步；反之，则将步骤(2)得到的中空多孔聚合物纳米纤维膜浸入溶液D中进行化学反应以在纤维表面修饰上负电基团；

(4)将步骤(3)得到的中空多孔聚合物纳米纤维膜剪碎，并将其分散在分散剂E中，随后通过超声振荡和机械剪切制得中空多孔聚合物纳米纤维分散液；

(5)取步骤(4)得到的中空多孔聚合物纳米纤维分散液加入季铵盐官能化聚合物F，混合均匀，即得季铵盐官能团修饰的中空多孔聚合物纳米纤维。

2.根据权利要求1所述的一种半互穿网络凝胶电解质膜，其特征在于，季铵盐官能团修饰的中空多孔聚合物纳米纤维的平均外径为500～1500nm，中空部分的平均直径为200～1000nm，纳米通孔的平均孔径为5～100nm。

3.根据权利要求1所述的一种半互穿网络凝胶电解质膜，其特征在于，步骤(1)中，保留型高分子聚合物为聚丙烯腈、聚丙烯酸钠和聚丙烯酰胺中的一种以上；牺牲型高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇和聚乙烯醇中的一种以上；溶剂A为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜和去离子水中的一种以上；溶剂C为去离子水、甲醇、乙醇、丙醇和丁醇中的一种以上；溶剂B为N,N-二甲基甲酰胺和去离子水中的一种以上；

步骤(3)中，溶液D是氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液和氢氧化锂溶液中的一种以上；

步骤(4)中，分散剂E是水和叔丁醇的混合溶液；

步骤(5)中，季铵盐官能化聚合物F为壳聚糖季铵盐和聚丙烯酸酯季铵盐中的一种以上。

4.根据权利要求1所述的一种半互穿网络凝胶电解质膜，其特征在于，带负电的单体为丙烯酸钠、丙烯酸和丙烯酰胺中的一种以上；吸附的终止条件为达到溶胀平衡；电解液H中的溶剂为水，溶质为氢氧化钾，或者为氢氧化钾与乙酸锌和/或碘化钾的混合物；电解液H中氢氧化钾的浓度为1～6mol/L，乙酸锌的浓度为0～0.2mol/L，碘化钾的浓度为0～2mol/L。

5.根据权利要求1所述的一种半互穿网络凝胶电解质膜，其特征在于，半互穿网络凝胶膜内部存在相互连通贯穿的三维孔道结构，孔道的平均孔径为1～4μm；半互穿网络凝胶膜对于去离子水的饱和吸附量为自重的100～200倍，对于电解液H的饱和吸附量为自重的12～20倍；

半互穿网络凝胶膜在吸液率达到400％时的断裂伸长率为200～500％，断裂强度为20～60kPa；

半互穿网络凝胶膜在吸收电解液H至饱和后，完全暴露在空气中12h后仅仅失去自重10～16％的水分。