距為15cm，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為2000rpm的紡絲條件下制備有序平行排列的靜電紡絲納米纖維，纖維直徑80-300nm。
[0027]將上述靜電紡絲有序納米纖維在常溫、2.0MPa下壓縮lOmin，使纖維致密、相互粘聯(lián)；將離子交換容量為1.82mmol g—1的磺化二氮雜萘聚芳醚砜酮溶解在乙二醇與水體積比為1:1的混和溶劑中，80°C下攪拌溶解，配制堵孔液。將堵孔液倒在裝有有序纖維層疊物的凹槽中，通過抽濾控制堵孔液滲入纖維的質(zhì)量分率為200%。在凹槽內(nèi)部嵌入泡沫鎳板透氣，外部用剛性磨具固定，放入50°C真空烘箱中干燥，形成致密結(jié)構(gòu)。用切片機將上述壓縮、堵孔后的有序纖維膜塊沿纖維徑向切片，切片厚度為180 μ m。在50°C、3Mpa下熱壓平整
1.5min后，放入45-50°C烘箱中干燥除掉殘余溶劑，形成透明的質(zhì)子交換膜。所制備的質(zhì)子交換膜厚度約為110 μ m，堵孔聚合物質(zhì)量分率約為40%。將膜在3mol I^1H2SO4中浸泡24h充分質(zhì)子化，然后用去離子水洗至中性。
[0028]將上述沿膜厚度方向有序纖維質(zhì)子交換膜進行性能測試，測試條件與圖2，3相同。80°C下，膜厚度方向的質(zhì)子傳導(dǎo)率為36.0mS cm—1，吸水率為59.9%，溶脹度為20.7%。氫氧單電池的功率密度最高為294mW cnT2，達到相同離子交換容量磺化二氮雜萘聚芳醚砜酮溶液澆鑄膜的1.46倍，Naf1nll5膜的1.24倍。氫氧單電池的開路電壓為0.95V，高于Naf 1nll5膜的0.93V和澆鑄膜的0.91V，說明本發(fā)明制備的膜厚度方向有序纖維質(zhì)子交換膜具有更好的燃料阻隔性能。
[0029]實施例2:
[0030]將2.25g離子交換容量為1.35mmol g—1的磺化二氮雜萘聚芳醚砜酮溶解在1ml的N，N-二甲基乙酰胺中，配制成質(zhì)量分率為18.4%的紡絲液。在外加電壓為18kV，噴絲頭到接收轉(zhuǎn)鼓間距為15cm，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為1200rpm的紡絲條件下制備平行有序排列的靜電紡絲納米纖維，纖維直徑100-400nm。
[0031]在與實施例1相同的條件下，將上述靜電紡絲有序納米纖維壓縮。將離子交換容量為1.35mmol g—1的磺化二氮雜萘聚芳醚砜酮，按照與實施例1相同的方法進行堵孔、沿纖維徑向切片，切片厚度為130 μπι。然后在50°C、2Mpa下熱壓平整2min，放入50°C烘箱中干燥除掉殘余溶劑，形成透明的質(zhì)子交換膜。所制備的質(zhì)子交換膜厚度為80 μ m，堵孔聚合物質(zhì)量分率約為45%。將膜在3mol I^1H2SO4中浸泡24h，然后用去離子水洗至中性。
[0032]將上述沿膜厚度方向有序纖維質(zhì)子交換膜進行性能測試，測試條件與圖2，3相同。80°C下，膜厚度方向的質(zhì)子傳導(dǎo)率為7.23mS cnT1，溶脹度為10.3%，與離子交換容量為
1.35mmol g—1的磺化二氮雜萘聚芳醚砜酮溶液澆鑄膜相比，質(zhì)子傳導(dǎo)率提高1.1倍，而溶脹度相當(dāng)。氫氧單電池的功率密度最高為115.7mff cnT2，達到相同條件下澆鑄膜的1.3倍。
[0033]實施例3:
[0034]將1.8g離子交換容量為1.86mmol g—1的磺化二氮雜萘聚芳醚砜酮溶解在7.5g的N，N-二甲基乙酰胺中，配制成質(zhì)量分率為19.4%的紡絲液。在外加電壓20kV，噴絲頭到接收轉(zhuǎn)鼓間距15cm，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為1500rpm的紡絲條件下制備有序平行排列的靜電紡絲納米纖維，纖維直徑80-300nm。
[0035]在與實施例1相同的條件下，將上述靜電紡絲有序納米纖維壓縮、將離子交換容量為1.86mmol g—1的磺化二氮雜萘聚芳醚砜酮，按照與實施例1相同的條件進行堵孔、揮發(fā)溶劑，沿纖維徑向切片，切片厚度為80 μ mo然后在50°C、3Mpa熱壓平整2min，放入45_50°C真空烘箱中干燥除掉殘余溶劑，形成透明的質(zhì)子交換膜，厚度為25 μ m，堵孔聚合物質(zhì)量分率約為50%。將膜在3mol L1H2SO4中浸泡24h，然后用去離子水洗至中性。
[0036]將上述沿膜厚度方向有序纖維質(zhì)子交換膜進行性能測試，測試條件與圖2，3相同。80°C下，膜厚度方向的質(zhì)子傳導(dǎo)率為42.2mS/cm，溶脹度為39.1 %，與離子交換容量為
1.93mmol g—1的磺化二氮雜萘聚芳醚砜酮溶液饒鑄膜相比，質(zhì)子傳導(dǎo)率相當(dāng)，但饒鑄膜在80°C水中過度溶脹，溶脹度超過100%。
[0037]上述實施例中，將非氟磺化質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物通過靜電紡絲制備平行有序的納米纖維，再按照新能源利用電化學(xué)裝置對質(zhì)子交換膜厚度方向高質(zhì)子傳導(dǎo)能力的基本要求，將納米纖維沿膜厚度方向有序直通排列，提供膜厚度方向的直通質(zhì)子傳導(dǎo)通道，從而有效提高膜厚度方向的質(zhì)子傳導(dǎo)率，獲得較高的燃料電池性能。
【主權(quán)項】
1.一種靜電紡絲纖維沿膜厚度方向有序直通排列的質(zhì)子交換膜，采用靜電紡絲有序納米纖維，經(jīng)壓縮、堵孔、沿纖維徑向切片、平整、質(zhì)子化后制備而成；其特征在于， 靜電紡絲有序納米纖維是指纖維平行排列、纖維直徑80-400nm，采用非氟質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物紡絲液，經(jīng)靜電紡絲制備而成； 所述的壓縮，是指將上述靜電紡絲有序納米纖維在常溫、l_5MPa下壓縮5-10min ; 所述的堵孔，是指用聚合物填充纖維間的孔隙，滿足質(zhì)子交換膜對致密性的要求； 所述的沿纖維徑向切片，是指用切片機將上述堵孔后的有序纖維膜塊沿纖維徑向切片; 所述的平整，是指將上述切片在50°C、l_4Mpa下熱壓l_5min，然后放入50°C常壓烘箱中除去剩余?谷劑； 所述的質(zhì)子化，是指將制備的質(zhì)子交換膜在3mol L-1H2SO4中常溫浸泡24h，然后用去離子水洗至中性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜，其特征在于:所述的靜電紡絲有序納米纖維制備如下:所述的非氟質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物是指磺化二氮雜萘聚芳醚砜酮，其離子交換容量為1.0-2.5mmol g—1;所述的紡絲液是磺化二氮雜萘聚芳醚砜酮在N，N-二甲基甲酰胺或者N，N-二甲基乙酰胺溶劑中，形成的質(zhì)量分率為10-25%的溶液；所述的制備是指紡絲條件為外加電壓6-40kV，噴絲頭到接收轉(zhuǎn)鼓間距10-30cm，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速1000_4000rpm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的質(zhì)子交換膜，其特征在于:所述的堵孔是指將壓縮后的纖維裁成長度5cm、寬度2cm的長方形纖維片，將纖維片層疊至高度大于4cm，將其四周用泡沫鎳板固定，使得透氣良好，同時防止堵孔過程中出現(xiàn)膨脹變形；然后采用與靜電紡絲有序納米纖維種類相同的非氟質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物作為堵孔聚合物，其離子交換容量為1.0-2.5mmol g—1，在乙二醇與水體積比為1:1的混和溶劑中80°C下溶解，配制質(zhì)量分率為2-10%的堵孔液；上述聚合物僅在高溫下溶于該混和溶劑，而低溫下不溶解；將堵孔液倒在有序纖維層疊物上，通過抽濾控制堵孔液滲入纖維的質(zhì)量分率為100-300% ;在真空烘箱中40-90 °C干燥成型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的質(zhì)子交換膜，其特征在于:有序纖維膜塊沿纖維徑向切片，切片厚度為20-400 μ m。
【專利摘要】一種靜電紡絲纖維沿膜厚度方向有序直通排列的質(zhì)子交換膜及其制備方法，其特征是將靜電紡絲有序納米纖維沿膜厚度方向直通排列。采用靜電紡絲制備有序納米纖維，經(jīng)壓縮、堵孔、沿纖維徑向切片、平整、質(zhì)子化后制備靜電紡絲質(zhì)子交換膜。靜電紡絲有序纖維在膜厚度方向的直通排列，提供了膜厚度方向的直通質(zhì)子傳導(dǎo)通道，可以有效提高膜厚度方向的質(zhì)子傳導(dǎo)率，獲得較高的燃料電池性能。
【IPC分類】D01D5-00, D01F6-78, H01M8-10
【公開號】CN104681841
【申請?zhí)枴緾N201510053261
【發(fā)明人】吳雪梅, 賀高紅, 張世凱, 焉曉明, 李祥村, 宮雪, 朱曉萍, 甘俊杰
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月3日