一种离子交换膜及其制备方法和应用与流程

本发明涉及离子交换膜领域，具体而言，本发明涉及一种离子交换膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、全氟磺酸离子交换膜因其独特的全氟主链和具有离子传导功能的磺酸结构，在具有优异的离子传导能力的同时，表现出突出的化学稳定性、电化学稳定性及热稳定性，因此，被广泛应用于燃料电池、电解水、电渗析、液流电池等领域。随着体积功率密度应用需求的不断增加，如何提高全氟磺酸离子交换膜的机械强度，同时降低全氟磺酸离子交换膜的厚度是当前行业研究的热点方向。但厚度减薄会影响离子膜的使用寿命；单纯增加全氟磺酸树脂的交换容量会提升离子膜的离子传导性能，但同时会恶化离子膜的尺寸稳定性。在保持离子膜机械性能和尺寸稳定性的前提下提高离子膜的离子传导性能是当前研究的方向。

2、全氟磺酸树脂包括具有磺酸基(-so3-)的h型树脂或具有磺酰氟基(-so2f)的f型树脂(又称全氟磺酸氟型树脂、全氟磺酰氟树脂或氟树脂)。全氟磺酸树脂常见的生产工艺为溶液流延法和熔融挤出法，溶液流延法制备膜材的增强方式是将h型树脂与增强网材复合，然而制备的膜材结晶度较低，面溶胀较大。熔融挤出法制备的膜材性能相比溶液流延法较好，但却无法直接使用增强网材，h型树脂热压容易分解，常见的增强材料多为无机粒子，如氧化石墨烯和二氧化硅粒子，但是无机纳米粒子对材料的增强效果有限，大量粒子的增加会导致电导率下降。

技术实现思路

1、本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：溶液流延法制备的膜材结晶度较低，面溶胀较大。熔融挤出法制备的膜材无法直接使用增强网材，常见的增强材料多为无机粒子，对材料的增强效果有限，大量粒子的增加会导致电导率下降。

2、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种离子交换膜及其制备方法和应用，在增加离子交换膜的机械强度的同时保证了离子交换膜的离子交换能力，膜中树脂与增强材料复合紧密，微孔结构均一，结晶度高，拉伸强度高，质子传导率高，质子交换能力强，可用于水电解、燃料电池等领域。

3、本发明实施例提供一种离子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将全氟磺酸氟型树脂膜、增强膜、全氟磺酸氟型树脂膜依次重叠放置，进行热压，得到复合基膜；

5、(2)将所述复合基膜冷却后，进行双向拉伸；

6、(3)对所述步骤(2)中双向拉伸后的膜进行热处理，热处理后依次进行碱处理和酸处理，得到离子交换膜。

7、本发明实施例的离子交换膜的制备方法带来的优点和技术效果：提供一种氟型树脂膜增强方法，通过热压将增强膜与全氟磺酸氟型树脂膜热压压合，然后将膜进行双拉致孔，形成狭缝状微孔，再经热处理进一步促进增强膜与全氟磺酸氟型树脂膜的复合，消除双拉过程的残余应力，使得全氟磺酸氟型树脂层上由双拉导致的孔减少甚至消失，增强膜层形成具有孔的中间层，最后进行碱处理和酸处理，制得具有两侧全氟磺酸树脂层和中间层的增强型离子交换膜。目前，直接使用增强网材热压制备离子交换膜的方法，现有的增强网材的孔径通常较大，且既使采用孔径小的增强网材，孔径过小的增强网材无法通过热压和全氟磺酸氟型树脂膜有效紧密结合，无法制得复合离子交换膜，然而，本发明的方法直接使用增强膜材，使用双拉工艺形成多孔中间层，制备多层复合离子交换膜，双拉形成的微孔孔径更小，膜中氟树脂与增强材料复合紧密，微孔结构均一。本发明的方法增加了离子交换膜的机械强度，同时保证了离子交换膜的离子交换能力，膜中树脂与增强材料复合紧密，微孔结构均一，结晶度高，拉伸强度高，质子传导率高，质子交换能力强，可用于水电解、燃料电池等领域。

8、在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述全氟磺酸氟型树脂膜通过将全氟磺酸氟型树脂熔融挤出得到；

9、和/或，所述全氟磺酸氟型树脂膜的离子交换量为500-20000g/mol；

10、和/或，所述全氟磺酸氟型树脂膜的厚度为50-200μm。

11、在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述增强膜包括聚醚醚酮、磺化聚醚醚酮、可溶性聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯、聚醚砜中的至少一种。

12、在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述增强膜通过熔融挤出得到；

13、和/或，所述增强膜的厚度为1-20μm。

14、在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述热压的温度为200-500℃；

15、和/或，所述热压的压力为2-10mpa；

16、和/或，所述热压的时间为5-30min。

17、在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述双向拉伸的温度为200-420℃；

18、和/或，所述双向拉伸的速率为2-9m/min；

19、和/或，所述双向拉伸包括纵向拉伸和横向拉伸，所述纵向拉伸的倍数为1.5-10倍；所述横向拉伸的倍数为1.5-10倍。

20、在一些实施例中，所述步骤(3)中，所述热处理的温度为180-350℃；

21、和/或，所述热处理的时间不低于10min。

22、本发明实施例提供一种离子交换膜，所述离子交换膜采用本发明实施例所述的方法制备得到。本发明实施例中，具备离子交换膜制备方法中相应的优点，在此不再赘述。

23、在一些实施例中，所述离子交换膜的厚度为10-300μm；

24、和/或，所述离子交换膜的中间层的孔径为5-20μm。

25、本发明实施例提供一种离子交换膜的应用，用于水电解、电池或电渗析。本发明实施例中，离子交换膜可用于水电解、电池等领域，例如用于水电解制氢装置、质子交换膜等。

技术特征：

1.一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述全氟磺酸氟型树脂膜通过将全氟磺酸氟型树脂熔融挤出得到；

3.根据权利要求1所述的离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述增强膜包括聚醚醚酮、磺化聚醚醚酮、可溶性聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯、聚醚砜中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述增强膜通过熔融挤出得到；

5.根据权利要求1所述的离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述热压的温度为200-500℃；

6.根据权利要求1所述的离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述双向拉伸的温度为200-420℃；

7.根据权利要求1所述的离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述热处理的温度为180-350℃；

8.一种离子交换膜，其特征在于，所述离子交换膜采用权利要求1-7中任一项所述的方法制备得到。

9.根据权利要求8所述的离子交换膜，其特征在于，所述离子交换膜的厚度为10-300μm；

10.一种权利要求8或9中所述的离子交换膜的应用，其特征在于，用于水电解、电池或电渗析。

技术总结本发明公开了一种离子交换膜及其制备方法和应用，离子交换膜的制备方法包括以下步骤：(1)将全氟磺酸氟型树脂膜、增强膜、全氟磺酸氟型树脂膜依次重叠放置，进行热压，得到复合基膜；(2)将所述复合基膜冷却后，进行双向拉伸；(3)对所述步骤(2)中双向拉伸后的膜进行热处理，热处理后依次进行碱处理和酸处理，得到离子交换膜。本发明的方法在增加离子交换膜的机械强度的同时保证了离子交换膜的离子交换能力，膜中树脂与增强材料复合紧密，微孔结构均一，结晶度高，拉伸强度高，质子传导率高，质子交换能力强，可用于水电解、燃料电池等领域。技术研发人员：赵壮,孟超,王福瑶,杨望,李道喜,夏丰杰,刘昊,刘真受保护的技术使用者：国家电投集团氢能科技发展有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/20