一種用于濕度測量的磺化聚酰亞胺質(zhì)子交換膜的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于濕度測量的磺化聚酰亞胺質(zhì)子交換膜。其聚合物大分子主鏈由碳、氫、氧、氮、硫、氟等多種元素組成，是一種芳香族雜環(huán)聚酰亞胺高分子。聚合物主鏈由含有磺酸基的大分子嵌段和不含磺酸基的大分子嵌段組成。兩種嵌段所含重復(fù)單元的比例為n/m。結(jié)構(gòu)式2中的R1為磺化的二胺單體重復(fù)單元，R2為非磺化的二胺單體重復(fù)單元。所述的質(zhì)子交換膜即為由此聚酰亞胺類高分子聚合物制得的電解質(zhì)薄膜。由于此類電解質(zhì)膜的質(zhì)子電導(dǎo)率隨著相對濕度的變化呈劇增或驟減變化，因此通過測量膜的電導(dǎo)率或者阻抗，可以獲得所處特定環(huán)境的相對濕度。此種測量方法測量快速、準(zhǔn)確，適合多種特殊環(huán)境、尤其在100-250℃的高溫環(huán)境下測試具有優(yōu)勢。
【專利說明】一種用于濕度測量的磺化聚酰亞胺質(zhì)子交換膜
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種濕度測量方法，尤其涉及一種用于濕度測量的磺化聚酰亞胺質(zhì)子交換膜。
【背景技術(shù)】
[0002]目前對于濕度的測量方法主要有干濕球測量法、露點(diǎn)濕度測量法、幾何尺寸變化測量法、氣象色譜法等。質(zhì)子交換膜是一種能實(shí)現(xiàn)質(zhì)子導(dǎo)電的電解質(zhì)膜，由于在較高濕度時才具有較高的質(zhì)子導(dǎo)電特性，因而被廣泛用于質(zhì)子交換膜燃料電池。質(zhì)子交換膜的導(dǎo)電率具有很強(qiáng)的濕度依賴性，在相對濕度為O時幾乎絕緣，當(dāng)濕度到達(dá)一定臨界值時具有明顯的導(dǎo)電性。目前市場上可以獲得的唯一的質(zhì)子交換膜為杜邦公司生產(chǎn)的Nafion系列全氟磺酸膜。其化學(xué)結(jié)構(gòu)如結(jié)構(gòu)式I所示。此種膜價格昂貴，在大范圍的相對濕度條件下都具有相對較高的質(zhì)子電導(dǎo)率，而且由于化學(xué)結(jié)構(gòu)的制約，膜的使用溫度通常小于100°C，因而不
適合作為用于濕度測量的電解質(zhì)膜。其他類型的用于濕度測量的質(zhì)子交換膜仍鮮有報道。
[0003]
【權(quán)利要求】
1.一種用于濕度測量的磺化聚酰亞胺質(zhì)子交換膜；其特征是，聚合物大分子主鏈由碳、氫、氧、氮、硫或氟的多種元素組成，主鏈由含有磺酸基的大分子嵌段和不含磺酸基的大分子嵌段組成；是一種芳香族雜環(huán)聚酰亞胺高分子。
2.如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜；其特征是結(jié)構(gòu)式如下:
3.如權(quán)利要求2所述的質(zhì)子交換膜；其特征是兩種嵌段所含重復(fù)單元的比例為n/m；結(jié)構(gòu)式中的Rl為磺化的二胺單體重復(fù)單元，R2為非磺化的二胺單體重復(fù)單元，n/m為從0.5-10中間的任意數(shù)值。
4.如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜；其特征是所述的聚合物由二胺單體和二酐單體共聚合制得，其中二胺單體上含有磺酸集團(tuán)，二酐單體為1，4，5，8-四羧基萘酐，聚合物是無規(guī)共聚物，或是嵌段共聚物，聚合物的分子量在5000-100000之間。
5.如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜；其特征是所述的聚合物可以加工成任意形狀，如平板膜，管式膜，球形膜，方形膜，圓柱形膜，中空纖維膜等。膜的厚度為2-2000微米。
6.如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜；其特征是所述的聚合物在相對濕度為O時不導(dǎo)電，相對濕度為100%時質(zhì)子電導(dǎo)率最高，隨著相對濕度的增加，聚合物膜的質(zhì)子電導(dǎo)率急劇增大，最大值和最小值跨越5個數(shù)量級。
7.如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜；其特征是所述的聚合物膜的磺化度即離子交換容量可以精確控制，離子交換容量的范圍為0.69-3.11毫摩爾磺酸基/克聚合物。
8.如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜用于濕度測量的方法；其特征是在質(zhì)子交換膜的兩偵牝配以鉬片電極，電極外側(cè)施加壓力保證膜電極I緊密接觸，電極兩端子引出導(dǎo)線與阻抗分析儀2相連；將膜電極放置于不同溫、濕度的待測環(huán)境4中，通過阻抗分析獲得電解質(zhì)膜的質(zhì)子電導(dǎo)率，然后通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器3，得到該環(huán)境的相對濕度。
9.如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜的制備方法，其特征是以磺化二胺單體Rl和非磺化二胺單體R2的比值為n/m的合成步驟如下:在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，加入完全干燥的η摩爾Rl，加入溶劑間甲酚，達(dá)到混合液質(zhì)量濃度為5-20wt%，再加入三乙胺2n摩爾；5-10分鐘后加入m摩爾的非磺化二胺單體，充分?jǐn)嚢韬笙嗬^加入(n+m)摩爾1，4，5，8-四羧基萘酐，1.5 (n+m)摩爾的苯甲酸；將此混合液在室溫下攪拌5-10分鐘后，加熱到80-90°C反應(yīng)3-5小時，然后升溫至180-195°C，反應(yīng)6-10小時；所得的磺化聚酰亞胺固體反復(fù)用乙醇洗滌后過濾收集。 將所得的磺化聚酰亞胺固體溶解于二甲基亞砜或間甲酚溶劑中，溶液的質(zhì)量濃度為0.5-10wt%，通過溶劑蒸發(fā)法在玻璃板上刮膜，制膜溫度為80-120°C，成膜時間為10-15小時；成1旲后，首先將I旲在50 C的乙醇中浸泡I小時，然后將I旲浸泡在lmol/L的稀硫酸中，在室溫下進(jìn)行10小時以上的質(zhì)子交換；質(zhì)子交換后的膜用去離子水反復(fù)沖洗至洗液為中性，然后將膜在100°c真空干燥5小時。
10.本發(fā)明所使用的磺化聚酰亞胺質(zhì)子交換膜，包括任何方法制備的，或作為商品購買的，都可以應(yīng)用到本發(fā)明中。`
【文檔編號】C08L79/08GK103865265SQ201410068729
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】尹燕, 杜青, 李獻(xiàn)國, 焦魁 申請人:天津大學(xué)