CN105461968A - 一种淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法及其应用。采用氯化铝和氯化锂分别对壳聚糖和淀粉进行增塑改性，再加入甘油改性，通过热塑加工成型制备得到原始淀粉/壳聚糖复合薄膜，通过后续加入戊二醛溶液中浸泡的方式进行交联，并将交联后的淀粉/壳聚糖薄膜放入KOH溶液中浸泡改性得到淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜。通过本发明提出的制备方法，可高效制备得到性能优良的淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜。

Description

一种淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于材料制备及电化学技术领域，特别涉及一种淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜的制备及应用。
背景技术
聚合物电解质薄膜既可作为固体电解质，又可阻止电池阳极和阴极间物质的渗透，已经越来越成为获得高性能燃料电池的关键器件。Nafion隔膜被认为是最先进的用于直接甲醇燃料电池的聚合物电解质薄膜。Nafion薄膜具有较好的化学和物理稳定性，并且具有高的质子电导率。但Nafion薄膜价格昂贵，且商业化的Nafion薄膜有很高的甲醇透过率问题，使用Nafion薄膜做隔膜时，甲醇容易从正极渗透到负极。
淀粉是一种半结晶性聚合物，具有很好的化学稳定性、亲水性、耐腐蚀性和较优的力学性能，且淀粉来源广泛，价格较低。淀粉作为一种水溶性高分子材料，因其具有良好的水溶性、成膜性、粘接性、乳化性和阻隔性，而被广泛应用于纤维、薄膜、凝胶等领域。
壳聚糖是地球上存在数量仅次于纤维素的第二大天然高分子材料甲壳素的主要衍生物。壳聚糖是由甲壳素部分N-脱乙酰基的产物，也是甲壳素最主要的衍生物。壳聚糖是一种水溶性的天然高分子，具有优异的成膜性、抗菌性以及良好的可生物降解性和生物相容性，且壳聚糖的活泼基团（氨基和羟基）对某些电化学活性物质具有很强的螯合、吸附和离子交换作用，使得壳聚糖在薄膜、纤维、水凝胶等领域都显示出很强的应用前景。
将淀粉和壳聚糖复合后可制备得到淀粉/壳聚糖复合薄膜，且此复合薄膜有较好的力学性能和热稳定性能。淀粉和壳聚糖都有较好的甲醇阻隔性能，制备得到的淀粉/壳聚糖复合薄膜也具有较好的甲醇阻隔性能。淀粉和壳聚糖分子链上含有大量的氨基和羟基，使得淀粉/壳聚糖复合薄膜有较好的离子导电性能。淀粉/壳聚糖薄膜有望应用在固体电解质薄膜领域，以淀粉和壳聚糖为原料制备固体电解质薄膜具有很大的成本优势。
公布号为CN105061818A的中国专利申请公开了一种淀粉/壳聚糖复合薄膜的吹塑成型制备方法，其采用一种高效的复合改性剂，以淀粉、壳聚糖为原料，经吹塑成型工艺制备出所述淀粉/壳聚糖复合薄膜，该复合改性剂中包含的三种主要组分，组分一为氯化胆碱、氯化铵中的一种或几种，组分二为硝酸铁、氯化铁中的一种或几种，组分三为有机小分子甘油、乙二醇、乙醇胺、甲酰胺中的一种或几种。采用该制备方法可解决现有淀粉/壳聚糖薄膜制备工艺效率低等问题，高效制得性能优良的淀粉/壳聚糖复合薄膜。但该方法的不足在于经吹塑成型制备的淀粉/壳聚糖薄膜未经后续交联和碱化工艺，不能作为碱性固体电解质薄膜使用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法。通过该制备方法制得的薄膜性能优良，离子导电性好。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法，具体步骤如下：
（1）将壳聚糖与氯化铝搅拌混合得混合料1，将淀粉与氯化锂混合得混合料2，再将混合料1和混合料2与甘油混合，得到改性的淀粉/壳聚糖复合料；
（2）将步骤（1）中得到的淀粉/壳聚糖复合料加入到单螺杆挤出机中挤出造粒，得到淀粉/壳聚糖粒料；
（3）将步骤（2）中得到的淀粉/壳聚糖粒料加入到单螺杆挤出机中吹塑成型，得到淀粉/壳聚糖复合膜；
（4）将步骤（3）所得的淀粉/壳聚糖复合膜加入到戊二醛溶液中交联反应1h后取出，并用去离子水反复冲洗残留在膜表面的有机溶剂，得到戊二醛交联的淀粉/壳聚糖薄膜；
（5）将步骤（4）中制备的淀粉/壳聚糖薄膜在50℃真空烘箱中干燥24h后，放入KOH溶液中25℃下浸泡2h，再在60℃真空烘箱干燥24h，即可得到淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜。
步骤（1）中，氯化铝的用量为壳聚糖质量的1%~3%，氯化锂的用量为淀粉质量的5%~10%，甘油的用量为混合料1和混合料2总质量的20%；淀粉与壳聚糖的质量比为2~4:1。
步骤（1）中壳聚糖与氯化铝于高速混合机中60℃混合10min；淀粉与氯化锂于高速混合机中60℃混合10min；混合料1和混合料2与甘油于高速混合机中60℃混合15min。
步骤（2）中从进料口到出料口，挤出机的温度分别设为150℃、155℃、150℃、145℃，挤出机转速为30rpm/min。
步骤（4）中所述的戊二醛溶液的质量分数为10wt%。
步骤（5）中KOH溶液的质量分数为30wt%~40wt%。
一种如上所述的制备方法制得的淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜的应用：作为直接固体燃料电池的隔膜。
本发明的有益效果为：本发明的淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜采用氯化铝为壳聚糖的改性剂，氯化锂为淀粉的改性剂，并加入甘油协同改性壳聚糖和淀粉，通过吹塑成膜法制备淀粉/壳聚糖薄膜，并采用后处理交联的方式提高淀粉/壳聚糖的耐水性能和尺寸稳定性；无机盐氯化铝和氯化锂可为淀粉/壳聚糖复合薄膜提供导电离子，且可降低淀粉/壳聚糖薄膜的结晶性能，最终提高淀粉/壳聚糖复合薄膜的离子导电性；本发明提供的淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜可用于甲醇燃料电池隔膜等领域，可取代Nafion薄膜，大大降低其成本。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
实施例1
1）取壳聚糖30份、氯化铝0.9份，于高速混合机中60℃混合10min，得改性壳聚糖；
2）取玉米淀粉60份、氯化锂3份，于高速混合机中60℃混合10min，得改性淀粉；
3）将步骤1）和步骤2）所得改性壳聚糖和改性淀粉混合，加入18.78份甘油后于高速混合机中60℃混合15min得复合改性的淀粉/壳聚糖；
4）将步骤3）所得复合改性的淀粉/壳聚糖置于单螺杆挤出机中挤出造粒；从进料口到出料口，挤出机的温度分别设为150℃、155℃、150℃、145℃，挤出机转速为30rpm/min；
5）将步骤4）所得粒料加入到单螺杆挤出机中挤出吹塑成膜，得到淀粉/壳聚糖复合吹塑薄膜。
6）将步骤5）所得的淀粉/壳聚糖薄膜加入到10wt%戊二醛溶液中交联反应1h后取出，并用去离子水反复冲洗残留在膜表面的有机溶剂，得到戊二醛交联的淀粉/壳聚糖薄膜；
7）将步骤6）中制备的薄膜在50℃真空烘箱中干燥后放入40wt%KOH溶液中25oC下浸泡2h；再在60℃真空烘箱干燥24h，即可得到淀粉/壳聚糖聚合物电解质薄膜。
实施例2
1）取壳聚糖30份、氯化铝0.3份，于高速混合机中60℃混合10min，得改性壳聚糖；
2）取玉米淀粉60份、氯化锂6份，于高速混合机中60℃混合10min，得改性淀粉；
3）将步骤1）和步骤2）所得改性壳聚糖和改性淀粉混合，加入18.78份甘油后于高速混合机中60℃混合15min得复合改性的淀粉/壳聚糖；
4）将步骤3）所得复合改性的淀粉/壳聚糖置于单螺杆挤出机中挤出造粒；从进料口到出料口，挤出机的温度分别设为150℃、155℃、150℃、145℃，挤出机转速为30rpm/min；
5）将步骤4）所得粒料加入到单螺杆挤出机中挤出吹塑成膜，得到淀粉/壳聚糖复合吹塑薄膜；
6）将步骤5）所得的淀粉/壳聚糖薄膜加入到10wt%戊二醛溶液中交联反应1h后取出，并用去离子水反复冲洗残留在膜表面的有机溶剂，得到戊二醛交联的淀粉/壳聚糖薄膜；
7）将步骤6）中制备的薄膜在50℃真空烘箱中干燥后放入30wt%KOH溶液中25oC下浸泡2h；再在60℃真空烘箱干燥24h，即可得到淀粉/壳聚糖聚合物电解质薄膜。
实施例3
1）取壳聚糖20份、氯化铝0.6份，于高速混合机中60℃混合10min，得改性壳聚糖；
2）取玉米淀粉80份、氯化锂4份，于高速混合机中60℃混合10min，得改性淀粉；
3）将步骤1）和步骤2）所得改性壳聚糖和改性淀粉混合，加入20.92份甘油后于高速混合机中60℃混合15min得复合改性的淀粉/壳聚糖；
4）将步骤3）所得复合改性的淀粉/壳聚糖置于单螺杆挤出机中挤出造粒；从进料口到出料口，挤出机的温度分别设为150℃、155℃、150℃、145℃，挤出机转速为30rpm/min；
5）将步骤4）所得粒料加入到单螺杆挤出机中挤出吹塑成膜，得到淀粉/壳聚糖复合吹塑薄膜；
6）将步骤5）所得的淀粉/壳聚糖薄膜加入到戊二醛溶液中交联反应1h后取出，并用去离子水反复冲洗残留在膜表面的有机溶剂，得到戊二醛交联的淀粉/壳聚糖薄膜；
7）将步骤6）中制备的薄膜在50℃真空烘箱中干燥后放入40wt%KOH溶液中25oC下浸泡2h；再在60℃真空烘箱干燥24h，即可得到淀粉/壳聚糖聚合物电解质薄膜。
实施例4
1）取壳聚糖20份、氯化铝0.3份，于高速混合机中60℃混合10min，得改性壳聚糖；
2）取玉米淀粉60份、氯化锂6份，于高速混合机中60℃混合10min，得改性淀粉；
3）将步骤1）和步骤2）所得改性壳聚糖和改性淀粉混合，加入17.26份甘油后于高速混合机中60℃混合15min得复合改性的淀粉/壳聚糖；
4）将步骤3）所得复合改性的淀粉/壳聚糖置于单螺杆挤出机中挤出造粒；从进料口到出料口，挤出机的温度分别设为150℃、155℃、150℃、145℃，挤出机转速为30rpm/min；
5）将步骤4）所得粒料加入到单螺杆挤出机中挤出吹塑成膜，得到淀粉/壳聚糖复合吹塑薄膜；
6）将步骤5）所得的淀粉/壳聚糖薄膜加入到10wt%戊二醛溶液中交联反应1h后取出，并用去离子水反复冲洗残留在膜表面的有机溶剂，得到戊二醛交联的淀粉/壳聚糖薄膜；
7）将步骤6）中制备的薄膜在50℃真空烘箱中干燥后放入35wt%KOH溶液中25oC下浸泡2h；再在60℃真空烘箱干燥24h，即可得到淀粉/壳聚糖聚合物电解质薄膜。
实施例5
淀粉/壳聚糖用于甲醇燃料电池隔膜的研究。
将实施例2所制备的淀粉/壳聚糖复合薄膜用于检测其离子导电率和甲醇透过率，其实验步骤如下：
薄膜的离子电导率在电化学设备上通过双探针交流阻抗谱法测得，测试频率范围为0.1~1Hz。测试前将淀粉/壳聚糖薄膜放入去离子水中浸泡48h。测试时将电化学工作站置于放有去离子水的箱子中，以保证测试是在100%湿度下测得的。复合薄膜的离子电导率б(S·cm-1)计算如下：
式中，l为两不锈钢电极间的距离(cm)；A为薄膜的横截面积(cm2)；Rb为欧姆内阻(Ω)，由交流阻抗法测得。
复合薄膜的甲醇透过率采用扩散装置测得。扩散装置含有供应槽和接收槽，供应槽中放有2M甲醇水溶液，接收槽中放有去离子水。在两槽中间装有已在去离子水中浸泡24h的淀粉/壳聚糖复合薄膜。在供应槽和接收槽中都配有磁力搅拌。基于浓度差，甲醇会从供应槽向接收槽中扩散。每隔固定时间将接收槽中的液体全部换成去离子水，并通过气相色谱分析测定接收槽溶液中甲醇浓度。通过下式计算复合薄膜的甲醇透过率：
式中P为扩撒系数(cm2·s-1)，CB(t)为t时刻下接收槽内的甲醇浓度，to为初始时间，CA为供应槽中的初始甲醇浓度，V是供应槽或接收槽的体积。A为有效渗透面积，L为有效渗透厚度。
表1给出了淀粉/壳聚糖复合薄膜的甲醇透过率和离子电导率
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）将壳聚糖与氯化铝搅拌混合得混合料1，将淀粉与氯化锂混合得混合料2，再将混合料1和混合料2与甘油混合，得到改性的淀粉/壳聚糖复合料；
（2）将步骤（1）中得到的淀粉/壳聚糖复合料加入到单螺杆挤出机中挤出造粒，得到淀粉/壳聚糖粒料；
（3）将步骤（2）中得到的淀粉/壳聚糖粒料加入到单螺杆挤出机中吹塑成型，得到淀粉/壳聚糖复合膜；
（4）将步骤（3）所得的淀粉/壳聚糖复合膜加入到戊二醛溶液中交联反应1h后取出，并用去离子水反复冲洗残留在膜表面的有机溶剂，得到戊二醛交联的淀粉/壳聚糖薄膜；
（5）将步骤（4）中制备的淀粉/壳聚糖薄膜在50℃真空烘箱中干燥24h后，放入KOH溶液中25℃下浸泡2h，即可得到淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，氯化铝的用量为壳聚糖质量的1%~3%，氯化锂的用量为淀粉质量的5%~10%，甘油的用量为混合料1和混合料2总质量的20%；淀粉与壳聚糖的质量比为2~4:1。
3.根据权利要求1所述的一种淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述的戊二醛溶液的质量分数为10wt%。
4.根据权利要求1所述的一种淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（5）中KOH溶液的质量分数为30wt%~40wt%。
5.根据权利要求1所述的一种淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中壳聚糖与氯化铝于高速混合机中60℃混合10min；淀粉与氯化锂于高速混合机中60℃混合10min；混合料1和混合料2与甘油于高速混合机中60℃混合15min。
6.根据权利要求1所述的一种淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）中从进料口到出料口，挤出机的温度分别设为150℃、155℃、150℃、145℃，挤出机转速为30rpm/min。
7.一种如权利要求1所述的制备方法制得的淀粉/壳聚糖固体电解质薄膜的应用，其特征在于：作为直接固体燃料电池的隔膜。
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