论文部分内容阅读
自离子交换膜被发现以来，其独特的离子透过选择性有力的推动了众多产业的产生与发展，其中包括电渗析、污水处理、氯碱工业等传统技术以及燃料电池、液流电池、超级电容等新的环境友好能源技术。为了满足各种技术的应用要求，离子交换膜需要具有价格低廉、电导率高、化学稳定性优异、燃料透过率低和离子选择渗透性好等优良的特性。根据功能的不同，离子交换膜主要分为阳离子交换膜和阴离子交换膜。其中，阳离子交换膜目前还存在价格昂贵、燃料阻滞性差、操作温度低等缺点。而对于阴离子交换膜的研究，提高其电导率和稳定性是当前急需解决的问题。
针对以上离子交换膜存在的缺点，本文对质子交换膜和阴离子交换膜的制备及其性质表征进行如下研究:
(1)质子交换膜的制备与性能表征。为了提高质子交换膜的电导率、化学稳定性、热稳定性和降低成本，本文主要采用聚砜(PSU)先溴化、再与2-(2-碘四氟乙氧基)四氟乙基磺酸钾(PSA-K)进行乌尔曼偶联反应的方法，制备了含氟磺酸侧链的聚砜质子交换膜(PSU-PSAs)。研究了聚砜溴化程度对氟磺酸侧链含量的影响。结果表明，经溴化24h的聚砜树脂制备的PSU-PSA，其电导率在30-70℃范围内100％相对湿度下，可以与Nafion212相媲美，70℃100％相对湿度下电导率达到最高，为0.122S/cm。
但是由于所得PSU-PSA膜磺酸侧链含量较高，膜的吸水率和溶胀度过大，这不利于其在实际中的应用。为了得到综合性能好的膜，本文另外采用在PSU-PSA的铸膜液中加入4-乙烯吡啶(4VP)单体进行原位聚合的方法，制备了酸碱复合膜。酸碱基团产生离子键的束缚作用能增加膜的形状稳定性。研究表明，膜内聚4-乙烯基吡啶(P4VP)的含量会对离子交换膜的性质产生很大影响，P4VP含量低时，膜断裂伸长率较大，而含量高的膜杨氏模量和拉伸强度较高。在90℃100％的相对湿度下，含20wt.％P4VP膜的电导率可以与未改性膜以及Nafion212膜的电导率相媲美，同时具有高的热稳定性，而且此膜的断裂伸长率为未改性膜的1.24倍，甲醇渗透率减少了35％。其在直接甲醇燃料电池中显示了重要的应用前景。
(2)阴离子交换膜的制备与性能表征。聚醚醚酮是一种具有良好的机械性能和热稳定性的工程塑料，被广泛用来制备离子交换膜。而季铵盐具有强碱性，有利于促进阴离子的传导，将其接枝到聚合物上而制备的阴离子交换膜，能有效提高所制备阴离子交换膜的电导率。本文以聚醚醚酮为基体材料，对其进行磺化，磺酰化，胺化和季铵化反应，制备了两种含磺酰胺季铵盐侧链的聚醚醚酮阴离子交换树脂，经浇筑成膜和离子交换成OH形式后，其中SMZOOHPEEK膜的电导率30～40℃温度范围内接近于Nafion212，最高可达到0.080S/cm(40℃，100％RH)。虽然SNOHPEEK的电导率较低，但其稳定性较好，有很好的应用前景。