利用電場(chǎng)輔助制備結(jié)構(gòu)取向的質(zhì)子導(dǎo)電聚合物膜材料.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是具有極大潛在應(yīng)用價(jià)值的新能源電池。其核心組件為質(zhì)子交換膜(PEM),而PEM的電導(dǎo)率對(duì)于PEMFC的性能至關(guān)重要。組成PEM的材料,無(wú)論是全氟磺酸(Nafion)或是碳?xì)浠x子聚合物,飽和濕度下都具有分相的兩相結(jié)構(gòu)特征,包含一個(gè)親水相和一個(gè)憎水相,而質(zhì)子是在由親水相組成的曲折通道中傳遞的。為了提高PEM電導(dǎo)率,人們提出了控制聚合物微相形態(tài)的新思路,試圖通過(guò)控制PEM的憎水、親水兩相形態(tài)得到直通的親水相質(zhì)

2、子通道。本文在使用電場(chǎng)構(gòu)筑PEM內(nèi)垂直方向取向的質(zhì)子通道方面進(jìn)行了探索和嘗試。
　　使用分相的渾濁溶液鑄膜是本文的創(chuàng)新點(diǎn)之一。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)電場(chǎng)只能對(duì)分相體系有取向作用,所以我們?cè)贜afion/DMF的均相溶液中添加了低極性的非溶劑組分CCl4,使溶液呈現(xiàn)出渾濁的非均相狀態(tài),人為制造出分相界面。對(duì)此非均相溶液施加垂直方向的電場(chǎng)鑄膜,PEM中的離子通道實(shí)現(xiàn)了在垂直方向的取向,小角X光和廣角X光測(cè)試證明了聚合物分子的規(guī)整排列形態(tài),垂直方向的

3、電導(dǎo)率也因此得到提高。由非均相鑄膜液揮發(fā)溶劑制得的PEM的斷裂強(qiáng)度為9.2-11.8MPa,膜的強(qiáng)度并沒(méi)有因?yàn)槿軇┑娜芙庑圆疃档?反而因?yàn)殡妶?chǎng)下Nafion分子的規(guī)整排列提高了聚合物膜的結(jié)晶度,增強(qiáng)了膜的強(qiáng)度。更特別的是我們發(fā)現(xiàn)僅在Nafion/DMF的均相溶液中添加低極性的非溶劑組分就可以使PEM的電導(dǎo)率提高達(dá)60％左右,這種簡(jiǎn)單易行的方法具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
　　通過(guò)控制自由基聚合反應(yīng),我們首次合成了兩種新的嵌段共聚物聚(1

4、H,1H-五氟-正丙基丙烯酸酯-b-苯乙烯磺酸)和聚(丙烯酸烯丙酯-b-苯乙烯磺酸)。聚(1H,1H-五氟-正丙基丙烯酸酯-b-苯乙烯磺酸)具有典型的兩性嵌段共聚物的自組裝特性,以聚合物的水溶液揮發(fā)溶劑鑄膜可以得到規(guī)整的分相結(jié)構(gòu)形態(tài)。在電場(chǎng)的作用下可以實(shí)現(xiàn)該規(guī)整相形態(tài)的取向控制,垂直向電場(chǎng)處理使相應(yīng)方向的PEM電導(dǎo)率增加了兩倍。聚(丙烯酸烯丙酯-b-苯乙烯磺酸)分子中帶有大量的雙鍵交聯(lián)基團(tuán),交聯(lián)后可以大大提高膜的強(qiáng)度和耐溶劑溶解性能。交

5、聯(lián)膜的IEC為2.3時(shí)室溫飽和濕度的電導(dǎo)率比商品Nafion膜提高一倍,具有耐甲醇、水溶解,吸水率高,合成工藝簡(jiǎn)單,原材料價(jià)格便宜、易得的特點(diǎn)。
　　實(shí)際利用電場(chǎng)對(duì)PEM內(nèi)質(zhì)子通道的取向作用,我們對(duì)于TiO2納米顆粒摻雜的磺化聚醚醚酮(SPEEK)的溶液施加了一個(gè)垂直方向的電場(chǎng)。經(jīng)電場(chǎng)處理的PEM的垂直向電導(dǎo)率提高了75%。摻雜在鑄膜液中的TiO2無(wú)機(jī)顆粒通過(guò)垂直方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)避免了顆粒的沉降和團(tuán)聚,從而被分散的更加均勻,因此提