利用電場輔助制備結構取向的質子導電聚合物膜材料.pdf

1、質子交換膜燃料電池(PEMFC)是具有極大潛在應用價值的新能源電池。其核心組件為質子交換膜(PEM),而PEM的電導率對于PEMFC的性能至關重要。組成PEM的材料,無論是全氟磺酸(Nafion)或是碳氫基離子聚合物,飽和濕度下都具有分相的兩相結構特征,包含一個親水相和一個憎水相,而質子是在由親水相組成的曲折通道中傳遞的。為了提高PEM電導率,人們提出了控制聚合物微相形態(tài)的新思路,試圖通過控制PEM的憎水、親水兩相形態(tài)得到直通的親水相質

2、子通道。本文在使用電場構筑PEM內垂直方向取向的質子通道方面進行了探索和嘗試。
　　使用分相的渾濁溶液鑄膜是本文的創(chuàng)新點之一。因為發(fā)現電場只能對分相體系有取向作用,所以我們在Nafion/DMF的均相溶液中添加了低極性的非溶劑組分CCl4,使溶液呈現出渾濁的非均相狀態(tài),人為制造出分相界面。對此非均相溶液施加垂直方向的電場鑄膜,PEM中的離子通道實現了在垂直方向的取向,小角X光和廣角X光測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的斷裂強度為9.2-11.8MPa,膜的強度并沒有因為溶劑的溶解性差而降低,反而因為電場下Nafion分子的規(guī)整排列提高了聚合物膜的結晶度,增強了膜的強度。更特別的是我們發(fā)現僅在Nafion/DMF的均相溶液中添加低極性的非溶劑組分就可以使PEM的電導率提高達60％左右,這種簡單易行的方法具有很高的應用價值。
　　通過控制自由基聚合反應,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)整的分相結構形態(tài)。在電場的作用下可以實現該規(guī)整相形態(tài)的取向控制,垂直向電場處理使相應方向的PEM電導率增加了兩倍。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,交聯(lián)后可以大大提高膜的強度和耐溶劑溶解性能。交

5、聯(lián)膜的IEC為2.3時室溫飽和濕度的電導率比商品Nafion膜提高一倍,具有耐甲醇、水溶解,吸水率高,合成工藝簡單,原材料價格便宜、易得的特點。
　　實際利用電場對PEM內質子通道的取向作用,我們對于TiO2納米顆粒摻雜的磺化聚醚醚酮(SPEEK)的溶液施加了一個垂直方向的電場。經電場處理的PEM的垂直向電導率提高了75%。摻雜在鑄膜液中的TiO2無機顆粒通過垂直方向上的往復運動避免了顆粒的沉降和團聚,從而被分散的更加均勻,因此提