聚酰亞胺靜電紡絲及其復(fù)合質(zhì)子交換膜、碳化膜材料的制備及性能.pdf

1、聚酰亞胺(PI)具有優(yōu)異的耐高溫性能，良好的力學(xué)性能，尺寸穩(wěn)定性高，耐輻射，耐低溫，耐化學(xué)試劑等優(yōu)異性能。可溶性聚酰亞胺在保持PI優(yōu)異性能的同時(shí)，加工性能得到了很好的改善，可溶于常規(guī)的有機(jī)溶劑中，相比于傳統(tǒng)的聚酰亞胺材料更容易加工。
　　 本文合成了一種可溶性聚酰亞胺材料，進(jìn)行了較為全面的靜電紡絲工藝研究;最佳工藝參數(shù)下的電紡PI膜材料運(yùn)用于復(fù)合質(zhì)子交換膜材料基材，對(duì)復(fù)合質(zhì)子交換膜材料的性能進(jìn)行了研究;同時(shí)由PI膜高溫碳化后制備

2、了性能較好的納米碳化膜材料。主要研究結(jié)果如下:
　　 1.以苯甲醛和2，6-二甲基苯胺為原料，合成了含有四甲基三苯環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的二胺單體，元素分析、FT-IR分析結(jié)果證實(shí)了產(chǎn)物具有期望的結(jié)構(gòu)和較高的純度;將其與聯(lián)苯二酐高溫溶液聚合得到了可溶性的聚酰亞胺;所合成的PI具有較高的分子量，特性粘度為1.13dL/g，同時(shí)具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和溶解性能。將PI溶解于DMAc中，詳細(xì)研究了溶液濃度、推進(jìn)速度、電場(chǎng)強(qiáng)度、接收距離、鹽及表面活性劑

3、對(duì)PI靜電紡絲過(guò)程的影響，得到了最佳的紡絲工藝為:濃度為18wt.％、推進(jìn)速度5μl/min、直流電壓18kV、接收距離18cm，CTAB含量為1wt.％，得到的纖維直徑為249nm，直徑不勻率為0.047。通過(guò)轉(zhuǎn)輥收集裝置紡制了具有良好力學(xué)性能的PI及PI/MWCNTs納米纖維膜，研究了轉(zhuǎn)輥速度和MWCNTs對(duì)PI納米纖維的取向排列、結(jié)晶度和力學(xué)性能的影響;提高轉(zhuǎn)輥速度，尤其是添加MWCNTs可以明顯提高PI納米纖維的取向和結(jié)晶程度，

4、轉(zhuǎn)速為9m/s，MWCNTs含量為4wt.％時(shí)，結(jié)晶度最大為46.79％，同時(shí)納米纖維膜的力學(xué)性能也得到了明顯的提高。添加3wt.％MWCNTs，在9m/s轉(zhuǎn)輥速度下，膜的拉伸強(qiáng)度由純PI膜的58.37MPa提高到了91.64MPa。
　　 2.通過(guò)將納米SiO2分散到PI/DMAc紡絲液中，電紡后浸入全氟磺酸溶液，以及將PI納米纖維膜，浸入納米SiO2的乙醇溶液烘干后再浸入全氟磺酸溶液，這兩種方法制備了PI/SiO2/Nafi

5、on復(fù)合質(zhì)子交換膜;PI/SiO2/Nafion復(fù)合膜具有較好的力學(xué)性能，含有SiO250wt.％的復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度達(dá)到33.34MPa，楊氏模量1.56GPa;而含有SiO2300wt.％的復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度達(dá)到了42.34MPa，楊氏模量2.36GPa;PI/SiO2/Nafion復(fù)合質(zhì)子交換膜具有明顯的多孔結(jié)構(gòu)，SiO2含量為300wt.％時(shí)，PI/SiO2/Nafion的質(zhì)子傳導(dǎo)率達(dá)到了0.067Scm-1(30℃);復(fù)合膜的吸水率不

6、高于30％，膨脹率不高于15％，高溫時(shí)尺寸穩(wěn)定性良好;在低濕度下，復(fù)合膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率隨時(shí)間的衰變情況相對(duì)于普通的Nafion膜明顯較慢;對(duì)水在膜中的結(jié)合狀態(tài)的研究結(jié)果表明，復(fù)合膜隨著SiO2含量的上升，化學(xué)吸水率明顯上升，PI-SiO2(300wt.％)-Nafion的化學(xué)吸水率為67.1％，而Nafion115僅為19.7％;這部分水在高溫下不易流失，保水性得到提高，使得SiO2含量較高的復(fù)合膜在低濕度或者高溫下，質(zhì)子傳導(dǎo)率的保持情況

7、優(yōu)于Nafion膜。由此說(shuō)明PI/SiO2雜化納米纖維膜是一種綜合性能較好的質(zhì)子交換膜基材。
　　 3.通過(guò)加入不同含量的乙酰丙酮和鐵(AAI)，將PI靜電紡絲膜在管式碳化爐內(nèi)純氮?dú)夥障?，升溫?200℃進(jìn)行碳化，制備了基于聚酰亞胺的納米碳纖維膜材料，纖維直徑為130nm～250nm之間;隨著AAI含量的增加，碳產(chǎn)率增大，最大可以達(dá)到40.12％，碳化膜中納米纖維的熔化粘連得到緩解，膜的力學(xué)性能略有提高，AAI含量為3wt.％時(shí)

8、，納米碳纖維膜的拉伸強(qiáng)度為11.21MPa，模量為1.25GPa;對(duì)碳化膜的XRD、FT-IR和拉曼光譜分析結(jié)果表明，碳化后得到的納米碳纖維為亂層石墨結(jié)構(gòu);比表面積和孔隙率的測(cè)試結(jié)果表明，隨著AAI含量的增大，納米碳纖維膜的比表面積增加明顯，較未添加AAI時(shí)提高了一倍多，達(dá)到了199.98cm2·g-1，碳納米纖維形成了小于20nm和大于78nm的孔隙，這些孔隙可以為電解質(zhì)離子的擴(kuò)散提供充足的通道;電導(dǎo)率測(cè)試發(fā)現(xiàn)，隨著AAI含量的上升，