ATRP制备PVDF-g-PSSA质子交换膜

论文摘要

质子交换膜燃料电池是新一代的发电装置,具有高效率、绿色环保等优点,是研究者重点开发课题之一。质子交换膜作为其中最主要的部分之一,起传导质子的作用,其性能的好坏将直接影响到燃料电池整体性能的高低。目前市场上采用的Nafion膜为全氟磺酸型膜,具有高的质子传导率和稳定性,但是制备工艺的复杂和高甲醇透过率等因素在一定程度上限制了其发展。本实验尝试采用以聚偏氟乙烯作为基材,通过原子转移自由基聚合法接枝带有磺酸基团的单体,制备质子交换膜,并通过红外、热失重等对其表征,分析了其在质子交换膜应用上的主要性能。本实验采用了两种不同的方法制备质子交换膜。第一种是先将苯乙烯单体接枝到聚偏氟乙烯主链上,再加入磺化剂对其磺化。第二种是直接在聚偏氟乙烯主链上接枝对苯乙烯磺酸钠单体。在第一种方法制备质子交换膜中,首先对接枝苯乙烯的各种条件进行了分析。结果表明苯乙烯的接枝率随催化剂的用量增加而增加,当用量为0.1g时,接枝率达到了26%,但是对产物的提纯带来了一定的困难,过量的催化剂和配位体需要反复的洗涤,致使最后产物损失严重。反应时间对接枝率的影响表现在12h以内,12h以后接枝率的变化不大。而反应温度对接枝率有较大的影响,随温度的增加而增加。对PVDF-g-PS的磺化采用了两种方法：膜磺化和溶液磺化。在对其性能的测试中表明溶液磺化的方法要优于膜磺化,接枝膜的机械强度比纯聚偏氟乙烯膜低,而且热稳定性也呈现下降趋势。在用ATRP聚合法成功地将苯乙烯接枝到聚偏氟乙烯的基础上,进一步用第二种方法制备质子交换膜。由于接枝的单体已经完全被磺化,即略过了磺化的步骤,简化了工艺条件,而且测试的结果也比第一种方法更好。质子传导率达到了4.91×10-4S/cm,比磺化的膜要高出一个数量级。因为分子链的结构与前一种方法基本相同,所以在机械性能和热稳定上与磺化膜的变化趋势一样。由于首次尝试采用ATRP法制备质子交换膜,基材原料PVDF主链的高度稳定性,使最后所得共聚物的接枝率不高,以致膜的性能距生产应用还有一定的差距,还需更进一步的深入研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 质子交换膜燃料电池概述
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池的发展
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 1.2.3 质子交换膜燃料电池的应用前景
• 1.3 燃料电池质子交换膜的研究进展
• 1.3.1 质子交换膜的材料及性能要求
• 1.3.2 质子交换膜的种类
• 1.3.2.1 全氟磺酸质子交换膜
• 1.3.2.2 部分含氟磺酸质子交换膜
• 1.3.2.3 非氟质子交换膜
• 1.4 PVDF接枝改性的方法
• 1.4.1 辐射法接枝
• 1.4.1.1 共辐照法
• 1.4.1.2 预辐照法
• 1.4.2 BPO引发接枝
• 1.4.3 ATRP法接枝
• 1.5 本课题研究的背景和内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验药品
• 2.2 实验仪器
• 2.3 聚合物的制备
• 2.3.1 PVDF接枝苯乙烯
• 2.3.1.1 聚合物PVDF-g-PS的制备
• 2.3.1.2 接枝聚合物的磺化
• 2.3.2 PVDF接枝对苯乙烯磺酸钠
• 2.3.3 聚合物膜的制备
• 2.4 分析测试及其表征
• 2.4.1 聚合物结构的表征（FT-IR）
• 2.4.2 聚合物的热分析（TGA）
• 2.4.3 质子传导率测试
• 2.4.4 力学性能测试
• 2.4.5 离子交换容量（IEC）测试
• 2.4.6 吸水率测试
• 2.4.7 溶胀率测试
• 第三部分 结果与讨论
• 3.1 PVDF接枝苯乙烯
• 3.1.1 聚合物PVDF-g-PS的性能
• 3.1.1.1 聚合物的红外光谱表征
• 3.1.1.2 聚合物的热性能
• 3.1.1.3 聚合物的接枝率
• 3.1.2 磺化PVDF-g-PS的性能
• 3.1.2.1 膜的力学性能
• 3.1.2.2 离子交换容量
• 3.1.2.3 吸水率和溶胀率
• 3.1.2.4 膜的质子传导率
• 3.1.2.5 聚合物的红外光谱表征
• 3.1.2.6 聚合物的热性能
• 3.2 PVDF接枝对苯乙烯磺酸钠
• 3.2.1 反应温度对聚合物接枝率的影响
• 3.2.2 膜的力学性能
• 3.2.3 离子交换容量
• 3.2.4 吸水率和溶胀率
• 3.2.5 膜的质子传导率
• 3.2.6 聚合物的红外光谱表征
• 3.2.7 聚合物的热性能
• 结论
• 参考文献
• 发表文章及科研成果
• 致谢