磷酸化EVOH/双酚A型环氧树脂交联膜的制备及性能

论文摘要

寻求低湿条件下质子传导率比已商业化的Nafion（?）膜高且不以损失其他性能为代价的质子交换膜以及如何降低膜的成本是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的研究热点。质子交换膜的发展趋向于将高分子聚合物用酸基团将其功能化,本课题创新性的选用双酚A型环氧树脂E44（DGEBA）作为交联试剂,对具备优良成膜性和价格低廉的乙烯-乙烯醇的嵌段共聚物（EVOH）进行交联,再用多聚磷酸（PPA）作为酸化试剂使磷酸以共价键的形式锚固在交联膜基体上对其进行磷酸化,全面系统的研究膜的性能。论文从交联EVOH/DGEBA膜的制备和性能表征以及磷酸化交联EVOH/DGEBA膜的制备和性能表征两个方面展开,探讨了磷酸化交联EVOH/DGEBA膜在实际中应用的可能性以N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）为溶剂,DGEBA为交联试剂对EVOH进行交联。对交联膜进行傅立叶红外（FT-IR）、X射线衍射（XRD）以及热稳定性、力学性能及氧化稳定性的表征,证实成功实现了交联。系统表征了交联EVOH/DGEBA膜的热稳定性、力学性能、氧化稳定性以及表面形貌。结果表明：交联EVOH/DGEBA膜具有优异的热稳定性,其降解温度均达到200℃以上；交联EVOH/DGEBA膜表现出良好的氧化稳定性,在Fenton’s试剂中浸泡后的残存质量随交联程度的增大而增加。扫描电镜（SEM）相图表明膜的表面很平整,断面结构为中空结构。以PPA为酸化试剂,通过控制交联膜在PPA中的处理时间,制备了一系列不同磷酸化程度的磷酸化交联EVOH/DGEBA膜。通过傅立叶红外（FT-IR）和元素分析对预处理后的磷酸膜进行了表征,证实了磷酸分子以化学键的形式锚固在交联膜基体上以及酸化反应的成功。系统表征了磷酸化交联EVOH/DGEBA膜的热性能、氧化稳定性、表面形貌、吸水率、尺寸稳定性、膜中水的状态和电导率。结果表明：磷酸化交联EVOH/DGEBA膜具有优异的热稳定性和抗氧化稳定性,其降解温度均达到200℃以上；磷酸化后的膜在Fenton’s试剂中最少可坚持200h左右才完全溶解；尺寸稳定性随温度的升高逐渐变差,离子交换容量随磷酸化时间的增加而增大；通过低温DSC测出了膜中自由水和键合水各自的含量,自由水的含量随交联EVOH/DGEBA膜在磷酸中处理时间的增加而增加；磷酸膜的电导率在常温条件下随湿度的增加而增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 引言
• 1.1 燃料电池
• 1.1.1 燃料电池的发展历史
• 1.1.2 燃料电池的分类
• 1.2 质子交换膜燃料电池
• 1.3 质子交换膜概述
• 1.3.1 离子聚合物薄膜（Ionomer Membrane）
• 1.3.1.1 全氟化合物高分子（Perfluorinated Polymer）
• 1.3.1.2 部分氟化高分子（Partially fluorinated Polymer）
• 1.3.1.3 碳氢化合物高分子（Hydrocarbon Polymer）
• 1.3.1.4 嵌段共聚高分子（Block copolymer）
• 1.3.2 有机/无机杂化膜（Organic-Inorganic hybird membrane）
• 1.3.3 酸/碱高分子薄膜（Membrane based on polymer and oxo-acids）
• 1.4 磷酸化的研究现状
• 1.5 设计思想
• 1.6 选题目的和意义
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料及仪器
• 2.2 交联EVOH/DGEBA膜的制备及表征
• 2.2.1 交联EVOH/DGEBA膜的制备
• 2.2.2 交联EVOH/DGEBA膜的表征
• 2.2.2.1 傅立叶红外（FTIR）
• 2.2.2.2 X射线衍射（XRD）
• 2.2.2.3 热重分析（TGA）
• 2.2.2.4 示差扫描量热（DSC）
• 2.2.2.5 表面及断面形貌
• 2.2.2.6 力学性能
• 2.2.2.7 氧化稳定性
• 2.3 EVOH/DGEBAJPPA磷酸交联膜的制备和表征
• 2.3.1 EVOH/DGEBA/PPA磷酸交联膜的制备
• 2.3.2 PPA磷酸化交联EVOH/DGEBA膜的表征
• 2.3.2.1 傅立叶红外（FTIR）
• 2.3.2.2 XRD
• 2.3.2.3 SEM
• 2.3.2.4 热重分析（TGA）
• 2.3.2.5 示差扫描量热（DSC）
• 2.3.2.6 尺寸稳定性
• 2.3.2.7 吸水率
• 2.3.2.8 离子交换容量（IEC）
• 2.3.2.9 膜中水的状态
• 2.3.2.10 氧化稳定性
• 2.3.2.11 元素分析
• 2.3.2.12 质子电导率
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 EVOH的交联
• 3.2 交联EVOH/DGEBA膜的性能表征
• 3.2.1 傅立叶红外（FTIR）
• 3.2.2 广角X射线衍射（XRD）
• 3.2.3 热重分析（TGA）
• 3.2.4 示差扫描量热（DSC）
• 3.2.5 扫描电镜（SEM）
• 3.2.6 力学性能
• 3.2.7 氧化稳定性
• 3.3 交联EVOH/DGEBA膜的磷酸化
• 3.4 交联EVOH/DGEBA膜的性能表征
• 3.4.1 傅立叶红外（FT-IR）
• 3.4.2 广角X射线衍射（XRD）
• 3.4.3 扫描电镜（SEM）
• 3.4.4 热重分析（TGA）
• 3.4.5 示差扫描量热分析（DSC）
• 3.4.6 尺寸稳定性和吸水率
• 3.4.7 吸水率
• 3.4.8 尺寸稳定性和离子交换容量
• 3.4.9 低温DSC
• 3.4.10 氧化稳定性
• 3.4.11 元素分析
• 3.4.12 导电率
• 第四章 结论
• 参考文献
• 在读期间发表（待发表的论文）
• 致谢