【摘 要】
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磺化聚醚醚酮(SPEEK)质子交换膜因阻醇性能优良、质子传导率高、机械性能优异、制备工艺相对简单、成本低廉等优点受到广泛关注。但是纯SPEEK质子交换膜在高磺化度(DS)时尺寸
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磺化聚醚醚酮(SPEEK)质子交换膜因阻醇性能优良、质子传导率高、机械性能优异、制备工艺相对简单、成本低廉等优点受到广泛关注。但是纯SPEEK质子交换膜在高磺化度(DS)时尺寸稳定性差,电导率和阻醇性能难以兼顾。本文采用掺杂无机粒子的方法,以A型沸石为掺杂主体,探究A型沸石对SPEEK/沸石复合质子交换膜性能的影响,包括尺寸稳定性、吸水率、质子电导率、甲醇渗透率等。首先本文采用水热法和离子交换法制备不同粒径(4A/4a)、不同孔径的A型沸石(4a/3a),利用溶液浇铸法制备SPEEK/A型沸石复合质子交换膜。实验发现粒径为1μm的沸石改性的SPEEK/4a复合膜性能优于SPEEK/4A复合膜,20℃时电导率提高了60.4%;不同孔径沸石改性的SPEEK/4a膜和SPEEK/3a膜的电导率随温度变化趋势基本一致,但是由于3a沸石的孔径介于水分子和甲醇分子直径之间,SPEEK/3a-10.0膜的阻醇性能和选择性优于SPEEK/4a-10.0膜。在此基础上,为了进一步提升SPEEK/3a复合膜的质子电导率,本实验在体系中加入“质子导体”磷钨酸(HPW),首先利用HPW对3a沸石进行预处理制备HPW@3a,然后将其加入SPEEK中制备SPEEK/HPW@3a复合膜。实验发现60℃时,SPEEK/HPW@3a膜比简单共混制备的SPEEK/HPW/3a膜的电导率略高,原因是复合膜在60℃保温条件下HPW发生流失,而在HPW@3a中,HPW和3a沸石结合比较紧密,减少了HPW的流失。为了探究沸石提高复合膜电导率的原因,本文研究了沸石对SPEEK膜内部微观结构的影响。实验发现加入3a沸石后,SPEEK复合膜的质子传输通道变得更加连续,通道之间的交点增加,形成比SPEEK/4a复合膜更连贯的网络结构;沸石弥散分布,使甲醇分子运动路线变曲折,从而降低甲醇渗透率。实验通过共混制备SPEEK/A型沸石复合膜,利用沸石在酸性环境中解离的特点解决了大量纳米颗粒容易团聚的问题,使共混比例达到10.0 wt.%;利用沸石的亲水性和多孔性,改善复合膜的亲水通道结构和阻醇性能,获得综合性能良好的复合质子交换膜,为SPEEK的改性研究提供了新思路。
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