热塑性互穿网络聚苯并咪唑阴离子交换膜研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lxwhuochai
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阴离子交换膜(AEM)是阴离子交换膜燃料电池的核心部件,研发具有优异离子传导率、高机械和化学稳定性能的阴离子交换膜成为阴离子交换膜燃料电池的研究核心。本文以二苯醚基聚苯并咪唑(OPBI)作为基材,提出热塑性互穿聚合物网络制备AEM的新方法,设计合成小空间位阻的互穿单体,解决现有互穿聚合物网络AEM存在的离子传导率低、尺寸稳定性差等问题。设计合成1,2-二甲基-3-(4-乙烯苄基)咪唑离子单体(DVIm),于OPBI体系中原位聚合,制备了一系列TIPN结构的阴离子交换膜(PBI/DVIm TIPN),具有优良尺寸稳定性。最优反应配比的PBI/DVIm TIPN-4/2膜碱吸收率为3.26%,80℃溶胀率为10.5%,水吸收率18.3%,离子传导率达到86.7mS cm-1。设计合成烯丙基咪唑型离子互穿单体1,2-二甲基-3-烯丙基咪唑(DAIm),使其在OPBI基材溶液中原位聚合,制备了一系列热塑性互穿网络碱性咪唑型聚苯并咪唑(PBI/DAIm TIPN)阴离子交换膜,兼具互穿网络的强迫相容特性以及热塑性结构的链段灵活性。PBI/DAIm TIPN膜的IEC为0.30-0.62 mmol g-1,在最优制备条件下(引发剂用量占总体系的0.5wt%、单体起始浓度为65wt%。反应配比18.6:1),PBI/DAIm TIPN-65/0.5膜80℃溶胀率仅4.4%,离子传导率达到96.7 mS cm-1;拉伸强度达到48.2MPa,化学稳定性优异,60℃中1M KOH中浸泡96h,离子传导率仅轻微下降(小于6%)。选用碱吸收率为2.7%的PBI/DVIm TIPN-4/1膜与PBI/DAIm TIPN-65/0.5膜(碱吸收率2.89%)进行电性能对比,80℃DAIm膜(96.7 mS cm-1)明显高于DVIm膜(72.1 mS cm-1)。这可能是由于DVIm中苯环结构导致空间位阻较大,分子链空间灵活性下降,而DAIm脂肪链的灵活性有利于亲水基团聚集形成离子簇。进而,制备了引发剂用量为0.25wt%、单体起始浓度65wt%的半互穿聚合物网络(PBI/DAIm sIPN)及共混(PBI/DAIm Blend)阴离子交换膜,并与相同配比的TIPN膜进行比较。SEM和DSC分析表明,TIPN膜的相容性优于Blend,而引入化学交联的s IPN膜则由于其分子链灵活程度受交联键的牵制而发生了明显的分相。膜结构对性能产生影响,80℃下TIPN的离子传导率(59.3 mS cm-1)高于Blend膜(47.5 mS cm-1)与sIPN膜(33.6 mS cm-1)。因受到互穿网络结构对膜溶胀的抑制,TIPN与s IPN膜80℃下的溶胀度(2.3%与3.3%)显著低于Blend膜(7.7%)。
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