聚乙烯醇pvasio2杂化阴离子交换膜的制备与表征

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1、聚乙烯醇(PVA)-SiO2杂化阴离子交换膜的制备与表征*吴翠明徐铜文1(南京理工大学化工学院南京2100942中国科学技术大学化学系，合肥230026)摘要：本文将进行聚乙烯醇(PVA)-SiO2杂化阴离子交换膜的探索。利用PVA、含烷氧基硅大分子和小分子前驱体作为原料，通过溶胶-凝胶（sol-gel）反应成功制备了PVA/SiO2杂化阴膜。同时，研究了不同原料配比对膜均匀性、机械性能、热稳定性、离子交换容量、膜电位等的影响。关键词：聚乙烯醇正硅酸乙酯有机－无机杂化膜阴离子交换膜1.引言：有机-无机杂化膜是上个

2、世纪八、九十年代开始发展的一种新型膜，具有可以集中无机膜和有机膜各自优势的独特特性，所以受到众多研究者的关注[1]。其中，杂化离子交换膜近年来也有集中研究，特别是杂化阳膜在质子交换膜燃料电池（PEMFC）方面的研究开发，获得了很多突破性的进展[2]。PVA具有机械性能良好、成膜性能好、亲水性强、无毒、便宜易得等优点，所以有大量的基于PVA的杂化膜的研究报道，包括杂化阳离子交换膜[3-4]。不过基于PVA的杂化阴离子交换膜还少有研究，因为一般认为阴膜的应用领域要少得多。随着膜科学技术的发展，阴膜的应用也逐渐扩大，如

3、蛋白质等生物分子在等电点以下的分离、工业含阳离子废水的处理，--以及近年来发展起来的阴离子交换膜燃料电池。在燃料电池方面，OH型阴膜可以作为OH离子导体和电池隔膜，与质子导电膜燃料电池(PEMFC)相比，该类新型电池具有氧还原和甲醇氧化动力学优、催化剂的活性好、催化剂选择范围大、甲醇渗漏率低等优点，因此近年来备受关注[5]。本文中即将探讨PVA-SiO2杂化阴膜的制备及其基础性能表证。2.实验：2.1大分子和小分子烷氧基硅烷前驱体的制备：大分子前驱体即甲基丙烯酸缩水甘油酯(GAM)和γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧

4、基硅烷(KH-570)的共聚物，其制备在氮气保护下进行：取1：1摩尔比GAM和KH-570，溶于甲苯中，*第一作者：吴翠明，女，1978年8月出生，南京理工大学讲师，目前在新加坡国立大学化学与生物分子工程系做博士后研究。*通讯作者，tel:0551-3601587;email:twxu@ustc.edu.cn教授，博士生导师分次加入0.25%对苯二酚和0.6%AIBN，70°C反应36h。小分子荷电前驱体的制备：将6倍摩尔比的碘甲烷滴加到胺丙基三乙氧基硅烷(A-1100)中，58°C下反应12h。蒸馏除去多余的碘

5、甲烷，得到荷电前驱体A-1100(+)Sol-gel反应制膜：取GAM和KH-570共聚物：A-1100(+)：苯基三乙氧基硅烷(Eph)＝0.25：1：1（Si的摩尔比），溶于一定体积的乙醇中，加入一定量盐酸进行催化。40°C反应一周，得到sol-gel预反应溶液。将PVA配制成5％的溶液，用HCl调节其pH为2，然后滴加入以上sol-gel预反应溶液，40°C搅拌反应两天后，刮涂于玻璃板上。室温挥发成膜后，升温至110°C，并在110°C保持4h。以上过程中，变化Si摩尔数占全体原料摩尔数（PVA以单元数计算

6、）百分比为7.14%,9.30%,13.33%,18.76%或31.55%，得到的杂化膜标记为膜A，B，C，D或E。2.2膜表证膜的水含量、阴离子交换容量、机械强度、膜电位测试方法与本课题组以前的研究方法相同[6-7]。利用TGA测试仪（ShimadzuTGA-50H）在空气氛中，以10°C/min的速度升温，以测试膜的热性能。利用扫描电镜(XT30ESEM-TMPPHILIP)观测膜断面形貌。2.3结果与讨论为了得到杂化阴离子交换膜，在本实验中，合成了含有季铵离子的烷氧基硅烷A-1100(+)作为前驱体之一。我

7、们的预实验结果表明，如果直接将A-1100(+)与PVA水溶液共混进行sol-gel反应，相分离严重。为此合成了GAM和KH-570的共聚物作为大分子前驱体。共聚物中，有机主链可以增加与PVA的相容性，烷氧基硅烷侧链可以与A-1100(+)共同进行sol-gel反应，由此得到外观均一、稳定的杂化膜。膜的水含量（WR）、离子交换容量（IEC）、机械强度、膜电位测试结果如图1-图3所示。从测试结果可以看出，膜的水含量(WR)在64.6%-151.4%，离子交换容量(IEC)为0.417–0.788mmol/g，膜电位

8、(Em)为6.4-10.5mV。膜具有较好的机械性能，其断裂拉伸应力在29.9-81.9MPa范围,断裂伸长率为8.1%-16.0%。膜的热稳定性与文献报道的PVA-SiO2杂化离子膜相似[4]，起始热分解温度(Td)在159-178°C范围内，而且随着Si含量的增加，从膜A到膜E，Td总体上是逐渐增加的，说明无机SiO2组分的引入，有利于膜热稳定性的提高。膜的断面SEM