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1、王婧等:热处理对全氟离子交换膜性能的影响９文章编号:１００１Ｇ９７３１(２０１４)增刊(Ⅱ)Ｇ９Ｇ０７∗热处理对全氟离子交换膜性能的影响王婧１,杨淼坤１,张恒１,张永明２(１．山东东岳高分子材料有限公司,山东淄博２５６４００;２．上海交通大学化学化工学院,上海２００２４０)摘要:全氟离子交换膜(PFIEM)是质子交换燃料全氟磺酸膜的质子电导率、降低甲醇透过率等.NaＧ[６Ｇ１０]电池和离子膜氯碱工业的关键材料,在燃料电池、氯碱fion膜在燃料电池领域的研究早已成为热点,但行业、钒电池等方面应用广泛,是目前无可替代的关键对氯碱行业而言,离子膜的研究则相对很少
2、.部件之一.它的结构与性能直接关系着电池或电解槽的性能好坏.热处理作为一种传统工艺过程,简便易行,广泛用于全氟离子交换膜性能的研究.从离子膜的不同性能出发,分别阐述了热处理对质子电导率、甲图１Nafion树脂(a)与Flenmion树脂(b)的分子醇透过率、力学性能、选择渗透性等性能的影响,并总结构示意图结了目前这方面研究的特点与发展方向.Fig１ThemolecularstructureofNafionresin(a)关键词:全氟离子交换膜;热处理;质子电导率;甲醇andFlenmionresin(b)透过率;力学性能热处理是一种简便易行的方法,且对高聚
3、物的聚集态结构及性能有着重要的影响１１Ｇ１５].比如,热处理中图分类号:O６３１;TQ３１７文献标识码:A可以使纤维材料的部分链段解取向,从而获得赋予纤DOI:１０．３９６９/ji．ssn．１００１Ｇ９７３１．２０１４．增刊(Ⅱ)．００２维弹性.许多科研工作者对全氟离子交换膜也进行了１引言热处理研究[１６Ｇ１７].例如,H型Nafion膜玻璃化转变温[１８Ｇ１９]度(T)为１０９℃,当加热到T以上,膜内部结构全氟离子交换膜主链为聚四氟乙烯结构,支链是gg端基为磺酸基团或羧酸基团的全氟乙烯基醚结构.发生变化.在Nafion涂覆膜存有胶束,磺化交换位点位于胶束
4、的外部,热处理可以使内部结构重新排布,胶C—F键长较短,键能高,且富电子的F体积比H大,[２０]可极化度小,通过分子的链旋转可以使氟原子紧密覆束发生倒转,磺化位点位于胶束内部.Thomas[２１]盖在C—C主链周围,形成低表面能的氟原子保护层,等对此作了类似报道,当加热到玻璃化温度以上因此全氟离子交换膜具有较高的力学强度、优良的热时,涂覆膜的内部微胶束结构可以发生倒转.反相后稳定性和化学稳定性能[１Ｇ３].在１９６２年,美国杜邦公的涂覆膜,使原先位于微胶束外部的磺酸基团倒置在司(DuPont)首先开发出的全氟磺酸离子交换膜,商品微胶束内部(如图２所示),减
5、小孔洞体积,导致离子电名为Nafion,分子结构如图１(a)所示,应用于宇航开荷密度增加,从而增加涂覆膜的物理稳定性与选择性能.本文从热处理对全氟离子交换膜性能角度出发,发的燃料电池内,开创了全氟离子交换膜应用的先[４].但全氟磺酸离子交换膜的阻隔氢氧根离子性能总结近些年国内外研究者对这方面的科研工作,重点河阐述热处理对质子电导率、甲醇透过率、力学性能、选较差,在氯碱行业的电流效率达不到实际要求.直到择渗透等性能的影响(如图３所示).１９７５年,日本旭硝子公司(AsahiGlass)开发出了全氟羧酸离子交换膜,商品名为Flenmion,分子结构见２热处理对
6、全氟离子交换膜性能的影响图１(b).全氟羧酸离子交换膜对氢氧根离子具备很好的阻隔性能,可以解决全氟磺酸离子交换膜的问题.２．１热处理对质子电导率的影响膜电导率就是用于表征膜传导电流的能力大小的将全氟磺酸离子交换树脂和全氟羧酸离子交换树脂熔参数.当全氟离子交换膜在质子交换膜燃料电池融挤出制备的复合膜可以同时得到较低的膜电阻和较[５](PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等中应用时,高的电流效率,目前一直沿用这种方法.通常称为质子电导率,它很好地反映出膜对H＋的传虽然全氟离子膜有着其它高分子材料无法比拟的导能力,是全氟离子交换膜一个非常重要的性能指标.结
7、构与性能,但由于含氟化合物的合成需要繁琐的合[２２]成步骤,且树脂的合成方法长期被美国与日本垄断,研Luan等用溶液涂覆的方法制备了全氟磺酸离子膜,分别在１５０~２３０℃温度下热处理,缓慢冷却后究者们主要集中于对Nafion膜性能的改善,比如提高∗基金项目:“十二五”国家科技支撑计划资助项目(２０１１BAE０８B００);科技部国际科技合作资助项目(２０１１DFA５２１１０)收到初稿日期:２０１４Ｇ０３Ｇ０３收到修改稿日期:２０１４Ｇ０７Ｇ１０通讯作者:杨淼坤,EＧmail:ymkj１３１４＠１６３．com作者简介:王婧(１９７９－),女,山西大同人,高级工
8、程师,博士,主要从事含氟材料加工及结构与性能关系方面研究.１０２０
