亲水链段对磺化聚砜质子交换膜性能的影响
发布时间：2021-03-20 19:36
制备了萘磺酸型和芘磺酸型磺化聚砜（PSf-NS和PSf-TS）质子交换膜（PEM）,探讨了在相同的磺酸基团含量下,亲水链段结构对PEM的吸水率、吸水溶胀率、质子传导率和抗氧化稳定性等的影响.结果显示,由于亲水基团远离聚合物主链,能够在纳米水平形成类似于Nafion膜的相分离结构,PSf-NS和PSf-TS PEM在高磺化度下能保持良好的尺寸稳定性.在相同的磺酸含量下, PSf-TS由于亲水链段少,吸水效率更高,亲水链段的磺酸基团数目多,有利于吸收水分的聚集,相分离结构更明显, PSf-TS在高吸水率下的尺寸稳定性、抗氧化稳定性和阻醇性能更好.其中PSf-TS-3膜在25和85℃的溶胀率仅为20.3%和48.1%,室温时的甲醇扩散系数（DK）仅为7.54×10-7 cm2/s,优于商业化Nafion115膜在相同条件下的性能(16.8×10-7 cm2/s),有望应用于燃料电池.
【文章来源】：膜科学与技术. 2020,40(04)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
PSf、CMPSf和 PSf - TS的红外光谱图
以氘代氯仿为溶剂溶解聚合物,聚合物CMPSf、PSf - NS和PSf - TS的1H NMR谱图见图2.如图2所示,CMPSf主链的质子比较多,集中在6.831～7.883 ppm之间,在4.541 ppm处新出现了侧链氯甲基质子的化学位移; PSf - NS由于侧链萘二磺酸基团的引入,1H NMR谱图发生了很大的变化,b～j范围内的峰相互重合,在6.782～8.016 ppm出现一组大的吸收峰,侧链亚甲基k处的质子位移在4.557 ppm处,侧链萘环上m、n、l处质子的化学位移分别在7.802、7.312和7.963 ppm处;PSf - TS主链质子的化学位移相互重合,集中在6.783～7.847 ppm处,由于侧链芘磺酸基团的引入,相对于CMPSf的核磁氢谱发生了很大的变化,侧链亚甲基的质子化学位移出现在3.581 ppm处,芘磺酸上k、o、p、q、m和n处质子的化学位移分别出现在7.201、7.852、6.927、7.352、8.952和7.832 ppm处.
将制备好的膜材在蒸馏水中充分浸泡,取出吸干表面水分,称重W1(g),然后烘干称重W2(g),WU通过 (W1-W2)/W2×100%来计算.图3给出了PSf - TS和PSf - NS的WU与温度之间的关系.从图3可以看出,两种PEM的WU随着温度的升高而增加.这与水分子的扩散速率增大有关,温度的升高促进了磺酸基团和水分子的运动,有利于它们相互结合形成水合离子簇,导致WU的增加.在相同的磺酸基团含量下,PSf - NS的WU明显大于PSf - TS膜,这与两种膜材的分子结构有关.磺酸基团BA相同时,PSf - NS的亲水链段更多,可以形成更多的亲水位点,吸收水分子的空间更大,最终导致WU增加,其中磺酸基团BA为1.51 mmol/g 的PSf - NS - 3膜的WU在25和85 ℃达到了23.3%和42.7%,高于Nafion115膜材相同条件下的性能,保持了很好的吸水性能[11-12].
【参考文献】：
期刊论文
[1]高耐碱性交联型聚苯醚阴离子交换膜的制备[J]. 杨谦,张瑜兰,张秋根,朱爱梅,刘庆林. 膜科学与技术. 2020(01)
[2]直接甲醇燃料电池用双重交联结构聚苯醚基质子交换膜的制备及性能[J]. 连文玉,傅荣强,王伟,张晓丽,李晓玉,刘兆明. 膜科学与技术. 2019(06)
[3]萘磺酸型磺化聚砜的制备及质子交换膜基本性能[J]. 乔宗文,孟龙,陈涛. 过程工程学报. 2019(02)
[4]一类侧链型磺化聚芳醚砜质子交换膜的合成及表征[J]. 沈斌,汪称意,徐常,陈文涛,李坚,任强. 高分子学报. 2016(10)
[5]磺酸基在侧链萘环上的磺化聚芳醚质子交换膜的制备与性能研究[J]. 陶丹,向雄志,王雷. 高分子学报. 2014(03)
[6]含氟磺化双三蝶烯型聚芳醚砜质子交换膜的制备及性能[J]. 宫飞祥,齐永红,薛群翔. 高等学校化学学报. 2014(02)
[7]萘甲酸功能化聚砜的制备及其与Eu（Ⅲ）稀土离子配合物的荧光发射特性[J]. 王明娟,高保娇,杜俊玫. 应用化学. 2013(03)
[8]聚砜阴离子交换膜的制备及结构与性能研究[J]. 杜瑞奎,高保娇,李延斌,王玲. 高分子学报. 2010(07)
本文编号：3091551
【文章来源】：膜科学与技术. 2020,40(04)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
PSf、CMPSf和 PSf - TS的红外光谱图
以氘代氯仿为溶剂溶解聚合物,聚合物CMPSf、PSf - NS和PSf - TS的1H NMR谱图见图2.如图2所示,CMPSf主链的质子比较多,集中在6.831～7.883 ppm之间,在4.541 ppm处新出现了侧链氯甲基质子的化学位移; PSf - NS由于侧链萘二磺酸基团的引入,1H NMR谱图发生了很大的变化,b～j范围内的峰相互重合,在6.782～8.016 ppm出现一组大的吸收峰,侧链亚甲基k处的质子位移在4.557 ppm处,侧链萘环上m、n、l处质子的化学位移分别在7.802、7.312和7.963 ppm处;PSf - TS主链质子的化学位移相互重合,集中在6.783～7.847 ppm处,由于侧链芘磺酸基团的引入,相对于CMPSf的核磁氢谱发生了很大的变化,侧链亚甲基的质子化学位移出现在3.581 ppm处,芘磺酸上k、o、p、q、m和n处质子的化学位移分别出现在7.201、7.852、6.927、7.352、8.952和7.832 ppm处.
将制备好的膜材在蒸馏水中充分浸泡,取出吸干表面水分,称重W1(g),然后烘干称重W2(g),WU通过 (W1-W2)/W2×100%来计算.图3给出了PSf - TS和PSf - NS的WU与温度之间的关系.从图3可以看出,两种PEM的WU随着温度的升高而增加.这与水分子的扩散速率增大有关,温度的升高促进了磺酸基团和水分子的运动,有利于它们相互结合形成水合离子簇,导致WU的增加.在相同的磺酸基团含量下,PSf - NS的WU明显大于PSf - TS膜,这与两种膜材的分子结构有关.磺酸基团BA相同时,PSf - NS的亲水链段更多,可以形成更多的亲水位点,吸收水分子的空间更大,最终导致WU增加,其中磺酸基团BA为1.51 mmol/g 的PSf - NS - 3膜的WU在25和85 ℃达到了23.3%和42.7%,高于Nafion115膜材相同条件下的性能,保持了很好的吸水性能[11-12].
【参考文献】：
期刊论文
[1]高耐碱性交联型聚苯醚阴离子交换膜的制备[J]. 杨谦,张瑜兰,张秋根,朱爱梅,刘庆林. 膜科学与技术. 2020(01)
[2]直接甲醇燃料电池用双重交联结构聚苯醚基质子交换膜的制备及性能[J]. 连文玉,傅荣强,王伟,张晓丽,李晓玉,刘兆明. 膜科学与技术. 2019(06)
[3]萘磺酸型磺化聚砜的制备及质子交换膜基本性能[J]. 乔宗文,孟龙,陈涛. 过程工程学报. 2019(02)
[4]一类侧链型磺化聚芳醚砜质子交换膜的合成及表征[J]. 沈斌,汪称意,徐常,陈文涛,李坚,任强. 高分子学报. 2016(10)
[5]磺酸基在侧链萘环上的磺化聚芳醚质子交换膜的制备与性能研究[J]. 陶丹,向雄志,王雷. 高分子学报. 2014(03)
[6]含氟磺化双三蝶烯型聚芳醚砜质子交换膜的制备及性能[J]. 宫飞祥,齐永红,薛群翔. 高等学校化学学报. 2014(02)
[7]萘甲酸功能化聚砜的制备及其与Eu（Ⅲ）稀土离子配合物的荧光发射特性[J]. 王明娟,高保娇,杜俊玫. 应用化学. 2013(03)
[8]聚砜阴离子交换膜的制备及结构与性能研究[J]. 杜瑞奎,高保娇,李延斌,王玲. 高分子学报. 2010(07)
本文编号：3091551
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